基于可制造性的汽車B柱輕量化設(shè)計(jì)分析*

王 濤

(安陽(yáng)工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，河南 安陽(yáng) 455000)

0 引 言

汽車的輕量化設(shè)計(jì)必須以不損失相關(guān)性能為前提。由于強(qiáng)度較高，高強(qiáng)鋼材料主要應(yīng)用于車身結(jié)構(gòu)件和安全件[1]。B柱是汽車側(cè)面最重要的承載結(jié)構(gòu)件，其零件尺寸較大，零件不同部位的承載力具有較大差異，不同材料的激光拼焊很好地滿足了這種需求。激光拼焊B柱設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了材料、加工工藝、零件性能的統(tǒng)一，既保證了零件的性能不損失，也保證了零件實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)[2]。

本文將以汽車B柱為研究對(duì)象，在保證可制造性和碰撞安全性滿足要求的前提下，采用激光拼焊技術(shù)對(duì)其進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。

1 B柱可制造性分析

B柱是汽車側(cè)面位置重要的承載零件，同時(shí)B柱內(nèi)側(cè)安裝有安全帶等重要零部件，因此B柱必須具備足夠的強(qiáng)度，同時(shí)形狀必須與汽車側(cè)面曲線保持一致，這就要求B柱所用材料必須具備較高的強(qiáng)度，同時(shí)也要有良好的成形性能[3]。

本文將零件模型以IGS格式導(dǎo)入Autoform軟件中，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建工藝補(bǔ)充面及壓料面。由于臺(tái)階處拉延深度較深，臺(tái)階又分布在產(chǎn)品內(nèi)側(cè)，進(jìn)料困難，需要添加工藝補(bǔ)充面，并采用大圓弧過渡，以免拉深時(shí)開裂。工藝補(bǔ)充面必須保證切邊強(qiáng)度及過渡光順[4]。筆者在此基礎(chǔ)上偏置出壓邊圈、凸模、凹模，建立有限元模型。

本零件采用異形原料，原設(shè)計(jì)選用DP600牌號(hào)，板料厚度為2.2 mm，長(zhǎng)寬方向分別為1 485 mm×650 mm，摩擦系數(shù)取0.15，單位壓邊力為F=500 kN，計(jì)算精確度按常規(guī)進(jìn)行計(jì)算[5]。通過設(shè)置各項(xiàng)參數(shù)后提交計(jì)算，進(jìn)行有限元模擬分析，可以得到FLD圖、成形性能、變薄率、材料厚度、主次應(yīng)變等分析結(jié)果。

仿真分析獲得成形后零件的厚度、減薄率和Z向回彈量分布云圖如圖1所示。

圖1 成形后零件厚度、減薄率和Z向回彈量分布云圖

由圖1可知：零件成形后網(wǎng)格應(yīng)變分布接近成形極限曲線FLC，在部分區(qū)域有破裂趨勢(shì)；最大減薄出現(xiàn)在底端側(cè)壁處，最大減薄率為19.6%；Z向回彈量最大最小值分別為2.48和-2.45。

筆者以成形極限圖FLD作為判斷成形發(fā)生破裂的標(biāo)準(zhǔn)，并以最大減薄率判斷成形性能的好壞，最大減薄率越小則成形性能越好。

2 輕量化方案設(shè)計(jì)

2.1 拼焊線初始位置設(shè)計(jì)

考慮側(cè)面碰撞侵入量和侵入速度對(duì)乘員的傷害影響，并參照乘員在車內(nèi)的位置[6]，需要在B柱零件上部使用較高強(qiáng)度材料。零件下部門檻位置需使用較低強(qiáng)度材料，在側(cè)面碰撞中起到吸能作用，對(duì)上部碰撞產(chǎn)生緩沖[7-8]。

焊縫設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 焊縫位置設(shè)計(jì)

由圖2可知：在保證乘員頭部胸部安全的前提下，需要使B柱上部具有高強(qiáng)度和剛度，焊縫須布置在乘員腰部以下，即距離底端540 mm以下；B柱底部寬，并且有較大的凸臺(tái)設(shè)計(jì)，焊縫須避讓此凸臺(tái)，布置在距離底部380 mm以上；初始焊縫位置選取藍(lán)距離B柱底端460 mm處。

2.2 拼焊材料選定

原材料為DP600，在輕量化設(shè)計(jì)中，B柱上部(A區(qū))需要使用高強(qiáng)度級(jí)別的3種材料：DP600、DP800、DP1000，厚度選定1.6 mm、1.8 mm、2.0 mm；B柱下部(B區(qū))使用稍低強(qiáng)度級(jí)別的材料：DP500、DP600、DP800，厚度選定1.4 mm、1.6 mm、1.8 mm。

以四因素三水平設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，得到的零件拼焊材料正交試驗(yàn)方案如表1所示。

表1 拼焊材料正交試驗(yàn)方案

本研究按照表1試驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)，設(shè)置拼焊材料進(jìn)行仿真建模，分別進(jìn)行計(jì)算。

經(jīng)過計(jì)算分析，各方案可制造性分析結(jié)果如表2所示。

表2 各方案可制造性分析結(jié)果

由表2分析結(jié)果對(duì)比可知：在9個(gè)試驗(yàn)中，試驗(yàn)1、2、4成形后沒有發(fā)生破裂，屬于拼焊有效數(shù)據(jù)，其他均發(fā)生破裂，屬于無效數(shù)據(jù)；試驗(yàn)7、8、9中，B柱零件上部選取DP1000時(shí)，成形均發(fā)生破裂；試驗(yàn)4、5、6中，零件上部選取DP800時(shí)，只有在下部選取DP500(試驗(yàn)4)，并且拼焊材料無差厚時(shí)才可以成功完成沖壓。當(dāng)上部使用DP800、下部使用DP600時(shí)(試驗(yàn)5)，差厚達(dá)到了0.6 mm，不能成形此零件，且開裂部位在焊縫位置；試驗(yàn)1、2、3中，上部使用DP500時(shí)，下部使用DP500和DP600都能成形該零件，下部使用DP800時(shí)，不能成形。

由此可知：零件上部可以使用DP800，下部可以使用DP600，差厚要小于0.6 mm。

2.3 焊縫位置確定

本研究以試驗(yàn)4為基礎(chǔ)，找出焊縫的最佳位置。前文提到焊縫選取位置區(qū)域較寬，中心線為距離B柱底端為460 mm。在可選取的范圍內(nèi)每隔40 mm選取5條拼焊線，分別為距離底部540 mm、500 mm、460 mm、4 200 mm、380 mm。隨拼焊線向底部移動(dòng)，危險(xiǎn)區(qū)域的最大減薄率并不是線性增減，而是在距離380 mm拼焊線位置出現(xiàn)最小值22.1%。

危險(xiǎn)區(qū)域最大減薄率η與距離底部距離d之間的關(guān)系如圖3所示。

圖3 危險(xiǎn)區(qū)域最大減薄率與距離底部距離的關(guān)系

由圖3可知：在可選取范圍內(nèi)，將焊縫位置確定為距離底端380 mm的位置。

2.4 拼焊材料厚度確定

從表2數(shù)據(jù)可以知道，零件上部選取DP800時(shí)，只有在下部選取DP500(試驗(yàn)4)，并且拼焊材料無差厚時(shí)才可以成功完成沖壓。當(dāng)上部使用DP800、下部使用DP600時(shí)(試驗(yàn)5)，差厚達(dá)到了0.6 mm，不能成形此零件，且開裂部位在焊縫位置。

在差厚小于0.6 mm的前提下，對(duì)試驗(yàn)5進(jìn)行細(xì)致的拼焊材料厚度設(shè)計(jì)如表3所示。

表3 拼焊材料厚度設(shè)計(jì)

由表3可知：基于上部為DP800、下部為DP600拼焊材料時(shí)，當(dāng)拼焊材料厚度差在0.2 mm、0.4 mm時(shí)均可以成形。

3 汽車B柱側(cè)面碰撞安全性分析

3.1 側(cè)面碰撞仿真模型

以某轎車為研究對(duì)象，按照法規(guī)要求，基于VPG建立側(cè)面碰撞模型[9-10]，B柱原始設(shè)計(jì)材料為DP600，厚度為2.2 mm，碰撞仿真時(shí)間設(shè)定為150 ms。

3.2 側(cè)面碰撞B柱變形分析

本研究采用模型進(jìn)行分析，獲得側(cè)面整車碰撞中能量變化曲線如圖4所示。

圖4 側(cè)面整車碰撞能量變化曲線

由圖4可知：整個(gè)過程中能量變化平穩(wěn)，碰撞前后系統(tǒng)的總能量保持平衡。沙漏能的最大值為4.11 kJ，而整個(gè)碰撞過程中的總能量大約為91.5 kJ，車體通過碰撞變形吸收50.23 kJ，動(dòng)能下降至54.34 kJ，沙漏能最大值約占總能量的4.49%，符合5%的要求，可見仿真結(jié)果是可靠的。

3.3 側(cè)面碰撞B柱侵入速度及侵入量分析

(1)側(cè)面碰撞性能指標(biāo)。根據(jù)C-NCAP整車側(cè)面碰撞變形測(cè)試分析方法[11-12]，在B柱對(duì)應(yīng)位置選取測(cè)量點(diǎn)，如圖5所示。

圖5 B柱側(cè)面碰撞測(cè)點(diǎn)選取

(2)側(cè)面碰撞B柱性能。以材料為DP600，厚度為2.2 mm，對(duì)B柱進(jìn)行側(cè)碰仿真分析。

選取C-NCAP 側(cè)面碰撞工況，碰撞速度為50 km/h，B柱側(cè)碰結(jié)果性能如表4所示。

表4 B柱側(cè)碰結(jié)果性能

由表4可知：基于原始設(shè)計(jì)材料及厚度的B柱側(cè)碰性能都滿足目標(biāo)要求；從數(shù)值上看，在保證側(cè)碰安全性的基礎(chǔ)上，B柱還有優(yōu)化空間。

4 B柱輕量化方案?jìng)?cè)碰安全性分析

4.1 B柱輕量化設(shè)計(jì)方案

根據(jù)B柱可制造性分析結(jié)果可知：B柱采用激光拼焊板結(jié)構(gòu)可以將高強(qiáng)鋼DP800應(yīng)用到該結(jié)構(gòu)上，并且在保證成形性能的基礎(chǔ)上，厚度也可以降低，實(shí)現(xiàn)車身零部件的輕量化設(shè)計(jì)。根據(jù)B柱成形分析結(jié)果，拼焊板結(jié)構(gòu)B柱上部材料A區(qū)用DP800，下部材料B區(qū)采用DP600，并且由于要保證人的頭部和胸部等關(guān)鍵位置，上部材料A區(qū)還需要一定的剛度和安全性，厚度應(yīng)該不小于下部材料B區(qū)的厚度。

因此，B柱優(yōu)化設(shè)計(jì)方案如表5所示。

表5 B柱優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

4.2 B柱輕量化方案安全性分析

本研究將6種優(yōu)化方案分別進(jìn)行側(cè)面碰撞分析，可得到B柱各測(cè)點(diǎn)的側(cè)碰侵入量和侵入速度性能指標(biāo)，分別如表(6～7)所示。

表6 B柱侵入量性能指標(biāo)對(duì)比

表7 B柱侵入速度性能指標(biāo)對(duì)比

各方案減重效果及側(cè)碰安全性評(píng)級(jí)結(jié)果如表8所示。

表8 各方案減重效果及側(cè)碰安全性評(píng)級(jí)結(jié)果

由表(6～8)中數(shù)據(jù)對(duì)比可知：方案5在保證側(cè)碰性能達(dá)到5星的前提下，B柱厚度可以減小的值最大；方案6的側(cè)碰結(jié)果不理想，侵入量和侵入速度都超出了設(shè)計(jì)目標(biāo)值。

因此，該B柱選擇拼焊板結(jié)構(gòu)，上部材料為DP800，厚度為1.8 mm，下部材料為DP600，厚度為1.6 mm。

4.3 B柱輕量化效果分析

經(jīng)過優(yōu)化，汽車B柱的質(zhì)量從4.449 kg減小到3.50 kg，減重21.3%。可見在汽車B柱上采用激光拼焊技術(shù)，能夠提高B柱在側(cè)面碰撞中的安全性能，減輕B柱的質(zhì)量，有效平衡耐撞性和輕量化的雙重要求。

5 B柱輕量化方案實(shí)施效果檢測(cè)

該車型B柱從設(shè)計(jì)到試模，再到最后批量生產(chǎn)經(jīng)歷了1.5年的時(shí)間；并且根據(jù)可制造性分析和安全性分析數(shù)據(jù)進(jìn)行了模具設(shè)計(jì)，在實(shí)際生產(chǎn)過程中很少出現(xiàn)沖壓開裂的情況。

5.1 型面公差

試模過程中，根據(jù)可制造性分析結(jié)果，實(shí)時(shí)調(diào)整沖壓工藝參數(shù)(壓邊力、模具間隙、涂油量等)[13]，在檢具上對(duì)零件的型面公差進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)點(diǎn)選取如圖6所示。

圖6 檢測(cè)點(diǎn)選取

B柱檢具檢測(cè)結(jié)果如表9所示。

表9 B柱檢具檢測(cè)結(jié)果

5.2 最大減薄率

對(duì)試生產(chǎn)的B柱進(jìn)行厚度測(cè)量，B柱零件的最大減薄率如表10所示。

表10 B柱最大減薄率

由表(9～10)可知：通過調(diào)整沖壓工藝參數(shù)，B柱產(chǎn)品經(jīng)檢測(cè)后，型面合格率100%，最大減薄率21.1%，符合主機(jī)廠設(shè)計(jì)要求。

5.3 側(cè)碰安全性分析

本研究將試生產(chǎn)后的零件進(jìn)行裝車，利用汽車碰撞臺(tái)架，根據(jù)C-NCAP測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)[14-18]，對(duì)側(cè)碰安全性進(jìn)行分析，選取與仿真過程相同的檢測(cè)點(diǎn)，獲取最大侵入量和侵入速度值。仿真與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的最大侵入量和侵入速度對(duì)比，如表11所示。

表11 最大侵入量和侵入速度對(duì)比

由表11可知：試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)，滿足五星的標(biāo)準(zhǔn)；并且試驗(yàn)值和仿真值基本一致，最大誤差控制在4%以內(nèi)，滿足碰撞法規(guī)要求，表明分析結(jié)果是可靠的。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文以汽車B柱為研究對(duì)象，在保證可制造性和碰撞安全性滿足要求的前提下，對(duì)其進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)，主要結(jié)果如下：

(1)將材料優(yōu)化為拼焊板材料，針對(duì)拼焊材料、焊縫位置以及厚度，對(duì)零件優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)果表明：上部材料可以選用DP800牌號(hào)，下部可以選用DP600牌號(hào)，厚度差須在0.4 mm以內(nèi)；

(2)通過不同焊縫位置對(duì)成形性能影響的仿真模擬，確定焊縫位置距離底端380 mm處最優(yōu)；

(3)在B柱在側(cè)面碰撞中，以侵入量和侵入速度為評(píng)價(jià)目標(biāo)，最終確定材料組合為DP800/DP600，厚度為1.8 mm/1.6 mm，質(zhì)量減重21.3%；

(4)B柱試生產(chǎn)后的產(chǎn)品型面合格率100%，最大減薄率21.1%，符合主機(jī)廠設(shè)計(jì)要求；

(5)側(cè)面碰撞測(cè)試結(jié)果滿足五星的標(biāo)準(zhǔn)；仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，誤差在4%以內(nèi)，分析模型和結(jié)果可靠。