燃料电池轿车碰撞安全性仿真研究.docx
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燃料电池轿车碰撞安全性仿真研究
万方数据
・1014・汽车工程2008年（第30卷第11期
了燃料电池轿车控制系统的大部分零部件,其中包括质量和体积最大的PCU以及水泵和空气过滤器等;下支架分前后两部分,固定在副车架上,其上安装了燃料电池轿车的主减速器及传动电机等大质量驱动模块;在两组支架之间连接了空气压缩机,如图2所示。
的支架上的两条钢带固定住,钢带通过铆接与支架相连。
在上方的氢瓶前端布置有穿过钢带的氢瓶限位杆。
1.4有限元建模
燃料电池轿车整车有限元模型可在其原型轿车有限元模型的基础上,严格参照实车的改装形式以及新部件实际的材料和固接方式,将新的动力系统模型以及改型后的新结构件划分网格,加入到原型轿车模型中。
燃料电池轿车基于原型轿车的有限元模型,采用同样的建模标准进行建模工作,该有限元模型具有较高的可信度。
图1原发动机舱图2发动机舱
2燃料电池轿车碰撞安全性对比分析内添加支架内部件组
鉴于该燃料电池轿车上述主要改动区域,并根1・2地板下方区域据参考文献[2]中的建议试验,利用LS.DYNAL33确
该车的动力模块（包
定采用正面全宽碰撞、侧面碰撞和后面碰撞3种虚括蓄电池、燃料电池及氢拟试验工况。
泵等布置在车身的地板2.1正面全宽碰撞
下方,布置形式如图3所2.1.1车身加速度波形
不。
一…….、.……图6为车身加速度波形对比图。
从图6可知,
为了满足布置空间的图3地板下方电池模块该燃料电五崭军品主;矗荔波形藉征萌显相对于赢
要求,改型时将原型车的
型轿车更高更窄。
燃料电池轿车加速度波形的峰地板部分抬高了大约70mm,座椅下方横梁以及中央值,即双梯形波第2阶段G:
峰值约为41.59,要比原
通道也进行了改动,如图4所示。
型轿车的第2阶段G2峰值（约为329更高。
该峰
值越高,一般会对乘员头部及胸部造成更为严重的
伤害。
碰撞时间越长,即波形平缓时间历程越长,对
乘员的保护越有利‘4。
从图6可知,燃料电池轿车碰
撞时间也要明显短于原型轿车。
图4地板上抬及部分结构改型
电池模块与前舱内电机以及后方氢瓶通过数量众多的线束与管路相连,构成驱动燃料电池轿车的完整的动力体系。
1.3后备舱区域
将原有的备胎槽设计
改为氢瓶隔板,并且以该
隔板为界,分别在其上下
各布置一个氢瓶及氢瓶支
架。
氢瓶则由如图5所示图5后备舱氢瓶模块
50
40
尊30
簧20
景10
O
.10
图6全宽正面碰撞加速度波形对比
2.1.2吸能效率
两车前纵梁碰撞变形模式如图7所示。
原型轿车碰撞的前40ms阶段,前纵梁主要以吸能效率较高的压溃变形为主;而对于燃料电池轿车,20ms时纵梁中段发生明显的弯曲变形,导致前端完
全压溃之前,整个薄壁梁结构就发生失稳,吸能效率 万方数据
2008（V01.30No.11潘瑶,等:
燃料电池轿车碰撞安全性仿真研究・1015・
图7前纵梁变形模式对比
下降。
从如图8所示数据上同样可以得到说明。
200
160呈120霎80
加
O
一燃料电池轿车
…..原型轿车
≤祷ii:
=豢銎亲辈鬈翥嚣动能0
图8前纵梁吸能效率对比
燃料电池轿车由于质量增加,初始总动能比原型轿车高出约36MJ,但是由于前纵梁变形模式不理想,能量吸收相比原型车下降了约7.1%,占总能量的比例也由36.1%下降到
26.5%,这对于后方乘员
空间的保护非常不利,势
必造成更大的乘员空间
侵入。
布置在后舱的氢瓶模
块在正面碰撞中,由于较图9氢瓶向后排乘员
大的惯性,对于后排乘员空间侵入过大
空间侵入过大,限位杆没
有起到很好的保护作用,如图9所示。
2.2侧面碰撞
车门对应人体胸、腹及骨盆区域的侵入速度和对人体的伤害程度有很大的关系”J。
经过计算,考察两车车门内饰件对应乘员肋骨、腹部以及骨盆区域的侵入速度以及侵入量可知:
在乘员空间侵入量方面,燃料电池轿车相比原型轿车要稍小一些;在侵入速度方面,对于胸部及腹部区域,两车的情况基本保持一个水平。
但是对于骨盆区域在侵入速度曲线的“第二峰”阶段,燃料电池轿车侵入速度明显上升,如图10所示,这对乘员骨盆区域的保护很不利,而且容易对胸、腹及T12（第12节脊椎造成额外附加伤害。
图10两车骨盆区域侵入速度比较
2.3后面碰撞
从车后门锁扣一点到B柱中部的距离S也常作为后排乘员空间变形量的一个评价指标。
考察两车变形量Js,可见燃料电池轿车基本未发生变形,好于原型轿车,如图11所示。
量
乓
删
龄
制
图11变形量S随时间的变化曲线
测量后排座椅R点（设计参考点在地板上的投影点相对于地板不变形区域上的一点的距离,来衡量后排座椅的位移情况,如图12所示。
从图12可知,燃料电池轿车后排座椅的位移情况同样要好于原型轿车。
量
g
删
漤
锹
图12后排R点地板投影点相对不变形区域距离变化
对于氢瓶在后面碰撞中受冲击的情况,可以通过氢瓶合成加速度曲线以及接触力的输出来考察,如图13和图14所示。
从图13和图14可知,氢瓶在后面碰撞中加速度峰值将达到lOOg左右,接触力等级接近35kN。
目前,该燃料电池轿车使用的复合材料制成的氢瓶,在受到冲击时,要求最大承受的撞击力不能超过
40kN,一旦超过40kN,氢瓶将有破裂的危险。
后备 万方数据
・1016・汽车工程2008年（第30卷第11期
鑫羹10080604020
0.20—40
3530
堇磊
耋1・;
O
.5
图13氢瓶模块加速度瞳线
图14氢瓶模块接触力曲线
舱改装结构对于氢瓶的防护,处于安全的临界线上,但存在一定的风险性。
3仿真碰撞试验分析以及改进建议3.1正面碰撞
对于正面碰撞中,燃料电池轿车前纵梁吸能效率低及波形特征不理想主要是由于发动机舱内部布置形式不合理,以及部分零部件体积过大所造成的。
发动机舱的布置原则应尽量做到沿y方向布局,以保证足够的“碰撞空间”。
重新布置发动机舱内电控模块,将原控制主板改为多层刀片式布置,从而将较大的PCU外壳沿x方向缩短,使其尽量接近原发动机的尺寸,如图15所示。
图15发动机舱重新布置
同时,将原前纵梁前段添加一组引导棱角,中段添加一加强板。
同时将支架原先采用的强度过高的材料弱化。
由计算结果可知,改进后的燃料电池轿车正面碰撞加速度波形是向理想波形的趋势变化,整体碰撞时间明显延长,加速度峰值也有所下降,已接近原型轿车的等级,如图16所示。
图16改进后正面碰撞车身加速度波形
对于后排乘员空间的
保护,对氢瓶模块采用双
限位杆,并且增加两条连
接于隔板上的钢带以限制
氢瓶过度前移,如图17所
不。
图17加强氢瓶模
3.2侧面碰撞块的固定
由于地板下方布置了
较大的蓄电池,燃料电池模块横跨整个下车体,相当于在车身底部布置了横向支撑结构,将碰撞力更好地向未受撞一侧传递;而且由于燃料电池轿车质量更大,根据动量守恒定理可以得出其在碰撞阶段中与壁障的共同运动速度较小（即相对乘员侵入速度较低,因而侧面碰撞安全性有所提高。
骨盆区域侵入速度急剧上升的原因主要是由于地板提高,座椅下方3号梁作出结构改型后,在碰撞40—50ms阶段,该横梁发生严重弯曲。
通过对该横梁做出结构修改并在与门槛梁连接一端增加补丁板,以及在B柱下端加入一块B柱下加强板,考察计算结果可知,车门对应骨盆区域侵入速度有明显下降,也可以达到与原型轿车同样的水平,如图18所示。
乙
星
魁
翅
图18改进后骨盆区域侵入速度曲线
3.3后面碰撞
由于燃料电池轿车在乘员保护方面表现得到提
单避艘曩 万方数据
2008（V01.30No.11潘瑶,等:
燃料电池轿车碰撞安全性仿真研究・1017・
高,则改进重点集中在氢
瓶模块的保护上。
图19
为燃料电池轿车原结构后
面碰撞时后纵梁变形图。
从图19可知,原结构
后纵梁碰撞时,在氢瓶区
域对应的纵梁中段发生较图19燃料电池轿车原大的弯曲。
参考传统汽车结构后面碰撞时的后面碰撞油箱保护的设的后纵梁变形
计理念,尾部理想的变形
模式应保证后纵梁前端及尾端尽量产生较大的变形以吸收碰撞能量,而对氢瓶所在区域纵梁结构要保证足够的刚度,不希望产生较大的弯曲变形,以尽量避免与周围部件的二次撞击。
为此,在后纵梁尾端设计一组后部碰撞吸能盒,再将尾段添加丽组压溃引导槽,并将原始的后纵梁油漆孔的位置后移,弱化该区域以诱导尾端的压溃,并在原后纵梁中部加入一加强板提高该段的刚度,同时将原后横梁材料强度提高,如图20所示。
图21为改进后的氢瓶接触力曲线。
图20尾部结构改进
从图2l可知,后纵梁改进后塑性变形集中在前端与尾端,中部氢瓶区域变形得到控制,氢瓶接触力明显下降,后面碰撞中氢瓶模块的安全性得到改善。
童
农
曩
鲻
5结论
图2l改进后氢瓶接触力曲线
通过上述分析可知,目前燃料电池轿车较多采用“前舱、地板、后舱”的改装方式,对于正面碰撞和侧面碰撞,经过合理的布置与部件设计可以达到传统轿车的碰撞安全性水平,量产之后完全可以采用现行的正、侧面碰撞法规来作为燃料电池轿车的安全标准;而对于布置在后舱的氢瓶模块,由于其危险性较高,需要对原型轿车的尾部结构加以改进从而提高其安全性,建议制定针对性更强的碰撞安全性法规,确保燃料电池轿车乘员的安全。
参考文献
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化学工业出版
社,2005.
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清华大学出版
社,2000.
[5]朱西产.汽车碰撞试验法规的现状与发展趋势[J].汽车技术,
2001（10. 万方数据
燃料电池轿车碰撞安全性仿真研究作者：
作者单位：
刊名：
英文刊名：
年，卷（期：
被引用次数：
潘璠，朱西产，王大志，苏醒，PanFan，ZhuXichan，WangDazhi，SuXing潘璠,朱西产,PanFan,ZhuXichan（同济大学汽车安全研究所,上海,201804，王大志,苏醒,WangDazhi,SuXing（上海汽车集团股份有限公司技术中心,上海,201804汽车工程AUTOMOTIVEENGINEERING2008，30（113次参考文献（5条1.葛如海.刘志强汽车安全工程20052.ReconanendedPracticeforElectricandHybridElectricVehicleBatterySystemsCrashIntegrityTesting.[SAEJ1766-1998.]3.LS-DYNAKEYWORDUSER'SMANUAL.Version97020034.黄世霖.张金换汽车碰撞与安全20005.朱西产汽车碰撞试验法规的现状与发展趋势[期刊论文]-汽车技术2001（10相似文献（10条1.学位论文张君毅燃料电池轿车侧面碰撞安全性分析2005本课题主要通过非线性结构有限元方法，研究燃料电池轿车按欧洲安全法规ECER95规定下进行侧碰试验时车身结构变形、乘员的运动响应及伤害情况。
首先，在现有的得到验证的内燃机原型车的整车正面碰撞模拟模型的基础上，将模型修改成燃料电池轿车的基本设计配置，并完成燃料电池轿车侧面碰撞模拟参数的定义。
运用对比分析的方法，通过与原型车计算结果数据对比，研究燃料电池轿车的侧面碰撞安全性是否能够满足安全性法规要求。
最后，通过研究，分析燃料电池轿车整体车身结构，以及相应的加强措施，从而达到降低碰撞冲击，使乘员的伤害指数满足法规要求。
2.学位论文王宏雁燃料电池轿车碰撞安全性分析2003燃料电池汽车作为新世纪最有前途的产品，已经成为全球性共识。
我国战略性地将燃料电池汽车的研发列入863项目，是希望在新能源汽车领域与世界位于同一起跑线上，高起点振兴民族汽车工业。
进行燃料电池轿车碰撞安全性研究的目的，就是要将安全性概念贯穿于整个轿车的开发过程，在研制初期，就能够对整车安全性能进行预测，以此指导整车总布置及结构的设计；并通过这项研究掌握采用动力学方法和有限元方法进行碰撞仿真计算的技术，积累设计经验。
在本课题的研究过程中，博采众长，坚持创新，在综合分析总结前人研究经验的基础上，将实车碰撞试验研究与仿真计算分析方法结合起来，统一车身耐撞性有限元计算分析与乘员在约束系统作用下的运动响应的多体动力学分析，采用整车虚拟碰撞试验法进行燃料电池轿车的碰撞安全性研究，即建立一个集车辆、人体模型及乘员约束系统三者于一体的完整的车辆模型，以国家安全法规为依据，进行各种碰撞型式的整车虚拟碰撞试验，利用仿真计算结果进行燃料电池轿车的碰撞安全性分析，直接预测乘员的伤情指标。
本课题主要研究内容是借助于RAMSIS和PAM软件，采用动力学方法和有限元方法建立燃料电池轿车的正面碰撞、侧面碰撞、追尾碰撞，以及在正面碰撞下乘员运动响应的虚拟碰撞试验模型，进行仿真计算，来研究类框架式车身结构、安全带的型式、座椅的结构与位置、吸能式转向系统的结构、人体生理结构及驾乘姿势之间的关系；分析燃料电池轿车在正面、侧面和追尾等各种碰撞型式下，类框架式车身结构的变形、乘员的安全性、动力系统零部件的布置安全性和高压电器及氢系统的安全性；探讨在正面碰撞过程中，乘员的运动响应和约束系统的作用。
其中的关键技术在于座椅、安全带、转向系统和人体的运动学和动力学模拟计算，并且计算结果与试验结果的对比精度误差应在20％以下。
在研究过程中主要进行了如下工作：
分析国内外有关汽车被动安全性研究的技术状况和发展趋势，从中总结研究重点和方法；综合分析影响汽车被动安全性的因素，确定研究的主要着手方面；研究、掌握汽车碰撞模拟分析的有限元方法的基本理论，探讨提高模拟精度的方法；分析、研究燃料电池轿车碰撞安全性的特点、内容和方法；建立基于母型车开发燃料电池轿车的各种碰撞型式下的整车虚拟碰撞试验计算模型；根据燃料电池轿车在各种碰撞型式下安全性指标的仿真计算结果，与母型车进行对比，分析类框架式车身结构的耐撞性并提出优化设计建议；建立乘员及其约束系统的正面碰撞计算模型，进行人体的运动响应和约束系统功效的分析，并完成燃料电池轿车正面碰撞过程中乘员运动响应模拟参数的研究；根据仿真计算得到的乘员在虚拟碰撞试验中的伤情指数，预测燃料电池轿车的乘员安全性能否满足相关国家安全（通过课题研究，创立了一整套关于虚拟碰撞试验的研究方法，尤其是在（模方法上的创新，使得这套计算方法可靠且有效。
采用创新研究方法进行的（安全性分析得到了可喜的成果，为燃料电池轿车研发初期的车身改进设计提供（考依据，同时也比较全面地掌握了采用有限元方法计算碰撞安全性的模拟技术，积累了许多建模经验。
通过采用虚拟碰撞试验法对燃料电池轿车的安全性分析，并与母型车实车碰撞试验和模拟计算结果的对比，也证明了这种方法的可行性和可靠性。
通过分析可以得出：
与其母型车相比，燃料电池轿车在整车质量增加600kg的情况下，结构耐撞性没有很大的改变，类框架式车身基本上能够满足碰撞安全性要求，但车身结构还需要进一步改善和优化。
3.会议论文潘璠.朱西产某氢能源燃料电池轿车碰撞安全性仿真研究2008本文针对某一基于国产内燃动力轿车改装而成的氢燃料电池轿车,利用非线性有限元求解器LS-DYNA通过对正面、侧面及后撞试验工况的虚拟碰撞仿真计算,分析了该燃料电池轿车相对于其原型车碰撞安全性方面的变化,以及其部分高危零部件在碰撞中的安全性表现,并做出了相应的改进设计.以此总结出改装型燃料电池汽车针对不同的工况下相对其原型车的碰撞安全性变化趋势,为燃料电池轿车碰撞安全性设计以及相关法规的制定提供了重要的参考.4.学位论文周升波超越三号燃料电池轿车正面碰撞安全性分析2007由于在燃料电池轿车的开发初期，仅为动力系统的研究和与原型车的匹配，所装样车不能作实车碰撞试验用，因此本课题利用计算机仿真计算模拟分析的方法，对超越三号燃料电池轿车进行正面碰撞安全性分析。
本文主要运用HYPER-MESH、PAM-GENERIS等软件建立燃料电池轿车的整车有限元模型，运用PAM-SAFE软件建立乘员及约束系统有限元模型，经过模拟计算，分析和评价超越三号在正面碰撞过程中车身结构的耐撞性，以及车辆对乘员的保护作用。
5.期刊论文余卓平.张觉慧.YUZhuoping.ZHANGJuehui燃料电池轿车碰撞安全性的仿真与试验-汽车安全与节能学报2010,01（2碰撞安全性是燃料电池轿车面向产业化研发的关键技术之一.该文针对某自主研制的燃料电池轿车,在分析整车结构特点的基础上,提出了燃料电池轿车碰撞安全性的技术特点;基于有限单元方法,建立了正面碰撞仿真分析模型,并进行正面碰撞仿真分析;用氦气作为氢气的替代气体,进行了整车正面碰撞试验.由此,系统分析了乘员保护、车身变形与储氢安全等碰撞安全性能.仿真和实验结果表明:
该燃料电池轿车的车辆可满足碰撞安全技术要求.6.学位论文华蓓俊燃料电池轿车的正面碰撞安全性分析2004燃料电池汽车是未来汽车的发展趋势，它是实现零排放环保要求和节能战略目标的重要途径，同时对于我国汽车工业来说，这是一次非常难得的历史性机遇，如何抓住机遇，大力发展燃料电池汽车，实现产业化，以促进我国汽车工业实现跨越式发展，具有深刻又重大的实际意义。
本文主要运用UG、HYPER-MESH、PAM-GENERIS、SAFEEDITOR等软件建立燃料电池轿车的整车有限元模型，运用PAM-CRASH分别对不带乘员及约束系统、带乘员及约束系统的燃料电池轿车正面碰撞进行模拟计算，用PAM-VIEW进行后处理分析；通过与原车型对比的方法，分析和评价燃料电池轿车在正面碰撞过程中车身结构的耐撞性、乘员的伤害指标是否满足国家法规，并为燃料电池轿车的车身改进设计提出具有参考价值的建议。
希望通过研究，优化燃料电池轿车整体车身结构，尽量缓和碰撞中的冲击，使乘员的伤害指数满足法规要求，并确保碰撞过程中燃料电池动力系统零部件的完整性。
7.期刊论文邬诚君.王宏雁.WUCheng-jun.WANGHong-yan基于虚拟碰撞试验分析燃料电池轿车车身结构的安全性-安全与环境学报2006,6（1在燃料电池轿车的车身结构配合动力驱动系统的改进而不断改进的过程中,需要从碰撞安全性角度去分析结构方案的优劣.本文采用虚拟正面碰撞试验方法,研究经过改进后的燃料电池轿车的半承载式车身是否满足国家被动安全法规,并通过与第1代燃料电池轿车的整车碰撞模拟结果的对比,分析车身结构改进对正面碰撞安全性的影响,从而为进一步的结构改进提供有价值的建议.8.学位论文瞿亮燃料电池轿车追尾碰撞安全性分析2005汽车的被动安全性是汽车诸多关键性能中特别重要的一个，在汽车开发过程中，设计人员都会对汽车的被动安全性能进行深入的分析研究，不仅达到并超过国家相关安全性法规作为目的，并且要将在事故中对乘员的伤害减小到最低程度。
燃料电池汽车目前看来是对石油燃料汽车最终替代品，它是实现零排放环保要求和节约能源的最佳解决方案，世界各国及各大汽车公司都在不遗余力的对燃料电池汽车进行开发研究，中国汽车工业目前在传统汽车技术方面有不小的差距，我们只有在燃料电池汽车这场汽车革命中迎头赶上，实现跨越式发展，才不致于在未来汽车市场上再次落后。
因此研究燃料电池汽车的被动安全性就具有很重要的意义。
本文就是运用UG，HYPER-MESH，PAM-GENERIS等软件建立燃料电池汽车整车的有限元模型，运用PAM-CRASH对燃料电池汽车追尾碰撞进行模拟计算，用PAM-VIEW进行后处理分析，通过与原车型对比的方法，分析和评价燃料电池轿车在追尾碰撞过程中车身结构的耐撞性指标是否满足国家法规，并为燃料电池轿车的车身改进设计提出具有参考价值的建议，希望通过研究，优化燃料电池轿车整体车身结构，尽量缓和碰撞中的冲击，确保碰撞过程中燃料电池动力系统零部件的完整性。
[关键字]追尾碰撞，安全性，燃料电池汽车，有限元模型9.期刊论文王宏雁.高卫民.邬诚君.WANGHongyan.GAOWeimin.WUChengjun基于虚拟试验的轿车正面碰撞安全性分析-同济大学学报（自然科学版）2006,34（9选取某燃料电池轿车作为虚拟试验对象,通过建立整车有限元模型和虚拟试验场,运用适当的计算方法,模拟了轿车的正面碰撞试验,并对其正面碰撞人体伤情指数进行分析,从被动安全性角度分析了燃料电池轿车的车身结构对正面碰撞安全性的影响.10.学位论文潘玲玲碳纤维复合材料典型车身覆盖件设计开发与试制2006安全、节能和环保是当今汽车工业技术研究的三大主题。
燃料电池电动汽车作为21世纪最有前途的产品，是实现零排放环保要求和节能战略目标的重要途径。
但由于燃料电池、气瓶等动力系统使整车的重量增加，所以轻量化成为迫切需求。
本文主要研究碳纤维增强型复合材料（CFRP在燃料电池轿车车身外覆盖件上应用的可行性。
运用Hypermesh、I-DEAS和Pam-Crash软件完成典型零部件发动机舱盖、行李箱盖和顶盖钢与CFRP的静力学分析，整车正面碰撞安全性比较分析，分析两种不同材料制成的车身覆盖件的力学性能以及对整车安全性的影响。
在相关科研机构的协助下，完成碳纤维增强型三明治结构复合材料（CFRP的零件试制，包括方案设计、原材料选择及试制工艺流程，以探讨CFRP在国内汽车车身覆盖件上应用的可行性和发展前景。
关键词：
车身典型覆盖件，碳纤维增强型复合材料，车身轻量化，碰撞安全性
引证文献（1条1.李向荣.万党水.白鹏.张振鼎燃料电池汽车正面碰撞安全性研究[期刊论文]-汽车工程2010（3本文链接：
授权使用：
苏州工业园区软件与服务外包职业学院（szgyyqrjy，授权号：
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2011年4月19日
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