某車型MDB側(cè)面碰撞熱成型B柱撕裂結(jié)構(gòu)優(yōu)化

鄧元,賈麗剛,黃鳳英

(1.上汽通用五菱汽車股份有限公司,廣西柳州 545007;2.廣西艾盛創(chuàng)制科技有限公司，廣西柳州 545007)

0 引言

隨著世界汽車保有量的增加及汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，能源危機(jī)及環(huán)保壓力逐漸成為各大主機(jī)廠面臨的重大問題。2014年7月1日起，我國全面實(shí)行乘用車第IV階段國Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)，到2020年《企業(yè)平均燃油經(jīng)濟(jì)性標(biāo)準(zhǔn)》要求企業(yè)Ⅳ階段平均油耗限值降至5 L/100 km，輕量化技術(shù)已成為汽車企業(yè)的核心競爭力。高強(qiáng)度鋼板熱成形技術(shù)是同時實(shí)現(xiàn)車體輕量化和提高碰撞安全性的好方法,以其高減重潛力、高碰撞吸能能力、高疲勞強(qiáng)度、高成型性及低平面各向異性等優(yōu)勢成為汽車工業(yè)輕量化的主要材料[1-2]。國內(nèi)自主品牌開始采用熱成型技術(shù)，尤其是熱成型B柱越來越普遍[3]。

1 熱成型鋼的應(yīng)用和效果

熱成型技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：高溫下好的成型性，可以成型非常復(fù)雜的形狀，可生產(chǎn)超高強(qiáng)度零件，成形精確，焊接性良好，沒有回彈。熱成型鋼作為汽車用鋼中強(qiáng)度級別最高的鋼種，廣泛應(yīng)用于汽車防碰撞的加強(qiáng)件。目前熱成型沖壓件在車身的應(yīng)用主要集中在A柱、B柱、C柱、門防撞桿、中通道、縱梁、門檻和儀表板橫梁等,其中以B柱應(yīng)用最為廣泛[4]。

表1是某車型B柱高強(qiáng)鋼方案和熱成型方案質(zhì)量對比結(jié)果。B柱由4個零件組成：側(cè)圍外板、B柱加強(qiáng)板、B柱加強(qiáng)板補(bǔ)強(qiáng)板和B柱內(nèi)板。與高強(qiáng)鋼方案相比，熱成型方案整車實(shí)現(xiàn)減重1.406 kg。

表1 B柱高強(qiáng)鋼和熱成型方案對比

2 研究內(nèi)容和仿真對標(biāo)

2.1 研究內(nèi)容

整車試驗(yàn)后門檻出現(xiàn)較大翻轉(zhuǎn)變形,B柱根部凹陷。拆車發(fā)現(xiàn)B柱根部后門鉸鏈區(qū)域翻邊出現(xiàn)撕裂，如圖1所示。B柱根部出現(xiàn)撕裂，功能性失效，不滿足設(shè)計要求。觀察B柱加強(qiáng)板焊接翻邊撕裂位置,是從焊點(diǎn)處開始撕裂。

圖1 試驗(yàn)B柱根部撕裂

2.2 仿真對標(biāo)

按照試驗(yàn)時測量前后輪罩通過輪心位置的高度，重新調(diào)整側(cè)碰模型中壁障高度，與試驗(yàn)一致。根據(jù)實(shí)車中出現(xiàn)焊點(diǎn)失效的位置設(shè)置焊點(diǎn)失效，同時B柱內(nèi)板上的加速度傳感器按實(shí)際位置進(jìn)行調(diào)整。側(cè)碰中假人胸部最容易失分，胸部評分指標(biāo)是評價整車側(cè)面結(jié)構(gòu)耐撞性非常重要的指標(biāo)。因此文中以對應(yīng)假人胸部高度處的B柱腰線侵入速度、侵入量和前門侵入量進(jìn)行仿真模型對標(biāo)，仿真模型與試驗(yàn)結(jié)果最大誤差不超過10%，滿足工程應(yīng)用要求，對標(biāo)結(jié)果如表2所示。對標(biāo)結(jié)果表明仿真模型具有較高的精度，可以進(jìn)行后續(xù)優(yōu)化。

表2 仿真模型對標(biāo)結(jié)果

3 B柱撕裂原因分析和優(yōu)化

3.1 B柱撕裂原因分析

熱成型鋼屬耐熱合金鋼，有較高的硬化性能，易導(dǎo)致焊核脆化，特別是熱影響區(qū)嚴(yán)重降低了焊點(diǎn)周圍區(qū)域的韌性和塑性，斷裂延伸率遠(yuǎn)低于普通高強(qiáng)鋼[5]。熱成型板斷裂延伸率一般為5%～7%。在高速撞擊的情況下熱成型鋼沖擊韌性會降低，在這種情況下B柱可能會在焊接翻邊處撕裂，導(dǎo)致失去保護(hù)功能。

試驗(yàn)車拆車后發(fā)現(xiàn)B柱根部焊接翻邊從焊點(diǎn)處撕裂，這符合熱成型鋼焊接后焊接區(qū)域的性能特性。試驗(yàn)車B柱根部區(qū)域侵入量很大，向車內(nèi)凹陷。撕裂原因分析為B柱焊接后翻邊強(qiáng)度降低，沖擊韌性下降，受到強(qiáng)烈撞擊后焊點(diǎn)區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中，仿真最大有效塑性應(yīng)變?yōu)?.2%，超過了其許用應(yīng)變5%～7%，翻邊從焊點(diǎn)處開始撕裂，撕裂位置與試驗(yàn)一致，如圖2所示。

圖2 B柱撕裂區(qū)域翻邊有效塑性應(yīng)變

3.2 優(yōu)化方案

B柱撕裂是由于熱成型板焊接后，翻邊出現(xiàn)熱影響區(qū)，其機(jī)械強(qiáng)度下降造成的。碰撞后焊點(diǎn)處出現(xiàn)應(yīng)力集中，焊接翻邊撕裂。解決問題的途徑是提高B柱撕裂區(qū)域翻邊焊接后的機(jī)械強(qiáng)度或者降低撕裂區(qū)域受到的撕扯力，優(yōu)化方案有如下兩個：

(1)方案一：增加撕裂區(qū)域焊接翻邊的寬度,同時焊點(diǎn)位置盡可能遠(yuǎn)離翻邊邊緣,焊點(diǎn)數(shù)量加密，使焊核熱影響區(qū)遠(yuǎn)離翻邊邊緣。但是這樣會造成B柱焊接翻邊安裝密封膠條后，膠條無法完全覆蓋翻邊從而裸露鈑金，影響靜態(tài)感知質(zhì)量。

(2)方案二：減弱B柱根部門檻加強(qiáng)板支撐盒強(qiáng)度，碰撞后門檻腔體壓扁，B柱根部一起整體凹陷，這樣門檻對B柱根部撕裂區(qū)域的撕扯力減弱，進(jìn)而減小焊接翻邊撕裂的風(fēng)險，如圖3所示。但是由于門檻對B柱根部支撐減弱，B柱整體的侵入量和侵入速度會存在增大的趨勢，假人傷害值會增大，存在一定的風(fēng)險。

圖3 B柱根部區(qū)域門檻加強(qiáng)板支撐盒

綜合考慮成本、工藝等因素后，最終的優(yōu)化方案為B柱根部區(qū)域門檻加強(qiáng)板支撐盒厚度和材料由1.5 mm DP590降為0.8 mm BLD，同時撕裂區(qū)域焊接翻邊的焊點(diǎn)盡量避免邊緣焊，焊點(diǎn)加密。計算仿真對標(biāo)模型后，B柱根部撕裂位置處有效塑性應(yīng)變由7.2%降為4.6%，如圖4所示，小于熱成型板許用應(yīng)變5%～7%。

3.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)確定下來的優(yōu)化方案，加工制作0.8 mm BLD的門檻加強(qiáng)板支撐盒樣件，同時白車身焊接過程中控制B柱根部焊接翻邊撕裂區(qū)域焊點(diǎn)位置，避免邊緣焊。試驗(yàn)車碰撞后B柱根部區(qū)域整體向車內(nèi)凹陷，門檻翻轉(zhuǎn)明顯減小。B柱根部焊接翻邊沒有出現(xiàn)撕裂，只是出現(xiàn)B柱內(nèi)板局部焊點(diǎn)失效，與仿真結(jié)果相符，如圖5所示。

圖5 B柱根部焊接翻邊變形

優(yōu)化前后假人傷害值對比如表3所示。

表3 優(yōu)化前后前排假人傷害值對比

弱化B柱根部門檻加強(qiáng)板支撐盒后，B柱根部整體侵入量增大，假人骨盆傷害值明顯增大，胸部傷害值略微增大，腹部和頭部傷害值減小，假人整體得分基本一致。

4 結(jié)論

針對某車型側(cè)面移動可變形壁障碰撞熱成型B柱根部撕裂問題，通過仿真對標(biāo)模型找到了焊接翻邊撕裂原因，綜合成本、工藝等各方面因素后提出了優(yōu)化方案，最后通過實(shí)車碰撞試驗(yàn)對優(yōu)化方案進(jìn)行了驗(yàn)證，B柱根部焊接翻邊沒有出現(xiàn)撕裂現(xiàn)象，與對標(biāo)仿真模型分析結(jié)果一致，同時側(cè)碰假人得分優(yōu)化前后基本一致，熱成型B柱根部撕裂問題得到解決。最終可以得出以下結(jié)論：

(1)熱成型B柱在此車型上是首次應(yīng)用，屬于新材料和新工藝，與普通高強(qiáng)鋼相比，需充分評估兩者間的性能差異。

(2)針對熱成型B柱撕裂問題，提出了弱化B柱根部門檻加強(qiáng)板支撐盒強(qiáng)度和改進(jìn)焊接工藝的優(yōu)化方案，有效降低了撕裂區(qū)域焊接翻邊焊點(diǎn)處應(yīng)力集中問題，有效塑性應(yīng)變?yōu)?.6%，小于熱成型板許用應(yīng)變5%～7%。實(shí)車碰撞試驗(yàn)B柱根部焊接翻邊沒有出現(xiàn)撕裂現(xiàn)象，熱成型B柱根部撕裂問題得到解決，該問題的解決為后續(xù)同平臺其他車型的開發(fā)積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

(3)此車型側(cè)圍整體剛度偏弱，B柱整體侵入量偏大，要求B柱根部加強(qiáng)板采用高延伸率材料，避免根部出現(xiàn)撕裂失效問題，后續(xù)車型開發(fā)過程中必須考慮此問題。