某MPV車型側(cè)面碰撞的B柱安全設(shè)計與優(yōu)化

龐毅 陳錫文 陳釗

摘 ?要：某MPV車型在側(cè)面碰撞MDB50試驗中，為了減小B柱腰線位置的侵入位移和侵入速度，使B柱的變形為有利于保護乘員的模式，通過采用熱成形且屈服強度達到1500MPa的超高強鋼為B柱加強板，并優(yōu)化B柱加強板腰線位置截面和內(nèi)焊U型板及下部位置開減弱孔的方式，來解決B柱中部位置侵入變形過大的問題。該車型優(yōu)化后在C-NCAP的側(cè)碰試驗中結(jié)果為滿分，證明了B柱優(yōu)化分析的正確性，為MPV車型B柱的安全設(shè)計提供了一種有效的方法。

關(guān)鍵詞：側(cè)面碰撞;B柱加強板;B柱變形模式;優(yōu)化設(shè)計

中圖分類號：U467 ? ? 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1005-2550（2020）05-0090-06

Abstract： In order to reduce the deformation and velocity intrusion of B pillar waist position and to get a better protection occupant deformation model in a MPV side crash test MDB50， it brought an idea by using methods to solve the problem of large deformation at B pillar middle position. The results of vehicle side impact test in C-NCAP is full marks， which proved the correctness of B pillar optimization analysis and provided an effective way for the safety design of MPV B pillar.

Key Words： Side Impact; B Pillar Reinforcement Panel; B Pillar Deformation Mode; Optimization Design

1 ? ?引言

汽車安全法規(guī)C-NCAP的側(cè)面碰撞試驗MDB50，可變形移動壁障以50km/h的速度側(cè)面碰撞車輛，如下圖1所示。當壁障側(cè)面碰撞車輛時，B柱和門檻是兩條主要傳力路徑，B柱的抗彎剛度對側(cè)碰的結(jié)構(gòu)耐撞性能非常重要[1]。而側(cè)面碰撞試驗考慮影響乘員安全的因素很多，如車輛側(cè)面結(jié)構(gòu)侵入速度、侵入量、侵入形態(tài)、車門內(nèi)飾系統(tǒng)的剛度、側(cè)面約束系統(tǒng)以及乘員座椅等[2]。在某MV的汽車側(cè)圍環(huán)境中，如圖2所示，滿足一定抗彎剛度和有較好變形模式的B柱結(jié)構(gòu)可以有效地減少B柱腰線位置的侵入速度和侵入位移，增大車內(nèi)乘員的緩沖空間，實現(xiàn)對乘員更好的安全保護。

側(cè)面碰撞研究的開始階段，是通過碰撞試驗來進行。最初對B柱的安全設(shè)計是通過側(cè)碰試驗的研究形成的“S”變形模式，要點是通過B柱下部的較大變形撞座椅來推開假人，減輕乘員和車身的碰撞接觸。隨著對不同車型B柱變形模式的研究增多，malkusson等，對某轎車B柱的側(cè)碰分析得出變形模式較好的為的“鐘擺式”[3]。國內(nèi)對B柱的變形模式的研究，有湖南大學的張維剛在某轎車開發(fā)時總結(jié)的下部變形類似于“L”[4]，如下圖3所示為不同車型較好的B柱變形模式匯總。

2 ? ?問題分析

2.1 ? 問題說明

某MPV側(cè)面安全碰撞試驗中，由于B柱的抗彎剛度不足，腰線位置侵入變形過大，導(dǎo)致B柱變形模式為中部彎折，如圖4所示，中部正對著乘員的胸部位置，對乘員造成很大損傷。

按照以往車型累積的經(jīng)驗，B柱腰線位置的動態(tài)最大侵入位移一般在140mm左右，侵入速度為7.5m/s，B柱頂部的侵入位移小于30mm。在可變形移動壁障以50km/h的速度側(cè)面碰撞車輛的試驗中，B柱內(nèi)板腰線的動態(tài)最大侵入位移為210mm，侵入速度為10.2m/s，B柱頂部的侵入位移為26mm。B柱中部腰線彎折嚴重，腰線位置侵入速度和頂部傾入位移遠達不到車身結(jié)構(gòu)的安全指標要求。

2.2 ? 理論分析

在側(cè)面碰撞中，人體腹腔內(nèi)部器官的損傷對生命的威脅程度較胸部低，而且侵入速度對假人胸部的變形影響較腹部更加顯著[5]。因此，從乘員損傷防護的角度出發(fā)，首先應(yīng)該減小車體側(cè)圍在人體正常坐姿狀況下胸部位置處的變形和侵入速度[6]。

以某車型的側(cè)面碰撞試驗作為示意圖，分析得到簡化的B柱內(nèi)板動態(tài)力學平衡模型，如圖5為某車型B柱的動態(tài)變形錄像截圖，呈“S”型。一般情況下，移動壁障碰撞側(cè)面碰撞B柱，車頂受力變形相對其它位置較小故簡化為剛接，示意如圖6，根據(jù)達朗貝爾原理[7]得到B柱結(jié)構(gòu)動態(tài)受力平衡如式1所示：

其中，F(xiàn)1 是移動壁障施加在B柱上的力，F(xiàn)2 是假人肩部和胸部在B柱的反作用力，F(xiàn)3 是座椅施加的反力，F(xiàn)4 是地板和底部橫梁的反力。該MPV中胸部肋骨變形較大，故需要降低 F2 的值，由式1可知，F(xiàn)1 一定的情況下，減小 F2 ，即增大 F3 和 F4 的值。

由牛頓第二定律得式2，為了增大力的值，可以減小質(zhì)量和增大該處的加速度值，即開孔或者拼焊較弱的鋼材來增大該位置的侵入。

側(cè)面結(jié)構(gòu)對侵入速度可接受的范圍一般在7～10m/s之間，但相關(guān)文獻表明控制側(cè)面結(jié)構(gòu)的侵入速度在8m/s以下能較好地滿足側(cè)面碰撞乘員安全性能的要求[8]。因此在該MPV車型側(cè)面安全設(shè)計時，強化B柱中上部結(jié)構(gòu)，將B柱內(nèi)板腰線處侵入速度的優(yōu)化目標定在7m/s以下，最大動態(tài)侵入位移控制在140mm以內(nèi)，而弱化B柱下部結(jié)構(gòu)，增大下部的變形侵入。

3 ? ?優(yōu)化B柱解決問題

3.1 ? 提高B柱強度

國際鋼鐵協(xié)會把屈服強度小于210MPa的鋼板歸為軟鋼，屈服強度在210MPa～550MPa之間的稱為高強度鋼，屈服強度大于550MPa以上的為超高強度鋼[9]。一般情況下，高強度鋼板隨著強度的提高，其沖壓成形性能降低、強度越高、成形難度越大，尤其是當強度超過1000MPa時，車身B柱加強板等一些形狀復(fù)雜的零件用常規(guī)的冷沖壓工藝幾乎無法成形[10]。

通過采用熱成形高強度鋼板的新技術(shù)，可以成形強度高達1500MPa的沖壓件。與冷沖壓成形相比，熱沖壓成形的B柱加強板具有成形后板料回彈量很小、零件的貼膜性好、尺寸精度高等優(yōu)點，如圖7所示為熱成形高強度鋼Br1500HS在不同應(yīng)變率下的材料曲線。

在MPV車型的開發(fā)中，通過改變側(cè)面碰撞中主要受力結(jié)構(gòu)B柱加強板的材料，采用熱成形超高強度的鋼板，使B柱的整體抗彎剛度和抗拉強度得到較大提高，進而降低B柱內(nèi)板的侵入速度和位移量。

3.2 ? 優(yōu)化B柱截面

在側(cè)面碰撞試驗中，B柱腰線位置的侵入變形最嚴重，故要在該關(guān)鍵位置優(yōu)化截面形狀。關(guān)鍵截面的特性參數(shù)包括截面材料使用面積S，截面慣性距Iy和Iz，截面扭轉(zhuǎn)常量，截面所包圍的總面積等。優(yōu)化B柱腰線截面時，垂直切割B柱腰線位置形成一個切割面，如圖8所示，使用局部坐標系yoz，B柱位置斷面面積為A，取微面積dA，S為遍及整個斷面面積A的積分，主要反映截面所用材料的多少。Iy和Iz分別為定義對局部坐標系中y軸和z軸的慣性矩，主要反映截面的抗彎性能，Iy和Iz越大，截面的抗彎性能越好。扭轉(zhuǎn)常數(shù)為扭轉(zhuǎn)慣性矩，即單位長度扭轉(zhuǎn)角，其主要反映截面的抗扭性能，扭轉(zhuǎn)常數(shù)越大，抗扭性能越好[11]。

（5）

使用仿真軟件，輸入截面尺寸和材料厚度，可以得到如表1所示的截面轉(zhuǎn)動慣量和扭轉(zhuǎn)常數(shù)的具體數(shù)值，優(yōu)化前后的截面形狀對比如圖7所示，優(yōu)化后B柱腰線位置截面沿X方向尺寸加大，轉(zhuǎn)動慣量和扭轉(zhuǎn)常數(shù)等參數(shù)變大，較大提高了B柱腰線位置的抗彎剛度和抗扭性能。

3.3 ? 修正B柱變形模式

3.3.1 弱化B柱加強板下部

游國忠，陳曉東，等通過拓撲優(yōu)化方法在B柱給定的空間中確定最優(yōu)的材料分布，采用形狀優(yōu)化方法對B柱進行細節(jié)改進，設(shè)計理想的B柱形狀，從而降低關(guān)鍵區(qū)域的變形量[12]。為了使熱成形B柱的材料梯度分布趨于合理，朱敏，等以某轎車為例，基于響應(yīng)面數(shù)值優(yōu)化方法，采用部件碰撞仿真分析，對熱成形B柱加強板的材料性能梯度分布進行了優(yōu)化，得出B柱下部屈服強度最弱的結(jié)論[13]。

根據(jù)以上的分析，為弱化B柱下部結(jié)構(gòu)，通過在MPV車型的B柱加強板下部開孔，減弱下部的局部強度后的變形試驗結(jié)果如圖10所示，侵入速度通過在B柱內(nèi)板位置的加速度傳感器用1000Hz濾波積分一次后得到，如圖11侵入速度優(yōu)化后的侵入明顯比優(yōu)化前的有較大增加，表明弱化B柱下部結(jié)構(gòu)得到較好效果。

3.3.2 強化B柱加強板中上部

為了局部提高B柱中上部位置的抗彎剛度，通過在B柱加強板上部加筋，中部內(nèi)焊U形板，較大提升了B柱中上部位的抗彎性能。圖12為優(yōu)化前T1階段和優(yōu)化后T2階段的B柱腰線位置侵入位移對比，其中最大侵入位移由210mm減小到135mm，圖13的最大侵入速度由10.2m/s減小到6.5m/s。

B柱腰線位置的變形CAE對比如圖14所示，試驗后的B柱的變形如圖15所示，仿真和試驗結(jié)果一致，侵入變形明顯減小，中部彎折得到較大改善。

在側(cè)面碰撞試驗中，圖16為B柱的動態(tài)變形模式錄像截屏，中上部位侵入變形小，下部侵入變形大，整個B柱結(jié)構(gòu)變形是比較好的，類似于“L”的變形模式， 這有利于保護乘員的安全。

4 ? ?試驗結(jié)果對比

在汽車碰撞安全性能的評價法規(guī)中，前排假人的肋骨變形量不大于為4分，變形量超過為0分， ? ? ? ? ? ? ?的前排假人總分為16分[14]。表2為優(yōu)化前T1階段和優(yōu)化后T2階段的整車側(cè)面碰撞試驗結(jié)果，從假人的各部位傷害值結(jié)果來看，優(yōu)化前的得分為12分，優(yōu)化后的試驗結(jié)果為滿分16分，說明該MPV車型的B柱安全優(yōu)化設(shè)計是有效的。

5 ? ?結(jié)論

分析兩次整車碰撞試驗的結(jié)果，B柱腰線的侵入速度和侵入位移明顯減小，變形為中上部小，下部大的較好的類似于“L”的有利模式，而且假人胸部肋骨變形量由優(yōu)化前的46.9mm減小到22.3mm，說明B柱的安全設(shè)計效果明顯，解決了B柱腰線侵入變形大的問題，提升了對乘員的側(cè)面安全保護性能。

歸納該MPV車型的設(shè)計要點，有以下四點：

a、B柱加強板結(jié)構(gòu)采用熱成形的超高強度鋼材，較大提高了B柱結(jié)構(gòu)的強度;

b、優(yōu)化B柱加強板腰線位置截面并在上部布置加強筋，增加上部抗彎剛度的同時，可以有效減少鈑金數(shù)量和材料厚度;

c、在B柱加強板下部位置開減弱孔，開孔后更利于減弱B柱下部的強度，有減重和改善B柱結(jié)構(gòu)變形雙重效果;

d、熱成形超高強鋼B柱加強板結(jié)構(gòu)的設(shè)計和分析，均在仿真的指導(dǎo)下進行，仿真和試驗有很高的一致性，給設(shè)計提供了理論依據(jù)，縮短了開發(fā)周期，節(jié)省了大量的人力成本。

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