基于側(cè)碰安全性能的B柱結(jié)構(gòu)對(duì)比分析

張文超，李海濱，卜曉兵

（中汽研汽車檢測(cè)中心（天津）有限公司，天津300300）

2015CNCAP評(píng)價(jià)規(guī)定可移動(dòng)變形壁障側(cè)面碰撞沖擊點(diǎn)為座椅R點(diǎn)，碰撞速度為50 km/h，壁障距離地面300 mm，沖擊能量為91.6 KJ.側(cè)面碰撞中壁障以初始速度撞擊，并最終帶動(dòng)車輛一起運(yùn)動(dòng)，滿足動(dòng)量守恒定律。因此在最終評(píng)價(jià)肋骨變形量和背板力時(shí)，白車身B柱侵入速度是一個(gè)重要的影響指標(biāo)。同時(shí)車身結(jié)構(gòu)在承受撞擊后會(huì)產(chǎn)生變形量，B柱變形帶動(dòng)內(nèi)飾件位移，直接決定車內(nèi)假人的生存空間，影響到假人的傷害指標(biāo)。因此本文將用B柱在碰撞后的侵入速度和侵入量作為B柱不同結(jié)構(gòu)方案的考核指標(biāo)。

1 碰撞仿真計(jì)算理論

碰撞仿真過(guò)程是非線性理論分析過(guò)程，非線性有限元基本理論，主要包括薄殼單元、接觸控制、沙漏控制、時(shí)間步長(zhǎng)控制等。

殼單元在整車網(wǎng)格處理過(guò)程中，為保證碰撞仿真精度，主要以四邊形網(wǎng)格為主。

在非線性理論中接觸一碰撞是主要的困難之一，LS-dyna求解軟件中在定義接觸-碰撞問題是主要是采用三種不同的算法，即動(dòng)態(tài)約束法也稱節(jié)點(diǎn)約束法、分配參數(shù)法、罰函數(shù)法。三種算法中動(dòng)態(tài)約束法存在的問題點(diǎn)主要是當(dāng)主表面比從表面的網(wǎng)格劃分精細(xì)時(shí)，其中一些主節(jié)點(diǎn)可以自由地滲透到從表面，從而形成“扭結(jié)”現(xiàn)象，形成原因是因?yàn)榧s束只是施加在從節(jié)點(diǎn)上。此算法計(jì)算是比較復(fù)雜的，當(dāng)前只是用在固連界面（固聯(lián)、固聯(lián)一斷開類型）分配參數(shù)法主要應(yīng)用是爆炸分析計(jì)算，當(dāng)發(fā)生爆炸產(chǎn)生的沖擊性氣體與直接接觸的結(jié)構(gòu)發(fā)生相對(duì)滑移，而在汽車結(jié)構(gòu)仿真計(jì)算中并無(wú)此類特殊爆炸氣體工況，因此應(yīng)用范圍也是比較局限。罰函數(shù)法目前是應(yīng)用最廣泛的，利用法向彈性元件限制從節(jié)點(diǎn)對(duì)于主表面的穿透，因此可以有效地解決網(wǎng)格變形沙漏問題。

FE模型中網(wǎng)格沙漏是單體網(wǎng)格高頻率震蕩或是結(jié)構(gòu)穿透的一種缺陷，在現(xiàn)實(shí)物理工況中不會(huì)出現(xiàn)的形式。非線性動(dòng)力理論分析中應(yīng)用的是高斯積分，其優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算時(shí)間短，缺點(diǎn)是容易引起鋸齒形網(wǎng)格變形即沙漏效應(yīng)。針對(duì)能量分析條件，當(dāng)沙漏能超過(guò)結(jié)構(gòu)模型內(nèi)能5%時(shí)，即為失效，因此工程應(yīng)用分析要避免沙漏問題。在LS-dyna模型中，設(shè)置沙漏系數(shù)0.03～0.05的剛性沙漏模式是一種控制沙漏的有效手段，但是對(duì)于碰撞的高速結(jié)構(gòu)變形模式，粘性沙漏控制更有效。

考慮阻尼的影響，非線性運(yùn)動(dòng)方程如下[1]：

式中：H為總體結(jié)構(gòu)沙漏粘性阻尼力；C為總體阻尼力矢量；由于采用集中質(zhì)量M，上述運(yùn)動(dòng)方程的求解是非藕合的，所以tn時(shí)刻有[2]：

對(duì)時(shí)間積分采用顯示中心差分法，則有

由于顯示中心差分法是有條件穩(wěn)定的，其穩(wěn)定性取決于時(shí)間步長(zhǎng)，在LS-dyna程序采用變時(shí)步增量解法，每一時(shí)刻的時(shí)間步長(zhǎng)由當(dāng)前構(gòu)形的穩(wěn)定性條件控制，算法如下：

先計(jì)算每一個(gè)單元的極限時(shí)間步長(zhǎng) Δtei，i=1，2，3……這里說(shuō)的極限時(shí)間步長(zhǎng)就是顯示中心差分法穩(wěn)定性條件下允許的最大時(shí)間步長(zhǎng)，則下一時(shí)刻取其所有單元極限時(shí)間步長(zhǎng)的最小值，即

式中：Δtei為第i個(gè)單元的極限時(shí)間步長(zhǎng)，m是單元數(shù)目[3]。

2 側(cè)碰B柱設(shè)計(jì)方案

2.1 B柱結(jié)構(gòu)介紹

汽車B柱是汽車前后門之間連接汽車上下邊梁的重要結(jié)構(gòu)，主要是通過(guò)點(diǎn)焊和二氧化碳保護(hù)焊連接。

B柱結(jié)構(gòu)主要包括：側(cè)圍外板、B柱加強(qiáng)板總成和B柱內(nèi)板。如圖1所示。其中B柱加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)總成主要包括外部加強(qiáng)板和內(nèi)部加強(qiáng)板。白車身B柱的設(shè)計(jì)外部受外CAS造型及總布置設(shè)計(jì)制約，內(nèi)部受內(nèi)飾CAS造型及人機(jī)工程制約，所以在上述制約條件確定后，B柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)空間上已然有了初步的定義。

圖1 B柱結(jié)構(gòu)示意圖

總體分析B柱呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)形式分為5部分，A1-A5區(qū)域如圖1所示，其區(qū)域特征及設(shè)計(jì)要素主要為：A1為上部搭接區(qū)域，焊點(diǎn)布置尺寸均勻，避免搭接應(yīng)力集中和因撕裂出現(xiàn)焊點(diǎn)失效現(xiàn)象；A2為上部區(qū)域斷面扁平，Y向尺寸?。籄3為風(fēng)窗到上鉸鏈過(guò)度區(qū)域?yàn)榧眲∽兓瘏^(qū)域斷面由窄寬，Y向尺寸增加，如圖2所示；A4為上鉸鏈到下部搭接區(qū)域，尺寸均勻，但在其中部一般布置線束過(guò)孔，對(duì)B柱強(qiáng)度有很大的削弱，應(yīng)考量其設(shè)計(jì)位置，如圖3所示；A5為下部搭接區(qū)域，焊點(diǎn)布置尺寸均勻。

2.2 側(cè)碰中B柱變形模式

在側(cè)碰仿真及試驗(yàn)中可，B柱變形模式主要由在變形中的彎折位置來(lái)影響B(tài)柱的設(shè)計(jì)走勢(shì)，而彎折位置一般發(fā)現(xiàn)在B柱強(qiáng)度最弱的位置。通過(guò)上述分析B柱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可發(fā)現(xiàn)B柱在A3區(qū)域?yàn)閺澗丶眲∽兓恢?，仿真?yàn)證撞擊過(guò)程中最先變形的位置為此處。分析傷害指標(biāo)可發(fā)現(xiàn)，彎折位置將直接影響人體的頭胸骨盆及腹部，結(jié)合內(nèi)飾與人體具體設(shè)計(jì)距離及人體傷害承受能力，可以分析采用B柱加強(qiáng)板下部彎折上部平移的變形方式對(duì)人體傷害程度最低。

2.3 B柱結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

B柱在確定此種變形模式后，對(duì)A級(jí)車的B柱進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，給出兩種設(shè)計(jì)方案。方案1：設(shè)計(jì)主要為外部加強(qiáng)板為整板，內(nèi)部加強(qiáng)板為半段局部加強(qiáng)，使B柱加強(qiáng)板下部強(qiáng)度減弱；方案2設(shè)計(jì)為外部加強(qiáng)板分為上下倆塊板，內(nèi)部加強(qiáng)板為半段局部加強(qiáng)，使外部加強(qiáng)板在焊接處產(chǎn)生應(yīng)力集中，局部弱化引導(dǎo)變形。

方案1中，B柱方案為中柱加強(qiáng)板整段式，加強(qiáng)板材料為HC340/590DP，料厚為1.6 mm，其材料延伸率 ≥ 20，抗拉強(qiáng)度 ≥ 590 MPa，屈服強(qiáng)度340~440 MPa.內(nèi)部加強(qiáng)板為HC340/590DP，料厚為2.0 mm.B柱內(nèi)外加強(qiáng)板采用點(diǎn)焊工藝，通過(guò)內(nèi)部加強(qiáng)板長(zhǎng)度控制B柱加強(qiáng)板上下的強(qiáng)度，保證中部造型變化部分在碰撞中能抵抗變形。

方案2中，B柱方案設(shè)計(jì)為中柱加強(qiáng)板上下分段，中柱上部加強(qiáng)板材料為HC340/590DP，料厚為1.6 mm，其材料延伸率 ≥ 20，抗拉強(qiáng)度 ≥ 590 MPa，屈服強(qiáng)度340~440 MPa，中柱下部加強(qiáng)板材料為B280VK，料厚為1.6 mm，材料延伸率 ≥ 26，抗拉強(qiáng)度 ≥ 440 MPa，屈服強(qiáng)度280~420 MPa.內(nèi)部加強(qiáng)板為HC340/590DP，料厚為2.0 mm.B柱加強(qiáng)板總成中部采用焊點(diǎn)連接，通過(guò)人為設(shè)置應(yīng)力集中點(diǎn)，采用不同材料從而控制引導(dǎo)中柱變形模式。

3 側(cè)碰仿真分析

3.1 仿真流程

利用Hypermesh軟件建立倆種方案的整車側(cè)碰模型，使用LS-DYNA軟件進(jìn)行仿真分析，整車模型主要由殼單元和梁?jiǎn)卧M成，三角形單元總數(shù)控制在5%以下，單元的平均尺寸為4 mm，在建模過(guò)程中，嚴(yán)格控制單元的品質(zhì)，尤其是對(duì)于單元翹曲度、長(zhǎng)寬比、最大和最小內(nèi)角等都有嚴(yán)格的要求。

建立工況分析流程（見圖2）：

圖2 建立工況分析流程圖

建立整車模型，如圖3所示。在整車仿真環(huán)境下，考核B柱加強(qiáng)板不同結(jié)構(gòu)的變化影響。

圖3 整車模型圖

3.2 仿真結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)分析展示B柱加強(qiáng)板的變形形式，如圖4所示。其變形形式符合設(shè)計(jì)的B柱加強(qiáng)板設(shè)定方案目標(biāo)。

圖4 B柱變形圖

根據(jù)仿真結(jié)果，分析B柱加強(qiáng)板在前100 ms變形過(guò)程。在B柱加強(qiáng)板上標(biāo)記四個(gè)位置段，分別為A1-A2，A2-A3，A3-A4，A4-A5。碰撞仿真中侵入速度-時(shí)間曲線，如下圖5所示。

圖5 方案1側(cè)碰B柱速度-時(shí)間圖

在碰撞過(guò)程中，高強(qiáng)鋼材料零部件的延展及應(yīng)力分布分析是對(duì)在實(shí)車碰撞試驗(yàn)是失效分析的一種有力手段。CAE仿真模擬中材料很難模擬失效情況，對(duì)于B柱塑性變形等值云圖（圖6）中B柱加強(qiáng)板塑性延伸率最大為29.8%，大于HC340/590DP材料延伸率≥20的區(qū)域存在區(qū)域?yàn)樯舷麻T鎖鉸鏈之間位置，為碰撞易于彎折發(fā)生位置，由于紅色區(qū)域沒有形成線性帶因此失效風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警的降低。圖7中為B柱碰撞仿真的應(yīng)力云圖，從圖中可以看出主要應(yīng)力集中在2個(gè)地方。一是上下門鉸鏈之間的位置，二是下鉸鏈下部位置，此處焊點(diǎn)內(nèi)外加強(qiáng)板聯(lián)結(jié)位置，產(chǎn)生應(yīng)力集中為必然現(xiàn)象，這兩個(gè)位置出現(xiàn)的應(yīng)力集中現(xiàn)象有可能會(huì)導(dǎo)致整車側(cè)碰過(guò)程中出現(xiàn)塑性角開裂的現(xiàn)象發(fā)生，仿真中一旦出現(xiàn)塑性角將會(huì)帶來(lái)兩個(gè)方面的影響：一個(gè)方面，如果產(chǎn)生大的塑性角可能會(huì)對(duì)乘員在碰撞運(yùn)動(dòng)過(guò)程中造成損傷；另一方面，如果產(chǎn)生塑性角，會(huì)在側(cè)面大沖擊中引起材料斷裂，發(fā)生不可控的碰撞大失效。

圖6 塑性云圖

圖7 應(yīng)力云圖

方案2中，B柱方案設(shè)計(jì)為中柱加強(qiáng)板上下分段，中柱上部加強(qiáng)板材料為HC340/590DP，料厚為1.6 mm，其材料延伸率 ≥ 20，抗拉強(qiáng)度≥590 MPa，屈服強(qiáng)度340~440 MPa，中柱下部加強(qiáng)板材料為B280VK，料厚為1.6 mm，材料延伸率≥26，抗拉強(qiáng)度≥440 MPa，屈服強(qiáng)度280~420 MPa.內(nèi)部加強(qiáng)板為HC340/590DP，料厚為2.0 mm.B柱加強(qiáng)板總成中部采用焊點(diǎn)連接，通過(guò)人為設(shè)置應(yīng)力集中點(diǎn)，采用不同材料從而控制引導(dǎo)中柱變形模式。在B柱加強(qiáng)板上中四個(gè)位置點(diǎn)與方案1保持一致，分別為A1-A2，A2-A3，A3-A4，A4-A5.由方案2侵入速度-時(shí)間曲線分析，如下圖8所示，相比于方案1，方案2第一個(gè)侵入速度波峰較高，但最大侵入速度卻比方案一低。

圖8 方案2側(cè)碰B柱速度-時(shí)間圖

方案2從塑性變化云圖（圖9）可以看到方案2中B柱加強(qiáng)板塑性延展最大為21.3%，主要發(fā)生在B柱上鉸鏈到風(fēng)窗造型的變化角處，因此方案有效可靠。應(yīng)力變化云圖（圖10）中可以看到應(yīng)力分布主要集中在于B柱型腔變化處，與塑性變化最大處為同一位置，且應(yīng)力分布均勻合理，利于B柱在碰撞發(fā)生過(guò)程中的穩(wěn)定變形。方案2中，從彈塑性應(yīng)變可以看到危險(xiǎn)區(qū)域在焊點(diǎn)布置的位置，且只有一個(gè)焊點(diǎn)的范圍存在風(fēng)險(xiǎn)，周圍焊點(diǎn)沒有出現(xiàn)問題。

圖9 塑性云圖

圖10 應(yīng)力云圖

3.3 仿真結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)2種方案的分析對(duì)比（表1）可以發(fā)現(xiàn)，在考核B柱最大侵入速度時(shí)，設(shè)計(jì)方案2最大動(dòng)態(tài)速度比較小，同時(shí)對(duì)于速度來(lái)說(shuō)還保有一定的余量。在分析2種方案在高速碰撞過(guò)程中產(chǎn)生的高應(yīng)力區(qū)及塑性變形區(qū)時(shí)可以發(fā)現(xiàn)方案1面積較大且最大塑性應(yīng)變及最大應(yīng)力值也是方案二小。B柱最大動(dòng)態(tài)侵入量對(duì)比分析可知方案1A2-A3超限，方案2低于限值，最終分析可知方案2優(yōu)于方案1.

表1 結(jié)果對(duì)比圖表

4 側(cè)碰試驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)際生產(chǎn)試制零部件后進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證后，結(jié)果如下圖11所示。

用方案2實(shí)際設(shè)計(jì)方案分析結(jié)果與實(shí)車驗(yàn)證結(jié)果一致，側(cè)碰變形形式及侵入指標(biāo)均在要求范圍內(nèi)，C-NCAP摸底試驗(yàn)車身結(jié)構(gòu)為滿分，對(duì)駕駛側(cè)成員傷害值均在指標(biāo)要求范圍內(nèi)。本次針對(duì)B柱結(jié)構(gòu)對(duì)比分析，對(duì)于B柱設(shè)計(jì)應(yīng)首先把握B柱在碰撞中的變形趨勢(shì)，結(jié)合結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)強(qiáng)化和斷式結(jié)構(gòu)使之滿足對(duì)于側(cè)碰車身B柱要求。

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