定制熱成形車門防撞梁防側(cè)撞性能的有限元模擬

陳 鷹，張英建，王忠林，董 瀚，惠衛(wèi)軍

（1.鋼鐵研究總院 先進鋼鐵材料技術(shù)國家工程研究中心，北京100081；2.中國電子科技集團公司第十二研究所，北京100094）

0 引 言

為提高轎車在受外力碰撞過程中的安全性，需提高轎車結(jié)構(gòu)的整體剛度、強度以及改善碰撞吸能效果，因此對轎車車門側(cè)面防撞梁材料的服役性能提出了如下特殊要求：受直接碰撞且對人身安全威脅較大部位要求具有較高的抗彎強度以增強碰撞中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；非直接碰撞部位則要求具有較高的伸長率，以保證防撞梁在碰撞變形過程中增加吸能效果且不發(fā)生斷裂，從而使轎車的動能隨吸能結(jié)構(gòu)的漸進壓潰而被均勻耗散，并使瞬時沖擊載荷強度降低到確保乘員安全的水平［1-3］。

目前絕大多數(shù)轎車上裝配的超高強度車門防撞梁的抗拉強度為1 200～1 700 MPa。作者課題組在薄板熱成形馬氏體鋼中試線上開發(fā)出了抗拉強度達到2 200 MPa的熱成形車門防撞梁［4］，雖然其強度很高，但因其高強、低韌的特性會導(dǎo)致其在撞擊時較早地發(fā)生斷裂失效，綜合性能并非最好。汽車減重可以有效降低能耗，減少環(huán)境污染，但同時也會帶來降低碰撞安全性的隱患。針對轎車減重和碰撞安全性這對矛盾體對防撞梁材料性能的要求，基于“定制”（Tailored）力學(xué)性能［5］和“定制”回火［6］技術(shù)基礎(chǔ)，作者課題組提出了定制熱成形的技術(shù)思路，即將經(jīng)熱成形后等厚度和等強度級別的原材料鋼板通過在不同部位進行不同的冷卻得到各部位材料力學(xué)性能呈梯度分布的“定制”熱成形防撞梁，以實現(xiàn)提高碰撞吸能效果和有效減小防撞梁質(zhì)量的目標。

按照上述“定制”熱成形防撞梁的技術(shù)思路，作者以強度級別為2 200 MPa的熱成形馬氏體鋼（牌號為A2200鋼）和TRIP600鋼的性能為基礎(chǔ)，制備出了“定制”熱成形防撞梁（記為 A2200 ＋TRIP600），并運用LS-DYNA 有限元模擬軟件對材料性能均一的防撞梁和材料性能呈梯度分布的“定制”熱成形防撞梁進行靜態(tài)壓入試驗的有限元模擬，為驗證模擬結(jié)果的準確性，同時進行了性能均一防撞梁的靜態(tài)壓入試驗；從模擬結(jié)果的壓入量、接觸面反作用力、吸能能力和安全性能四個方面［7］評價了不同防撞梁的靜態(tài)側(cè)面抗撞性能和安全性能，這對進一步發(fā)展“定制”熱成形技術(shù)具有十分重要的研究意義和實用價值。

1 材料的相關(guān)性能

進行防撞梁靜態(tài)壓入試驗以及有限元模擬所涉及的材料有熱成形馬氏體鋼A1700（強度級別為1 700 MPa）、A2200鋼（強度級別為2 200 MPa）和TRIP600鋼。為減少運算量并提高模擬的精確度，作者參照GB 15743-1995 轎車側(cè)門強度試驗標準，采用簡化模型僅對圓柱壓頭在10mm·s-1速度下擠壓防撞梁的情況進行了模擬，因此防撞梁材料有限元模型的建立采用了低應(yīng)變速率下的室溫拉伸試驗數(shù)據(jù)。不同材料的工程應(yīng)力-工程應(yīng)變曲線如圖1所示。

2 有限元模型的建立

圖1 不同試驗鋼的工程應(yīng)力-工程應(yīng)變曲線Fig.1 Engineering stress-engineering strain curves for different material

評價車門的靜態(tài)側(cè)面抗撞性能，除選用低應(yīng)變速率下的材料參數(shù)外，還可按照轎車側(cè)門強度試驗標準GB 15743-1995 建立有限元模型與邊界條件。根據(jù)材料性能均一防撞梁的靜態(tài)壓入試驗，最大限度地實現(xiàn)模擬與試驗結(jié)果的一致，獲得建立模擬過程前處理、運算和后處理的最佳模型。參照GB 15743-1995的相關(guān)技術(shù)參數(shù)，圓柱壓頭和支撐梁設(shè)為剛體，圓柱壓頭直徑為305mm，壓下位置為防撞梁的中間；考慮到防撞梁（落料板坯的長和寬分別為1 260，196mm）在擠壓過程中會出現(xiàn)大變形并最終彎斷，所以采用LS-DYNA 有限元軟件中的分段線性塑性材料模型（MATL24）。防撞梁與支撐梁、壓頭與防撞梁之間可以自由移動（滑動），摩擦因數(shù)為0.2；壓頭以固定速度10 mm·s-1擠壓防撞梁，擠壓距離為300mm。材料參數(shù)如表1所示。

表1 不同材料的相關(guān)參數(shù)Tab.1 Parameters of different materials

在天津國家轎車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心車門強度實驗室進行了A1700熱成形車門防撞梁靜態(tài)壓入試驗，通過力-位移測試儀測得了碰撞過程中的力-位移曲線，加載條件同上。A1700熱成形車門防撞梁靜態(tài)壓入的有限元模型見圖2，其中網(wǎng)格單元采用殼單元，除防撞梁外的其它對象按剛體處理。由圖3可見，防撞梁在不同壓入量時的應(yīng)力云圖基本合理。由圖4 可見，模擬得到的平均反作用力為3.1kN，試驗得到的反作用力平均值為3.4kN，兩者誤差在10%以內(nèi)，模擬與試驗結(jié)果基本一致，證明了有限元模擬的準確性。

圖2 A1700鋼熱成形車門防撞梁靜態(tài)壓入的有限元模型Fig.2 Finite element model of static strength trial of hot formed side door beam of A1700steel

3 模擬結(jié)果與討論

對于定制熱成形防撞梁靜態(tài)壓入試驗則采用了接近于真實防撞梁在車門上兩端固定的方式，以便更合理地模擬防撞梁的失效過程。防撞梁上各部位材料性能的梯度分布根據(jù)防撞梁、車門和乘員位置關(guān)系進行優(yōu)化設(shè)計，如圖5所示?！岸ㄖ啤睙岢尚畏雷?梁分為A、B、C、D、E五段，其中C段為圓柱壓頭與防撞梁接觸的部位，也是對乘員最有可能造成傷害的部位。防撞梁不同段材料的性能呈如下分布：A 段 為TRIP600；B、C 段 為A2200 ；D、E 段 為TRIP600。

圖3 A1700防撞梁在不同壓入量時的應(yīng)力云圖Fig.3 Stress nephogram of A1700 beam at different indentation amounts

圖4 A1700防撞梁壓入量和反作用力的關(guān)系曲線Fig.4 Reactive force vs indentation amount for A1700beam

在車門受到撞擊時，防撞梁可抵抗正面的沖擊載荷，盡量減小內(nèi)門板的壓下速度和距離，及拉動門的兩面協(xié)調(diào)整個車門均勻向內(nèi)壓下以減小最大壓下速度，并將沖擊力迅速分散到側(cè)圍以降低正面沖擊力，這就要求防撞梁在這一過程中不能斷裂失效。另外，防撞梁的折斷很可能會對車內(nèi)人員造成二次傷害，所以保證防撞梁不斷裂是很重要的。因此模擬中的失效判定即為指防撞梁在受壓過程中發(fā)生斷裂。

3.1 壓入量

圖5 定制熱成形防撞梁靜壓模擬型及防撞梁各部位材料性能分布設(shè)計Fig.5 Simulation model for static strength trial of tailored hot formed side door beam and mechanical prperty distribution design for materials of parts

防撞梁的主要作用是保護車內(nèi)乘員安全，而側(cè)碰中的安全評價標準基本都與內(nèi)門板的壓下速度有關(guān)［8］。通過考察防撞梁受碰撞時對人身安全威脅較大部位即2668、2746兩點的侵入量（圖6～7）以及失效前的最大侵入量（圖8），可以比較定制防撞梁與均一性能材料防撞梁在擠壓過程中的壓下距離和失效情況。在防撞梁斷裂失效前的瞬間，材料性能均一的A1700防撞梁的壓入量最小，約為53 mm，但最先斷裂失效；TRIP600 防撞梁壓入量最大，約為127mm，但最后失效；定制熱成形防撞梁的壓下距離為107 mm，較A1700防撞梁的增加98%，較TRIP600 減少約16%，失效時間介于A1700 與TRIP600防撞梁之間。

圖6 防撞梁受碰撞時對人身安全威脅較大的兩個接觸點Fig.6 Two contact points threstening the body safety when the beam suffer impact

圖7 不同材料防撞梁受碰撞時對人身安全威脅較大部位接觸點的侵入量與壓入量的關(guān)系Fig.7 Invasive distance vs indentation amount for two contact points threatening the body safety when different materials beam suffer imoact：（a）contact point 2668 and（b）contact point 2746

圖8 不同材料防撞梁失效前瞬間的最大侵入量Fig.8 Max invasive distances for deferent materials beam before failure

3.2 接觸面反作用力

在沖擊載荷和大變形量下，防撞梁的抗彎強度與其抗彎剛度有一定關(guān)系。根據(jù)FMvss214法規(guī)的規(guī)定，在車門變形階段內(nèi)，車門初始的平均反作用力不能低于10.26kN，整個撞擊期間其平均反作用力不能低于54kN。當防撞梁的剛度提高時，車門整體剛度也會提高，在撞擊過程中產(chǎn)生的反作用力也就越高，對人的保護作用也就越好，所以接觸面的反作用力可以作為評價防撞梁性能的另外一個重要標準。圖9中Fmax為最大反作用力，s為侵入量?？梢?，A1700防撞梁失效前瞬間的最大反作用力為35kN；TRIP600的最大反作用力為55kN，定制防撞梁的最大反作用力為50kN，較A1700的增加了51%，較TRIP600的降低約了9%。

圖9 不同材料防撞梁的反作用力Fig.9 Counterforce of different material beams

3.3 吸能能力

防撞梁在受剛性柱撞擊的情況下吸收的總能量E 由下式計算。

式中：F（s）為撞擊力；δ為變形位移；s為侵入量。

顯然，防撞梁作為一個吸能構(gòu)件，在相同撞擊情況下吸收的能量越多，對車內(nèi)乘員的傷害也就越小，安全性能也就越好。所以防撞梁的吸能能力也作為其性能評價的一個參考。由圖10可知，防撞梁失效前，A1700 防撞梁的最大吸收內(nèi)能為500 kJ，TRIP600防撞梁的最大吸收內(nèi)能為3 000kJ，定制防撞梁的則介于二者之間，約為2 300kJ，其較A1700 的增加360%，較TRIP600 的降低了約23%。

圖10 不同材料防撞梁的吸收內(nèi)能Fig.10 Energy absorption of different materials beam

3.4 安全性能

防撞梁的安全性能體現(xiàn)在側(cè)門在撞擊過程中不能斷裂失效。對于高伸長率的低強度鋼板而言，這種彎曲顯然不會導(dǎo)致斷裂發(fā)生，但是對于高強度鋼板而言，在應(yīng)力集中部位就容易發(fā)生脆性斷裂。比較A1700、TRIP600與TRIP600＋A2200防撞梁在圓柱頭壓入過程中的變形情況可知，A1700熱成形防撞梁的變形量最小，但最先斷裂失效；TRIP600雖具有良好的韌性，且斷裂失效較滯后，但其變形量和壓入量最大。兩者均不能較好地兼顧抗撞性和安全性，只有TRIP600＋A2200防撞梁的綜合性能最好，能較好地兼顧抗撞性和安全性。

4 結(jié) 論

（1）性能均一的A1700鋼在靜態(tài)壓入時的壓入量-反作用力曲線的有限元結(jié)果與試驗結(jié)果符合較好，驗證了有限元模擬的準確性。

（2）性能均一的A1700防撞梁由于其高強度、低伸長率的特點，在靜壓過程中，雖其壓入量較小，但其與壓頭接觸面的反作用力、吸收內(nèi)能均較低，所以防撞梁失效也最早，安全性較差。

（3）性能均一的TRIP600防撞梁由于其低強度、高伸長率的特征，在靜壓過程中，斷裂失效較遲，安全性較好，且吸收內(nèi)能和壓頭接觸面反作用力也較高，但由于其變形量和壓入量較大，對人體的傷害也較大。

（4）采用TRIP600＋A2200 定制熱成形防撞梁，可合理分布防撞梁各部位的強度，使防撞梁在受壓過程中可以較好地實現(xiàn)壓入量、壓頭接觸面反作用力、吸收內(nèi)能和安全性等綜合性能的平衡，兼具較好的靜態(tài)側(cè)面防撞性和安全性能。

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