基于側(cè)面碰撞的車(chē)身B柱斷面性能設(shè)計(jì)

鐘霞

摘 要：基于側(cè)面碰撞吸能特點(diǎn)，對(duì)B柱總成進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。從材料、工藝、結(jié)構(gòu)等方面入手，對(duì)原B柱外板和加強(qiáng)板進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，采用熱成形材料替換、增加補(bǔ)丁板和激光拼焊等3種方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用側(cè)面碰撞仿真分析對(duì)方案進(jìn)行可行性驗(yàn)證，并將設(shè)計(jì)方案綜合應(yīng)用到實(shí)際車(chē)型中對(duì)方案進(jìn)行檢驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：B柱總成;側(cè)面碰撞;性能設(shè)計(jì)

1輕量化方案設(shè)計(jì)

1.1B柱總成模型

通過(guò)合理的材料選用、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和成形工藝設(shè)計(jì)對(duì)B柱總成開(kāi)展輕量化設(shè)計(jì)，需對(duì)結(jié)構(gòu)的侵入量和侵入速度進(jìn)行控制，有效減小汽車(chē)側(cè)面碰撞中的乘員傷害，提高汽車(chē)側(cè)面碰撞安全性。基于整車(chē)側(cè)面碰撞的要求，制定B柱外板零件碰撞安全性評(píng)估方案，基于B柱外板變形模式，在結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估中重點(diǎn)關(guān)注B柱外板中部的最大位移和B柱外板下部的最大變形或易失效區(qū)域。根據(jù)人體坐姿位置與B柱總成之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，選取B柱外板上對(duì)應(yīng)人體頭部、胸部、腹部和骨盆的位置及B柱外板下端位置上共5個(gè)測(cè)量點(diǎn)，用以評(píng)估B柱總成的結(jié)構(gòu)碰撞安全性能。

1.2B柱輕量化設(shè)計(jì)

1.2.1熱成形材料替換方案設(shè)計(jì)

沖壓成形技術(shù)不僅能夠同時(shí)滿(mǎn)足車(chē)體輕量化和提高碰撞安全性的雙重要求，而且成形后的零件具有基本無(wú)回彈、精度高、成形質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)柱類(lèi)、梁類(lèi)等高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)制造中。采用熱成形材料替換B柱外板原來(lái)的高強(qiáng)鋼材料，具體方法是：取消B柱加強(qiáng)板，根據(jù)強(qiáng)度等效原則，B柱外板采用1.1mm厚的1500HS材料，熱成形B柱外板的強(qiáng)度不低于原來(lái)DP780外板和DP590加強(qiáng)板的等效強(qiáng)度。

1.2.2增加補(bǔ)丁板方案設(shè)計(jì)

在B柱總成側(cè)面碰撞仿真中，將安裝B柱的試驗(yàn)臺(tái)架設(shè)置為剛體并固定在剛性墻壁面，碰撞初始速度為50km·h-1，作用時(shí)間為50ms。對(duì)增加補(bǔ)丁板的方案進(jìn)行碰撞仿真分析，結(jié)果如圖1所示。B柱D2位置測(cè)量點(diǎn)的侵入量最大，D3位置測(cè)量點(diǎn)的侵入速度最大，D5位置測(cè)量點(diǎn)的侵入量和侵入速度均最小。因此，可以采用在B柱碰撞變形關(guān)鍵區(qū)域增加補(bǔ)丁板進(jìn)行局部強(qiáng)化，而B(niǎo)柱外板其它區(qū)域不做強(qiáng)化處理來(lái)實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)。具體方法是：取消B柱加強(qiáng)板，B柱外板采用1.2mm厚的DP780材料，D2位置測(cè)量點(diǎn)的鄰接區(qū)域內(nèi)側(cè)增加1.0mm厚的DP780材料補(bǔ)丁板并通過(guò)焊點(diǎn)與B柱外板結(jié)構(gòu)焊接在一起，B柱外板其它區(qū)域保持結(jié)構(gòu)不變。

圖 1 B 柱側(cè)面碰撞測(cè)點(diǎn)布置

2輕量化方案驗(yàn)證

2.1侵入量變化

對(duì)熱成形材料替換、增加補(bǔ)丁板和采用激光拼焊結(jié)構(gòu)的B柱總成進(jìn)行碰撞仿真分析，設(shè)置初始速度為50km·h-1，碰撞仿真時(shí)間為50ms。對(duì)5個(gè)測(cè)量點(diǎn)在側(cè)面碰撞時(shí)的侵入量進(jìn)行觀察。3種輕量化方案的B柱總成在汽車(chē)側(cè)面碰撞中各測(cè)量點(diǎn)侵入量變化形式大體一致，由圖2可以看出，各測(cè)量點(diǎn)侵入量也基本按照D2、D3、D4、D1和D5的順序由大到小排列;觀察B柱總成動(dòng)態(tài)侵入云圖，可以發(fā)現(xiàn)B柱的D1和D2位置的測(cè)量點(diǎn)同時(shí)侵入車(chē)內(nèi)，D3、D4和D5位置的各測(cè)量點(diǎn)依次先后侵入車(chē)內(nèi);只有B柱的D4位置的測(cè)量點(diǎn)在碰撞過(guò)程中具有先向車(chē)外輕微凸起，再侵入車(chē)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，其余位置的各測(cè)量點(diǎn)在碰撞過(guò)程中均直接侵入車(chē)內(nèi);與原設(shè)計(jì)方案的結(jié)果相比，B柱各測(cè)量點(diǎn)侵入量均顯著減小，碰撞初始速度為50km·h-1時(shí)各測(cè)量點(diǎn)的最大侵入量，其所有侵入量均小于規(guī)定值270mm，補(bǔ)丁板、激光拼焊、熱成形材料替換的最大侵入量比原方案分別減少22.0%、33.6%、38.8%，以熱成形材料替換方案的侵入量改善最優(yōu)。

圖 2 各測(cè)量點(diǎn)侵入量變化曲線

2.2侵入速度變化

對(duì)熱成形材料替換、增加補(bǔ)丁板和采用激光拼焊結(jié)構(gòu)的B柱總成分別進(jìn)行碰撞仿真分析，設(shè)置初始速度為50km·h-1，碰撞仿真時(shí)間設(shè)置為50ms。獲得5個(gè)測(cè)量點(diǎn)在側(cè)面碰撞時(shí)的侵入速度。熱成形材料替換、增加補(bǔ)丁板和采用激光拼焊結(jié)構(gòu)的B柱總成在汽車(chē)側(cè)面碰撞中各測(cè)量點(diǎn)侵入速度變化形式大體一致，熱成形材料替換、增加補(bǔ)丁板的B柱各測(cè)量點(diǎn)侵入速度首個(gè)峰值大體按照D3、D2、D4、D1和D5的順序由大到小排列，激光拼焊結(jié)構(gòu)的B柱各測(cè)量點(diǎn)侵入速度首個(gè)峰值大體按照D2、D3、D4、D1和D5的順序由大到小排列。與原方案的仿真結(jié)果相比較，B柱各測(cè)量點(diǎn)侵入速度均顯著減小，碰撞初始速度50km·h-1時(shí)各方案的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，熱成形材料替換、增加補(bǔ)丁板、激光拼焊3種方案的最大侵入速度較原方案分別減少2.6%、14.1%和22.9%。

3 B柱輕量化應(yīng)用

某型轎車(chē)在側(cè)面碰撞安全性試驗(yàn)中，乘員安全評(píng)價(jià)指標(biāo)假人胸部位置存在不達(dá)標(biāo)的情況，表現(xiàn)為胸部變形指數(shù)、粘性指標(biāo)不合格，前者為事故發(fā)生時(shí)胸部受到擠壓后的變形量;后者用胸腔的變形速度與擠壓變形率的乘積進(jìn)行表示;前者法規(guī)最大值為42mm，后者法規(guī)最大值為1.0m·s-1，研究車(chē)輛分別超過(guò)法規(guī)最大值30.4%和56%，同時(shí)對(duì)B柱提出10%輕量化指標(biāo)要求。

3.1優(yōu)化方案設(shè)計(jì)

由于該型轎車(chē)的假人胸部位置變形指數(shù)、粘性指標(biāo)不合格，所以改進(jìn)工作主要集中在降低假人胸部傷害指標(biāo)，而與該指標(biāo)存在直接關(guān)系的是假人胸部位置對(duì)應(yīng)車(chē)體側(cè)面結(jié)構(gòu)的侵入速度，而該侵入速度主要受到車(chē)輛B柱在假人胸部對(duì)應(yīng)位置的侵入量和侵入速度二者影響。因此，對(duì)于車(chē)輛B柱結(jié)構(gòu)的改進(jìn)工作圍繞增強(qiáng)B柱整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、降低侵入量和侵入速度，保證B柱在假人胸部位置的侵入量和侵入速度符合法規(guī)，并最終保證車(chē)內(nèi)假人的空間等內(nèi)容展開(kāi)。原B柱外板采用整體式結(jié)構(gòu)，厚度2mm，制造材料為HC340LA;經(jīng)過(guò)多輪仿真測(cè)試后，確定B柱外板最終結(jié)構(gòu)采用DP780，厚度為1.2mm，在B柱外板中間位置通過(guò)焊點(diǎn)連接增加兩層厚度為1.0mm、材料為DP780的補(bǔ)丁板提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度;并在原有B柱總成發(fā)生褶皺位置設(shè)置缺陷區(qū)用于引導(dǎo)B柱總成變形方式。

3.2優(yōu)化方案驗(yàn)證

采用改進(jìn)后的B柱總成結(jié)構(gòu)，轎車(chē)碰撞初始速度為50km·h-1下侵入量的試驗(yàn)與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，侵入量的仿真計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)偏差小于12%，改進(jìn)B柱總成后的轎車(chē)碰撞仿真模型也較為準(zhǔn)確。表8為改進(jìn)前后參數(shù)對(duì)比。側(cè)面碰撞試驗(yàn)中改進(jìn)后的被試品轎車(chē)各項(xiàng)乘員安全評(píng)價(jià)指標(biāo)全部達(dá)到法規(guī)要求，原先假人胸部位置存在的變形指數(shù)、粘性指標(biāo)不合格情況已經(jīng)改善，胸部變形指數(shù)較法規(guī)要求減少26%，粘性指標(biāo)較法規(guī)要求減少42%。對(duì)于該型轎車(chē)B柱總成的優(yōu)化改進(jìn)效果較為理想，提升了車(chē)輛在側(cè)面碰撞中的乘員安全防護(hù)能力。根據(jù)表中分析結(jié)果，同時(shí)優(yōu)化設(shè)計(jì)后B柱重量為6.28kg，原結(jié)構(gòu)重量為7.89kg，輕量化效果達(dá)到20%。

結(jié)束語(yǔ)

在滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)耐撞性的要求下，熱成形材料替換、增加補(bǔ)丁板、激光拼焊設(shè)計(jì)這3種輕量化設(shè)計(jì)方案都可對(duì)B柱總成進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。而熱成形材料替換方案的最大侵入量和侵入速度最優(yōu)，材料的碰撞安全性最高;在滿(mǎn)足碰撞安全性的前提下，激光拼焊方案和熱成形材料替換方案的輕量化效果基本相當(dāng)，所研究的案例效果達(dá)到16%左右。

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