摘要：為實(shí)現(xiàn)汽車平臺化開發(fā)策略，在平臺內(nèi)不同車型間最大程度共用底盤、下部車身、動力總成、電器架構(gòu)和內(nèi)飾骨架等部件，探索碰撞安全平臺化設(shè)計(jì)的思路和方法。在對國內(nèi)外安全法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展趨勢分析的基礎(chǔ)上，制定平臺安全性能目標(biāo)和開發(fā)策略。正向開發(fā)搭建完整的汽車平臺框架結(jié)構(gòu)，應(yīng)用CAE仿真分析進(jìn)行平臺內(nèi)車型碰撞安全性能的設(shè)計(jì)優(yōu)化，最終達(dá)成平臺安全性能開發(fā)的目標(biāo)要求。在此基礎(chǔ)上總結(jié)整理碰撞安全平臺化開發(fā)設(shè)計(jì)流程，供后續(xù)平臺開發(fā)項(xiàng)目參考。

關(guān)鍵詞：平臺化開發(fā)；框架；碰撞安全；正向開發(fā)

0 引 言

汽車平臺化開發(fā)在國外汽車企業(yè)中已得到較成熟的發(fā)展和推廣，是大勢所趨。平臺化開發(fā)將同平臺車型下部車身和絕大部分底盤設(shè)計(jì)固定，使設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)在同平臺車型中可以得到很好的傳承。這不僅可以減少單個車型的設(shè)計(jì)缺陷、縮短開發(fā)周期，而且還可以減少后期樣車試制和性能驗(yàn)證的試驗(yàn)費(fèi)用，從而降低平臺車型的研發(fā)成本，使車型具有穩(wěn)定的性能，使企業(yè)具有更好的盈利模型，快速響應(yīng)市場、搶占先機(jī)。

碰撞安全性是整車開發(fā)關(guān)注的重要性能之一，在平臺框架搭建和前期開發(fā)階段對其進(jìn)行充分的研究具有重要意義。本文以某平臺開發(fā)項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，分析碰撞安全平臺化設(shè)計(jì)的思路和方法，對平臺開發(fā)前期概念設(shè)計(jì)階段的安全性能開發(fā)進(jìn)行解析。

1 汽車平臺化開發(fā)的定義1.1 平臺化開發(fā)定義

汽車的平臺化開發(fā)就是在開發(fā)過程中用相似度很高的底盤和下部車身結(jié)構(gòu)，同時支持不同類型汽車的開發(fā)，后期不同車型產(chǎn)品的生產(chǎn)和制造都可以共用一條生產(chǎn)線，所生產(chǎn)出的車型外形和功能不盡相同。這樣可以使得設(shè)計(jì)、工程、生產(chǎn)工藝和主要構(gòu)件實(shí)現(xiàn)資源平臺化共享。

1.2 汽車平臺化開發(fā)的范圍

平臺化開發(fā)的基礎(chǔ)是平臺化部件開發(fā)。從產(chǎn)品子系統(tǒng)分塊角度劃分，平臺化開發(fā)研究范圍(見圖1)大致可規(guī)劃為如下幾個系統(tǒng)：(1) 下部車身系統(tǒng)，包括發(fā)動機(jī)艙骨架總成、前后地板骨架總成和門檻總成等；(2) 底盤系統(tǒng)，包括懸架系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、車架總成和四驅(qū)系統(tǒng)等；(3) 內(nèi)外飾系統(tǒng)，包括座椅骨架系統(tǒng)和儀表橫梁系統(tǒng)等；(4) 動力總成集成系統(tǒng)，包括發(fā)(動機(jī))變(速)系統(tǒng)、懸置系統(tǒng)、進(jìn)排氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)等；(5) 電器系統(tǒng)，包括電器架構(gòu)系統(tǒng)和線束能源系統(tǒng)等。

圖 1 平臺化開發(fā)研究范圍

2 汽車碰撞安全平臺架構(gòu)開發(fā)策略

在平臺開發(fā)初期，應(yīng)明確該平臺所開發(fā)產(chǎn)品的預(yù)售市場及其在所銷售市場的定位，也就是所謂的目標(biāo)市場和產(chǎn)品定義。針對目標(biāo)市場未來5～10 a的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究,預(yù)測發(fā)展趨勢，并且根據(jù)現(xiàn)狀對安全定義的目標(biāo)進(jìn)行可行性評估，確定能否通過可行的技術(shù)提升滿足未來幾年上市產(chǎn)品所定義的目標(biāo)。

2.1 安全法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展趨勢及平臺化研究的重點(diǎn)

目前，世界各國、各地區(qū)都有相應(yīng)的安全標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)法規(guī)，但歸納起來，所有汽車安全性技術(shù)法規(guī)可分為兩大體系，即歐洲體系和美國體系，兩者的考察范圍不盡相同，具體如下。

(1) 美國FMVSS中的碰撞工況最復(fù)雜，考慮的范圍較為廣泛：碰撞方面包括100%正面碰撞、角度碰撞和40%偏置碰撞；乘員方面考慮大個子男性、小個子女性和是否系安全帶等。FMVSS碰撞試驗(yàn)分為前碰、側(cè)碰、后碰和動態(tài)翻滾等。

(2) 歐洲ECE工況較為簡明，前碰包括100%正碰和40%偏置碰撞，側(cè)碰包括50 km/h側(cè)碰和29 km/h柱碰，但是新增加了對行人保護(hù)的相關(guān)法規(guī)。

隨著全球化進(jìn)程的推進(jìn)，全球的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)逐漸相互融合、相互彌補(bǔ)。中國的C-NCAP修訂歷程顯示出逐步向Euro NCAP靠攏的趨勢，有望增加側(cè)面柱碰工況。Euro NCAP計(jì)劃將100%全剛性墻正面碰撞納入新車評價體系中，側(cè)面柱碰工況也將參考美國標(biāo)準(zhǔn)提速至32 km/h；美國標(biāo)準(zhǔn)也逐步考慮對行人保護(hù)的相關(guān)要求。綜合上述發(fā)展趨勢，平臺未來開發(fā)車型應(yīng)將50 km/h正碰、64 km/h偏置碰、側(cè)碰和柱碰工況納入考察范圍。平臺架構(gòu)開發(fā)階段重點(diǎn)關(guān)注2個前碰工況，側(cè)碰和柱碰涉及上部車身結(jié)構(gòu)較多，故在整車設(shè)計(jì)階段完成，此處不予考慮。

2.2 平臺架構(gòu)開發(fā)中安全性能目標(biāo)的制定及開發(fā)策略

安全性開發(fā)可以歸納為兩大方向：一是主動安全開發(fā)，二是被動安全開發(fā)。主動安全開發(fā)多涉及電器和底盤的設(shè)計(jì)，主要是提升車型整體配置檔次和人性化需求，與架構(gòu)關(guān)系不大；被動安全開發(fā)涉及框架和布置等基礎(chǔ)開發(fā)和約束系統(tǒng)匹配的問題，與平臺架構(gòu)密切相關(guān)，需在前期設(shè)計(jì)中考慮周到。對于平臺化開發(fā)過程中的安全性能來說，整體的實(shí)現(xiàn)策略是平臺內(nèi)各款車型采用相似度很高的下部車身架構(gòu)，通過不同配置和造型實(shí)現(xiàn)車型差異化，確保平臺內(nèi)車型均達(dá)標(biāo)。

平臺安全目標(biāo)的制定應(yīng)該有自上而下的策劃過程，明確產(chǎn)品定義對安全性的要求，從而解讀被動安全的碰撞星級要求。根據(jù)具體的星級要求，結(jié)合未來的發(fā)展趨勢，制定能夠滿足前瞻性的安全結(jié)構(gòu)方面的具體衡量指標(biāo)和相關(guān)目標(biāo)值，以此目標(biāo)值作為平臺架構(gòu)開發(fā)的安全性能目標(biāo)。平臺框架的碰撞安全表現(xiàn)以此安全性能目標(biāo)為衡量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行架構(gòu)設(shè)計(jì)和開發(fā)。

在架構(gòu)開發(fā)過程中，要有明確的策略實(shí)現(xiàn)平臺的變化。平臺內(nèi)各車型的差異通過可變區(qū)域調(diào)整，見圖3。(1) 前、后懸架的長短差異可變換整車前、后部造型；(2) 軸距的長短差異可實(shí)現(xiàn)整車大小等級的調(diào)節(jié)和乘員艙空間的調(diào)整；(3) 懸架長短和輪胎型號的變換可實(shí)現(xiàn)離地間隙和整車高度的變化。這些變化在同一平臺均可實(shí)現(xiàn)，即平臺具有包容性。與此同時，平臺設(shè)計(jì)中還存在不可變區(qū)域，此部分的布置和設(shè)計(jì)對平臺內(nèi)所有車型是一致的，也是平臺設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。由于一個平臺會涉及平臺內(nèi)所有車型的沿用，其優(yōu)點(diǎn)可以繼承，其缺點(diǎn)亦會并存，因此不可變區(qū)域的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

圖 3 平臺架構(gòu)可變區(qū)域范圍

在前期開發(fā)階段首先要明確平臺內(nèi)的軸距、整車質(zhì)量和具體車型動力總成等輸入，然后根據(jù)各項(xiàng)參數(shù)綜合考慮質(zhì)量、高度和軸距，設(shè)計(jì)能夠承載產(chǎn)品定義帶寬內(nèi)的各車型的整車平臺安全架構(gòu)。對于整個平臺而言，要求在允許的情況下各車型零部件盡量通用，但也不乏一些特殊車型的某些特殊要求，考慮車型局部差異化。

圖3中的前懸可變區(qū)域與輪心到前擋板的不可變區(qū)域是平臺安全碰撞設(shè)計(jì)的關(guān)鍵區(qū)域。首先，合理利用前懸可變形空間的壓潰，最大程度吸收碰撞能量；然后，合理設(shè)計(jì)不可變區(qū)域的空間布置，減緩載荷對乘員艙的沖擊；最后，設(shè)計(jì)穩(wěn)固的乘員艙結(jié)構(gòu)，保護(hù)乘員生存空間，從而在碰撞時控制對乘員的傷害。

2.3 平臺開發(fā)中安全策略的實(shí)施方案

在整個平臺開發(fā)過程中，安全策略具體實(shí)施方案的制定要因地制宜。因平臺架構(gòu)開發(fā)中主要涉及前碰的關(guān)鍵部件，故以前碰為例進(jìn)行具體介紹。

前碰安全開發(fā)的主要影響因素有整車高度、質(zhì)量，前艙的碰撞空間以及乘員艙的結(jié)構(gòu)完整性等，重點(diǎn)考慮主要傳力路徑的搭建和具體關(guān)鍵件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。針對前碰分析模塊，提取關(guān)鍵維度，根據(jù)質(zhì)量要求對分析維度提出具體的屬性要求。因此，需要大量的概念分析研究，才能制定能夠滿足目標(biāo)的具體設(shè)計(jì)方案。前碰關(guān)鍵因素示意見圖4。

(1) 前部碰撞空間。前部碰撞空間是前碰的主要吸能區(qū)域，碰撞產(chǎn)生的能量主要通過這部分空間的變形來吸收，從而降低對乘員艙的破壞和對乘員的傷害。保證合理的碰撞空間是前碰的必要條件。

圖 4 前碰關(guān)鍵因素示意

(2) 整車高度差異。一個平臺需要考慮不同車型的規(guī)劃，例如轎車、SUV、HB和MPV等。平臺內(nèi)車型之間的整車高度有差異，在前部偏置碰中會出現(xiàn)縱梁與壁障的重合率不同，由此帶來整車載荷分布的差異。對于同一個車身，必須兼顧不同狀態(tài)下的傳力穩(wěn)定性，例如可以將前保總成的吸能盒設(shè)計(jì)成單側(cè)傾斜，在組裝時不同車型的前保總成正裝或反裝以適應(yīng)整車高度差異。

(3) 傳力路徑。平臺內(nèi)主要的縱向框架路徑均屬于前碰力的傳遞路徑。前艙最主要的傳力吸能框架是2根縱梁；上縱梁作為輔助路徑也起到傳力作用，往乘員艙方向延伸；地板縱梁、門檻和中通道均屬于關(guān)鍵的傳力路徑。必須確保這些主要平臺框架結(jié)構(gòu)能夠順暢地傳力和合理地變形，所以要求其框架應(yīng)具有必要的完整性和延續(xù)性。

除此之外，前碰關(guān)鍵件和乘員艙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也非常重要。按照前述設(shè)計(jì)要求對其初步框架進(jìn)行搭建，具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化借助CAE仿真手段，權(quán)衡其在平臺內(nèi)不同車型中的綜合表現(xiàn)。

3 平臺化開發(fā)CAE仿真設(shè)計(jì)思路3.1 前碰框架的設(shè)計(jì)

前碰主要涉及2個工況，即100%剛性墻碰撞和40%重疊壁障偏置碰撞。根據(jù)不同法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)，有的可能考察其中之一(如GB、Euro NCAP)，有的2個工況都需要考察(如C-NCAP)。在車型開發(fā)階段，兩者都需要考慮。在汽車前部碰撞過程中，車內(nèi)乘員的損傷主要來自于幾個方面的作用和相互作用，包括巨大的車身減速度對乘員造成的沖擊、車身乘員艙結(jié)構(gòu)變形對乘員生存空間的侵占、乘員在車內(nèi)發(fā)生二次碰撞等。

前碰框架的設(shè)計(jì)既要考慮在100%正碰中前艙空間能夠穩(wěn)定壓潰，又要保證在40%偏置碰撞中壁障先于整車變形，吸收更多碰撞能量。車輛前碰設(shè)計(jì)階段應(yīng)盡可能利用前艙的有效可變形碰撞空間，最大程度地吸收碰撞能量，使碰撞造成的乘員艙變形盡量小。碰撞安全的基本原理即能量守恒原理，見圖5。

圖 5 整車碰撞原理

除碰撞能量吸收外，前碰的重要設(shè)計(jì)準(zhǔn)則還包括載荷傳遞結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。完整的框架設(shè)計(jì)使碰撞產(chǎn)生的力能夠順暢傳遞，并合理地分布，見圖6。牢籠式“O”型結(jié)構(gòu)見圖7，該設(shè)計(jì)可使乘員艙結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，保證足夠的生存空間。

圖 6 載荷傳遞路徑

圖 7 牢籠式“O”型結(jié)構(gòu)

3.2 前碰CAE虛擬仿真設(shè)計(jì)和驗(yàn)證

CAE虛擬仿真是項(xiàng)目概念設(shè)計(jì)的有效手段。概念設(shè)計(jì)階段首先設(shè)計(jì)關(guān)鍵零部件和子系統(tǒng)，零部件的截面大小、形狀和力學(xué)特征均需在CAE虛擬仿真中進(jìn)行研究,在零部件子系統(tǒng)分析中得到較為理想的結(jié)構(gòu)后進(jìn)行系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證。經(jīng)驗(yàn)證可穩(wěn)定變形的零部件才能搭載到完整的平臺框架中，進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)的匹配與調(diào)整。綜合考慮平臺的容量，定義模型整備質(zhì)量為平臺最大質(zhì)量，動力總成以規(guī)劃主銷為主要分析對象，同時考慮不同高度車型的碰撞表現(xiàn)。綜合不同高度車型的表現(xiàn)對前碰的2個工況進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，這也是平臺碰撞安全開發(fā)的難點(diǎn)，需要大量循環(huán)往復(fù)的分析計(jì)算尋找方案。綜合平臺內(nèi)不同高度車型的碰撞變形形式，其中高度差異對前部偏置碰的影響尤為明顯，涉及整車傳力路徑、壁障不同碰撞塊的接觸和力的傳遞問題。最終得到一個魯棒性較好的結(jié)構(gòu)，其在不同高度下偏置碰的車身結(jié)構(gòu)變形基本保持一致,從而保證平臺內(nèi)車型碰撞結(jié)果的一致性。

仿真設(shè)計(jì)方案在碰撞中的實(shí)際表現(xiàn)需要通過試驗(yàn)驗(yàn)收和評價。平臺整體架構(gòu)設(shè)計(jì)方案仿真分析完成后進(jìn)行Mule Car試驗(yàn)，驗(yàn)證前期設(shè)計(jì)的有效性，確保平臺架構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)入實(shí)際工程設(shè)計(jì)階段之前安全性能達(dá)標(biāo)，為后期工程設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。平臺安全性開發(fā)流程見圖8。

圖 8 平臺安全性開發(fā)流程

3.3 SUV和轎車前部偏置碰表現(xiàn)對比

通過上述仿真優(yōu)化，最終不僅需要得到滿足目標(biāo)值要求的結(jié)果，更希望得到在碰撞過程中可以同時承載不同車型差異的平臺架構(gòu)。這就要求在考慮不同車型高度差異時平臺框架保持相同的變形模式，反應(yīng)到最終表現(xiàn)形式上即同平臺內(nèi)不同車型車身加速度波形趨勢和峰值保持在可接受范圍內(nèi)，乘員艙侵入量基本保持一致。以前部偏置碰工況為例展示該平臺框架SUV和轎車車型的表現(xiàn)，其車身加速度波形對比和乘員艙侵入量對比分別見圖9和10。

圖 9 SUV和轎車左側(cè)B柱根部加速度波形對比

圖 10 SUV和轎車乘員艙侵入量對比

不同車型高度的差異對偏置碰中加速度波形和前擋板乘員腳部區(qū)域位移影響較小，通過兼容式設(shè)計(jì)可基本保持SUV和轎車碰撞結(jié)果一致。

4 結(jié)束語

介紹汽車平臺化開發(fā)的范圍和意義，闡述平臺化開發(fā)策略和具體的實(shí)施方案，從仿真角度對汽車碰撞平臺化開發(fā)流程進(jìn)行分析，提出汽車碰撞安全性能平臺化開發(fā)的思路和方法，由此可大大縮短車型研發(fā)周期，快速響應(yīng)市場需求。對于未來的市場導(dǎo)向，還應(yīng)該在平臺開發(fā)中將新能源車型進(jìn)行同步規(guī)劃，以適應(yīng)市場對新能源車的需求，并結(jié)合新材料、新工藝的發(fā)展，考慮車身結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)。

來源：《計(jì)算機(jī)輔助工程》

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的汽车安全及计算机辅助工程,汽车平台架构开发过程中安全性能的设计和仿真的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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