基于側(cè)碰抗撞性的AA7075 B柱輕量化設(shè)計(jì)*

莊蔚敏胡哲梁莉莉

（1.吉林大學(xué) 汽車仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130025；2.泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 200120）

基于側(cè)碰抗撞性的AA7075 B柱輕量化設(shè)計(jì)*

莊蔚敏1胡哲1梁莉莉2

（1.吉林大學(xué) 汽車仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130025；2.泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 200120）

基于某車型的整體側(cè)面碰撞有限元模型建立了車身側(cè)面碰撞簡(jiǎn)化模型，并驗(yàn)證了二者的一致性。構(gòu)建了AA7075 Johnson-Cook塑性階段材料本構(gòu)模型，將AA7075材料用于B柱內(nèi)板和加強(qiáng)板，并與原模型進(jìn)行了抗撞性對(duì)比分析。改進(jìn)了加強(qiáng)板的結(jié)構(gòu)，建立了近似模型并對(duì)其進(jìn)行了厚度優(yōu)化。結(jié)果表明，AA7075 B柱板件在有效降低侵入速度峰值和最大侵入位移的條件下質(zhì)量減輕了60%，輕量化效果明顯。

主題詞：側(cè)面碰撞B柱AA7075抗撞性輕量化

1　前言

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，消費(fèi)者和相關(guān)法規(guī)對(duì)汽車安全性的要求越來越高。同時(shí)，環(huán)境與能源危機(jī)的影響也對(duì)汽車輕量化提出了進(jìn)一步的要求。如何在滿足汽車安全性能的前提下實(shí)現(xiàn)汽車的輕量化設(shè)計(jì)，是汽車行業(yè)一直重點(diǎn)關(guān)注的問題［1］。

B柱作為汽車側(cè)面碰撞中的主要受力吸能部件，可變形空間小，其侵入速度、侵入量以及侵入形態(tài)是影響乘員損傷的關(guān)鍵因素［2］。龐通等［3］對(duì)B柱等部件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)、材料和厚度方面的優(yōu)化，使其侵入量和侵入速度明顯降低。譚耀武［1］等運(yùn)用了拼焊板式B柱外板來改善B柱變形形態(tài)，利用多目標(biāo)優(yōu)化方法降低了B柱侵入速度和侵入量的同時(shí)使其質(zhì)量減輕了18%。董慶戰(zhàn)［4］等將泡沫鋁材料填充到B柱中替代B柱加強(qiáng)板，使B柱侵入量和侵入速度均顯著降低。

7075鋁合金為目前我國(guó)使用的強(qiáng)度最高的鋁合金之一［5］，多用于航空航天領(lǐng)域，它具有超高的比強(qiáng)度和剛度［6］，可以使B柱免于失穩(wěn)性變形，改善侵入形態(tài)。7075鋁合金溫?zé)釠_壓可成型性研究為其在車身上的應(yīng)用提供了依據(jù)［7］。本文在車身側(cè)面碰撞整車模型的基礎(chǔ)上建立了車身側(cè)面碰撞簡(jiǎn)化模型，將AA7075用于B柱內(nèi)板和加強(qiáng)板件并與原模型進(jìn)行了抗撞性對(duì)比分析，改進(jìn)了B柱加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)并進(jìn)行了輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2　車身側(cè)碰有限元建模與驗(yàn)證

2.1整車模型的建立

建立某車型的整車有限元模型，采用中國(guó)新車評(píng)價(jià)程序（C-NCAP）側(cè)面碰撞相關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行碰撞模擬，車身側(cè)面碰撞整車模型如圖1所示，并以前軸中點(diǎn)為原點(diǎn)，前軸中點(diǎn)指向后軸中點(diǎn)記為X軸正向，沿前軸從碰撞側(cè)指向非碰撞側(cè)記為Y軸正向。可變形移動(dòng)壁障車速度為50 km/h，碰撞角度為90°［8］。本文僅考慮車身在碰撞中的結(jié)構(gòu)變形，并未設(shè)置碰撞假人。分析整個(gè)碰撞過程中的能量變化可知，總能量基本不變，沙漏能最大值僅為2%，滿足模型精度要求［9］。

整個(gè)碰撞過程持續(xù)150 ms，B柱內(nèi)板上對(duì)應(yīng)于頭部處的侵入量變化如圖2所示，其位置如圖3所示。由圖2可知：B柱在碰撞初期侵入量不斷增加；之后移動(dòng)壁障車與整車分離，B柱產(chǎn)生一定的回彈；整個(gè)過程中整車和移動(dòng)壁障車并無二次接觸，B柱侵入量保持不變。碰撞過程中，0～60 ms車身由于慣性作用幾乎沒有移動(dòng)，可視為靜止?fàn)顟B(tài)，該段時(shí)間內(nèi)侵入量和侵入速度達(dá)到最大值，B柱優(yōu)化研究中以0～60 ms的侵入量和侵入速度為基準(zhǔn)。

2.2簡(jiǎn)化模型的建立

從整車上選取碰撞側(cè)所有結(jié)構(gòu)作為側(cè)面碰撞簡(jiǎn)化模型，如圖4所示。在簡(jiǎn)化模型上劃分主要受力部位，如圖5所示。在整車模型的計(jì)算結(jié)果中提取出相應(yīng)受力部位的速度-時(shí)間曲線輸入簡(jiǎn)化模型中作為邊界條件。

2.3模型一致性驗(yàn)證

B柱為側(cè)面碰撞主要吸能部件之一，因此選用B柱上對(duì)應(yīng)于頭部、胸部和盆骨位置的點(diǎn)的位移以及侵入速度作為檢驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵恢滦缘囊罁?jù)［10］，如圖3所示。

整車模型與簡(jiǎn)化模型在3個(gè)位置點(diǎn)處的Y方向位移以及侵入速度對(duì)比分別如圖6、圖7所示。

壁障車與車身發(fā)生側(cè)碰之后繼續(xù)橫向移動(dòng)，Y方向位移持續(xù)增大?？紤]到前60 ms內(nèi)車身可視為靜止，B柱Y向運(yùn)動(dòng)速度可近似看作侵入速度。由圖6和圖7可以看出，整車模型和簡(jiǎn)化模型在B柱上3個(gè)位置點(diǎn)處的位移變化一致性較好，侵入速度基本吻合。故可以采用簡(jiǎn)化模型代替整車模型進(jìn)行優(yōu)化流程中的試驗(yàn)設(shè)計(jì)。

3　B柱結(jié)構(gòu)側(cè)碰分析

3.1材料模型建立

碰撞模型中B柱內(nèi)板及加強(qiáng)板原有材料為寶鋼生產(chǎn)的牌號(hào)為SAPH400RS的酸洗熱軋鋼板，其材料參數(shù)由材料拉伸試驗(yàn)獲得［11］。

采用Johnson-Cook塑性階段本構(gòu)方程進(jìn)行碰撞仿真計(jì)算［12］，其表達(dá)式為：

式中，A為屈服應(yīng)力；B為應(yīng)變冪指前系數(shù)；n為應(yīng)變硬化指數(shù)；C為應(yīng)變率效應(yīng)系數(shù)；A、B、n、C、m為材料常數(shù)；σ為等效應(yīng)力；ε為等效塑性應(yīng)變；為等效塑性應(yīng)變率；為參考應(yīng)變率，根據(jù)準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)取為0.001 s-1；T*為無量綱溫度參數(shù)，室溫條件下取為0。

通過材料拉伸試驗(yàn)［13］確定AA7075材料本構(gòu)方程參數(shù)如式（2）、式（3）所示。

3.2B柱結(jié)構(gòu)側(cè)碰分析

B柱內(nèi)板及加強(qiáng)板如圖8所示，SAPH400RS內(nèi)板及加強(qiáng)板總質(zhì)量為8.08 kg。應(yīng)用AA7075材料并將新模型與原模型進(jìn)行抗撞性對(duì)比分析。鋁合金板件之間的連接可以通過鉚接加點(diǎn)焊來實(shí)現(xiàn)［14］，鋁合金和普通鋼板之間則可以通過自沖鉚接的方式連接［15～16］，都能獲得良好的連接性能。

根據(jù)B柱侵入速度以及侵入量與變形形態(tài)要求來判斷側(cè)圍抗撞性能的優(yōu)劣，B柱內(nèi)板上對(duì)應(yīng)于頭部和胸部的最大侵入速度應(yīng)不超過8 m/s［17］，對(duì)應(yīng)于盆骨處的最大侵入速度應(yīng)不超過9 m/s。同時(shí)參照美國(guó)公路安全保險(xiǎn)協(xié)會(huì)（Insurance Institute for Highway Safety，IIHS）對(duì)于轎車側(cè)面碰撞B柱侵入量?jī)?yōu)劣的判斷標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)B柱侵入量及變形形態(tài)。

分析AA7075和SAPH400RS B柱內(nèi)板及加強(qiáng)板的側(cè)面碰撞整車模型，得到B柱內(nèi)板上對(duì)應(yīng)于頭部、胸部、盆骨處的侵入速度如圖9所示，0～60 ms內(nèi)侵入速度峰值與目標(biāo)值對(duì)比如表1所示，B柱侵入量與侵入形態(tài)及IIHS標(biāo)準(zhǔn)如圖10所示。

表1　B柱內(nèi)板0～60 ms侵入速度峰值與目標(biāo)值　m/s

碰撞過程結(jié)束后B柱侵入形態(tài)與座椅中心線的距離決定了B柱抗撞性的好壞。由圖10可知，AA7075B柱在碰撞過程結(jié)束后距離座椅中心線超過125 mm，處于“優(yōu)秀”范圍內(nèi)，其侵入形態(tài)符合IIHS標(biāo)準(zhǔn)要求。由圖9和表1可知，采用與原材料相同厚度的AA7075板件對(duì)于B柱侵入速度的降低并不明顯，B柱內(nèi)板上對(duì)應(yīng)于頭部部位的侵入速度符合要求，而對(duì)應(yīng)于胸部和盆骨處的侵入速度峰值仍然過大，在側(cè)面碰撞過程中胸部和盆骨有受到較大損傷的風(fēng)險(xiǎn)，需要進(jìn)行優(yōu)化。

4　AA7075 B柱優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對(duì)B柱上對(duì)應(yīng)于胸部和盆骨處侵入速度過大和加強(qiáng)板件結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問題，優(yōu)化B柱加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)，如圖11所示，將4塊加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)改進(jìn)為一塊加強(qiáng)板。采用改進(jìn)之后的B柱加強(qiáng)板，對(duì)AA7075 B柱進(jìn)行厚度優(yōu)化。

4.1B柱優(yōu)化設(shè)計(jì)模型

B柱優(yōu)化設(shè)計(jì)以B柱板件質(zhì)量最小為優(yōu)化目標(biāo)，以B柱內(nèi)板的厚度t1和B柱加強(qiáng)板厚度t2為設(shè)計(jì)變量，以B柱內(nèi)板上分別對(duì)應(yīng)于胸部和盆骨處的侵入速度v1、v2為約束條件。t1、t2的原始值分別為0.99 mm和2.12 mm，根據(jù)車身鋼板通用厚度，選擇t1的范圍為0.8～2.0 mm，t2的范圍為2.0～3.5 mm。而v1、v2的上限值分別為8 m/s和9 m/s。最終建立的優(yōu)化模型為：

式中，m為B柱板件質(zhì)量。

4.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)選用拉丁超立方采樣方法，根據(jù)所設(shè)變量的取值范圍，共得到8組試驗(yàn)方案。各設(shè)計(jì)方案及運(yùn)用LS-DYNA計(jì)算所得的v1、v2以及m如表2所示。

表2　試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果

4.3近似模型構(gòu)建

為了獲得表示設(shè)計(jì)變量和目標(biāo)量之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，用近似模型替代有限元模型進(jìn)行分析計(jì)算，能有效降低資源的消耗。本文基于最小二乘法構(gòu)建典型的2階近似模型：

式中，f（x）為目標(biāo)量；β0、βi、βij為未知參數(shù)，一起構(gòu)成列向量 β；βij為n維變量x的第i個(gè)分量；yj為m維變量y的第j個(gè)分量。

本次分析使用1階響應(yīng)面模型對(duì)B柱內(nèi)板及加強(qiáng)板質(zhì)量之和創(chuàng)建近似模型，使用二次多項(xiàng)式模型來近似表示v1、v2與m之間的關(guān)系。得到近似模型：

近似模型的精確程度由模型診斷功能中的確定系數(shù)R2和調(diào)整確定系數(shù)R2adj來評(píng)估。R2和R2adj的取值越接近1則近似模型精確度越高。模型診斷中的R2和R2adj如表3所示。由表3可知，該近似模型精度較高，可以代替簡(jiǎn)化模型進(jìn)行優(yōu)化運(yùn)算。

4.4優(yōu)化結(jié)果分析

使用自適應(yīng)響應(yīng)面法，得到B柱內(nèi)板及加強(qiáng)板厚度優(yōu)化結(jié)果如表4所示。

表3　近似模型的R2和R2adj結(jié)果

表4　板厚優(yōu)化結(jié)果　mm

將優(yōu)化結(jié)果帶入到整車模型中，重新進(jìn)行模擬分析。得到B柱內(nèi)板上對(duì)應(yīng)于頭部、胸部和盆骨處的侵入速度和侵入量如圖12所示。

由圖12可知，優(yōu)化后0～60 ms內(nèi)侵入速度峰值明顯降低，頭部和胸部處B柱侵入速度峰值小于8.0 m/s，盆骨處B柱侵入速度峰值小于9.0 m/s。由圖13可知，優(yōu)化后頭部、胸部和盆骨處的侵入量分別降低到192 mm、200 mm和207 mm。優(yōu)化后B柱板件總質(zhì)量從8.08 kg降低到2.92 kg，輕量化效果較好。

5　結(jié)束語

將B柱內(nèi)板及加強(qiáng)板材料從SAPH400RS替換為AA7075，其侵入形態(tài)在IIHS標(biāo)準(zhǔn)得到“優(yōu)秀”評(píng)價(jià)，但侵入速度峰值仍然過大。

經(jīng)過加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)改進(jìn)和厚度優(yōu)化，B柱上檢測(cè)點(diǎn)處在碰撞模擬中的侵入速度峰值和最大侵入量明顯降低，滿足安全性能要求。包括內(nèi)板和加強(qiáng)板在內(nèi)的B柱板件總質(zhì)量減輕約60%，輕量化效果明顯。

1譚耀武，楊濟(jì)匡，王四文.轎車B柱耐撞性與輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)研究.中國(guó)機(jī)械工程，2010（23）：2887～2892.

2張學(xué)榮，蘇清祖.側(cè)面碰撞乘員損傷影響因素分析.汽車工程，2008，30（2）：146～150.

3龐通，鄧國(guó)紅，楊鄂川，等.某乘用車側(cè)面碰撞性能分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013，27（12）：22～28.

4董慶戰(zhàn)，楊濟(jì)匡.泡沫鋁填充在轎車B柱中的側(cè)面耐撞性研究.計(jì)算機(jī)仿真，2014，31（11）：150～154.

5張利，劉雪峰.汽車用高強(qiáng)鋁合金材料研究.重慶工學(xué)院學(xué)報(bào)，2000（1）：34～39.

6王智文，孫希慶，項(xiàng)生田，等.鋁合金前保險(xiǎn)杠橫梁的應(yīng)用研究.汽車工程，2015，37（3）：366～369.

7莊蔚敏，曹德闖，葉輝.基于連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)預(yù)測(cè)7075鋁合金熱沖壓成形極限圖.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2014，44（2）：409～414.

8中國(guó)汽車技術(shù)研究中心.C-NCAP管理規(guī)則，2006.

9陳海樹，賴征海，邸建衛(wèi).LS-DYNA在汽車碰撞模擬過程中的應(yīng)用.沈陽大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006，18（4）：10～ 12.

10趙敏，鐘志華，王國(guó)春，等.基于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的微型轎車側(cè)撞安全性研究.汽車工程，2010，32（5）：409～412.

11王春燕.激光拼焊板制轎車整體側(cè)圍內(nèi)板成形關(guān)鍵技術(shù)的研究：［學(xué)位論文］.長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2008.

12Pothnis J R，Perla Y，Arya H，et al.High strain rate tensile behavior of aluminum alloy 7075 T651 and IS 2062 mild steel.Journal of Engineering Materials and Technology，2011，133（2）：1～9.

13謝燦軍，童明波，劉富，等.7075-T6鋁合金動(dòng)態(tài)力學(xué)試驗(yàn)及本構(gòu)模型研究.振動(dòng)與沖擊，2014（18）：110～114.

14羅宇璨，陸云鵬，羅震，等.7075鋁合金薄板點(diǎn)焊新工藝方法的研究.制造業(yè)自動(dòng)化，2013（11）：129～131.

15Abe Y，Kato T，Mori K.Joinability of aluminium alloy and mild steel sheets by self piercing rivet.Journal of Materials Processing Technology，2006，177（1～3）：417～421.

16Franco G D，F(xiàn)ratini L，Pasta A，et al.On the self-piercing riveting of aluminium blanks and carbon fibre composite panels.International Journal of Material Forming，2010，3（1）：1035～1038.

17張學(xué)榮，蘇清祖.側(cè)面碰撞乘員損傷影響因素分析.汽車工程，2008，30（2）：146～150.

（責(zé)任編輯斛畔）

修改稿收到日期為2016年5月25日。

Lightweight Design of AA7075 B-Pillar Based on Side Impact Crashworthiness

Zhuang Weimin1，Hu Zhe1，Liang Lili2
（1.State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control，Jilin University，Changchun 130025；2.Pan Asia Technical Automotive Center Co.，Ltd.，Shanghai 200120）

A simplified side impact model was established based on the entire side collision FE model of a vehicle model，and consistency of these two models was verified.AA7075 Johnson-cook plastic constitutive model was built，and material AA7075 was used on inner panel and stiffening plate of B pillar，and its crashworthiness was compared with the original model for analysis.The structure of the stiffening plate was improved，and an approximation model was constructed and its thickness was optimized.The results showed that AA7075 B pillar could effectively reduce the maximum intrusion speed and displacement whereas decreases the mass by 60%，which showed an obvious lightweight effect.

Side impact，B pillar，Aluminum alloy 7075，Crashworthiness，Lightweight

U463.82

A

1000-3703（2016）10-0001-06

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51075178）。