無(wú)中頂橫梁車身B柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

王洪利 李萬(wàn)莉

摘 ?要：本文對(duì)無(wú)中頂橫梁車身B柱加強(qiáng)板總成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。分析了市場(chǎng)變化對(duì)車身設(shè)計(jì)的影響。研究了B柱加強(qiáng)板總成結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，針對(duì)6種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行成本重量、結(jié)構(gòu)、工藝等對(duì)比分析。進(jìn)而通過(guò)CAE仿真分析，改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。最后根據(jù)設(shè)碰撞安全法規(guī)對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，論證設(shè)計(jì)可行性。本文研究的無(wú)中頂橫梁車身B柱加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，滿足碰撞法規(guī)要求;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理;車身強(qiáng)度和扭轉(zhuǎn)剛度以及吸能潰縮形式良好。

關(guān)鍵詞：無(wú)中頂橫梁車身;B柱加強(qiáng)板;CAE仿真

中圖分類號(hào)：U463 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1005-2550（2021）03-0100-06

Structure Design of B-pillar of Car Body Without Middle Roof Crossbeam

WANG Hong-li1， LI Wan-li2

（1.Shanghai Weilai Automobile Co.， Ltd.， 201800， Shanghai ， China;

2.Tongji University， Shanghai 201800， China ）

Abstract： Based on a project of Steel and Al mixed BIW structure， which is no CTR ROOF BOWL， I studied how to design a reasonable B PLR REINF ASM. Comparison the cost、weight、feasibility、process plant to choose the reasonable one from the 6 proposals. Thirdly， CAE support run the side impact and roof crash， and structure optimization support by CAE topology. Finally， develop a reasonable B PLR REINF ASM matched the NCAP & regulations structure.

Key Words： ?No CTR ROOF BOWL; B PLR REINF; ?CAE Topology

王洪利

畢業(yè)于江蘇科技大學(xué)，學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)就職于上海蔚來(lái)汽車有限公司，任車身內(nèi)外飾部上車身經(jīng)理。

1 ? ?引言

1.1 ? 選題的背景及意義

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展。汽車總量大幅提升使得車身安全變得更加重要。我國(guó)的也在逐步完善自己的新車評(píng)價(jià)方式。

CNACP中對(duì)正碰，側(cè)碰和40%偏置碰和頂壓的示意簡(jiǎn)圖如下：

伴隨新能源的快速發(fā)展，新材料應(yīng)用比例逐年增加。碳纖維和鋁尤為明顯。碳纖維是一種含碳量在95%以上，具有高強(qiáng)度和高模量的新型纖維材料[1]。鋁材以優(yōu)良的機(jī)械性能和高效的材料可回收性，在汽車行業(yè)廣泛認(rèn)可，成為汽車制造的重要選材之一，其整車占比大幅提升[2]。

鋁材具有重量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕性好的特點(diǎn)。達(dá)到同樣的力學(xué)性能指標(biāo)，鋁比鋼輕47%[3]。

同時(shí)由于用戶需求導(dǎo)向，車身結(jié)構(gòu)從金屬頂蓋到玻璃天窗進(jìn)而發(fā)展到整個(gè)玻璃天幕的轉(zhuǎn)變，相應(yīng)產(chǎn)生了一種沒(méi)有中頂橫梁的車身設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)和安全目標(biāo)上，在面對(duì)車身碰撞和頂壓時(shí)，相對(duì)于有中頂橫梁車身都更加嚴(yán)苛。本文所研究車型性能定義目標(biāo)為中保研側(cè)碰5星。也就意味著要求碰撞發(fā)生后B柱結(jié)構(gòu)的侵入量距離H點(diǎn)的XZ平面距離>=125mm。

2 ? ?經(jīng)典B柱設(shè)計(jì)和法規(guī)介紹

2.1 ? 經(jīng)典B柱加強(qiáng)板總成結(jié)構(gòu)

B柱加強(qiáng)板是BIW中部最重要的性能和功能零件之一。其設(shè)計(jì)輸入如下：第一，造型和PKG限制;第二，電子電器內(nèi)外飾安裝功能和門蓋需求輸入;第三，碰撞性能需求。簡(jiǎn)列如圖3。

2.2 側(cè)碰和頂壓法規(guī)介紹

和B柱相關(guān)的法規(guī)有側(cè)碰和頂壓兩大類。B柱在側(cè)碰和頂壓中所扮演的角色是不一樣的。側(cè)碰中，B柱是保護(hù)乘員艙內(nèi)人員在側(cè)碰發(fā)生時(shí)不被傷害的基礎(chǔ);頂壓發(fā)生時(shí)，B柱的主要作用是在發(fā)生車頂受壓或者翻滾時(shí)防護(hù)乘員艙內(nèi)人員的頭部生存空間不被擠壓。

2.2.1 側(cè)碰法規(guī)介紹

C-NACP采用變形移動(dòng)壁障側(cè)碰試驗(yàn)來(lái)部分評(píng)價(jià)車內(nèi)乘員安全性。在側(cè)碰法規(guī)當(dāng)中相對(duì)嚴(yán)苛度的IIHS，和C-NACP的不同主要體現(xiàn)如下：

2.2.2 頂壓法規(guī)介紹

車頂強(qiáng)度試驗(yàn)為準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)試。通過(guò)剛性壓板位移量127mm范圍內(nèi)測(cè)得的峰值載荷與整備質(zhì)量之比來(lái)評(píng)價(jià)頂壓等級(jí)。中保研和IIHS的頂壓評(píng)價(jià)方式一致，如圖5：

2.3 ? 車身結(jié)構(gòu)相應(yīng)的設(shè)計(jì)思路

針對(duì)法規(guī)和性能需求B柱傳力方式的設(shè)計(jì)已經(jīng)趨于成熟，B柱上部整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定不變形保證乘客頭部生存空間，B柱下部通門檻結(jié)構(gòu)一起潰縮吸收能量保護(hù)大腿和軀干生存空間。下圖為馬自達(dá)Euro-Car Body側(cè)碰傳力方式設(shè)計(jì)，和IIHS中對(duì)B柱結(jié)構(gòu)變形的評(píng)價(jià)方式。

3 ? ?無(wú)中頂橫梁B柱設(shè)計(jì)

3.1 ? 市場(chǎng)需求對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)新挑戰(zhàn)

B柱在安全性能之外的設(shè)計(jì)輸入主要來(lái)自三方面：1-更大的視野和采光空間;2-更大的頭部肩部Z/Y向空間;3-車身輕量化。

3.1.1 更大的視野、采光、頭部空間的影響

B柱的內(nèi)外限制在軸距以及內(nèi)外造型確認(rèn)之后就基本定型了，更多的乘客需求空間就需要從結(jié)構(gòu)本身入手。壓縮B柱Y向斷面同時(shí)取消中頂橫梁的車身結(jié)構(gòu)因此產(chǎn)生。B柱截面對(duì)比如下：

3.1.2 更輕的車身重量對(duì)結(jié)構(gòu)的要求

輕量化是汽車行業(yè)不變的主題，由此催生了鋁材的大面積應(yīng)用。1992年，美國(guó)鋁業(yè)協(xié)會(huì)的一份報(bào)告稱，整車鋼改為鋁，平均用鋁量將達(dá)到454kg[4]。

新能源汽車出于對(duì)電池的保護(hù)將門檻由鋼改為鋁擠出可以降重16Kg。鋼鋁混合的產(chǎn)生對(duì)B柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選型以及連接方式提出了更大的挑戰(zhàn)。

3.2 ? 無(wú)中頂橫梁B柱設(shè)計(jì)

B柱設(shè)計(jì)都是在滿足功能/安全/空間的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)成本和重量最優(yōu)的車身結(jié)構(gòu)。無(wú)中頂橫梁的難點(diǎn)在于如何分解優(yōu)化碰撞中的能量傳遞，設(shè)計(jì)潰縮位置。以及克服鋼鋁混合車身中的連接挑戰(zhàn)。

3.2.1 材料選擇對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在有限斷面空間的前提下，B柱的材料需要選擇屈服強(qiáng)度非常高，并且連接和成型良好的零件材料?；谠O(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)以及競(jìng)品的研究數(shù)據(jù)。進(jìn)而開(kāi)發(fā)了幾種設(shè)計(jì)思路，如圖8。

方案一，等厚板方案在各OEM大范圍使用，工藝成熟質(zhì)量品控穩(wěn)定。吸能效果不滿足性能需求，輕量化效果不明顯。

方案二，連續(xù)可變料厚TRB板可以大幅提升輕量化能力，并滿足性能需求。然而在進(jìn)行SPR鋼鋁（側(cè)圍外板）連接時(shí)，不具備量產(chǎn)可行性（TRB的厚度超過(guò)了1.6mm）。SPR-自穿刺鉚接技術(shù)作為汽車白車身的主要連接方法之一，它可實(shí)現(xiàn)同種或異種材料的多層搭接[5] 。SPR連接鋼鋁的可行性實(shí)驗(yàn)圖如下。

方案三，連續(xù)可變料厚TRB板并在B柱下采用軟區(qū)。方案三在方案二基礎(chǔ)上輕量化優(yōu)勢(shì)更加明顯。下部的軟區(qū)工藝可以明顯提升側(cè)碰中的吸能潰縮能力。然而基于CAE模擬中TRB料厚仍大于1.6mm，超出SPR連接熱成型的能力。

方案四，單一料厚熱成型/同時(shí)增加補(bǔ)丁板/再配合B柱下部軟區(qū)方案。料厚配比為B柱加強(qiáng)板1.2+補(bǔ)丁板2.0mm。補(bǔ)丁板方案近些年比較流行，是在未加熱前的主結(jié)構(gòu)板料上焊接一個(gè)補(bǔ)丁結(jié)構(gòu)，然后在加熱后整體送入熱成型模具內(nèi)成型。方案四在滿足輕量化需求的前提下達(dá)到了功能和性能目標(biāo)。

方案五，單一料厚熱成型/同時(shí)增加TRB補(bǔ)丁板/再配合B柱下部軟區(qū)方案。方案五是方案四的性能進(jìn)階方案。CAE模擬中其輕量化效果和性能結(jié)果比方案四更進(jìn)一步。不過(guò)此方案對(duì)模具工藝和焊接工藝要求極為苛刻，同時(shí)成本很高。

方案六，TRB熱成型本體/同時(shí)增加單一料厚補(bǔ)丁板/再配合B柱下部軟區(qū)方案。方案六也是方案四的性能進(jìn)階方案。CAE模擬中其輕量化效果和性能結(jié)果比方案四更進(jìn)一步。不過(guò)此方案的B柱本體料厚仍大于1.6mm不符合量產(chǎn)熱成型SPR范圍。

綜合6種方案的性能和功能情況以及成本參考，方案四-單一料厚熱成型，同時(shí)增加補(bǔ)丁板，再配合B柱下部軟區(qū)方案作為CAE虛擬驗(yàn)證的基礎(chǔ)。

4 ? ?B柱性能仿真分析

CAE仿真模擬的基礎(chǔ)是建立一個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可行的3D模型。之后將3D參數(shù)化建模的CATIA模型導(dǎo)入LS-DYNA的Mseh模型中。模型優(yōu)化校準(zhǔn)并輸入性能參數(shù)，連接參數(shù)等形成性能仿真模擬的基礎(chǔ)。

4.1 ? 基于模擬結(jié)果的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和材料選型

初次計(jì)算結(jié)果顯示B柱結(jié)構(gòu)有三部分需要優(yōu)化。1-在B柱下靠近門檻位置吸能潰縮不充分;2-在B柱加強(qiáng)板中間出現(xiàn)彎折;3-B柱上端和CANT RAIL的連接以及傳力不理想。如圖11，所示：

4.1.1 下B柱吸能區(qū)/中上部連接及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

基于側(cè)碰結(jié)果分析，B柱下部軟區(qū)在側(cè)碰發(fā)生時(shí)吸能不夠充分，需要將軟區(qū)的分界位置升高到B柱下鉸鏈區(qū)域，讓其變形更徹底。

和B柱下部的方式不同，B柱上的結(jié)構(gòu)理念是穩(wěn)定的B柱整體抵抗側(cè)碰變形，進(jìn)而保證乘員艙內(nèi)人員的生存空間。CAE模擬結(jié)果顯示B柱上部的受力沒(méi)有良好的傳遞給CANT RAIL，導(dǎo)致中部彎折。建議延長(zhǎng)B柱內(nèi)板的patch長(zhǎng)度，提升整體結(jié)構(gòu)剛度，讓壁障撞擊位置的力可以傳遞給CANT RAIL使B柱上部整體抵抗側(cè)碰不潰縮。優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)如下圖12所示：

基于優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)重新建模再次仿真的結(jié)果滿足法規(guī)性能5星的標(biāo)準(zhǔn)。

5 ? ?結(jié)論

本文初步探討有無(wú)中頂橫梁的B柱結(jié)構(gòu)的不同設(shè)計(jì)理念。從空間布置，顧客需求，車身碰撞，以及輕量化等方面考量對(duì)B柱設(shè)計(jì)的影響。研討了6種設(shè)計(jì)方案，通過(guò)對(duì)選中的一種結(jié)構(gòu)進(jìn)行CAE有限元模擬，總結(jié)優(yōu)化了一種滿足大批量生產(chǎn)的B結(jié)構(gòu)方案。

方案四，單一料厚熱成型/同時(shí)增加補(bǔ)丁板/再配合B柱下部軟區(qū)方案。料厚配比為B柱加強(qiáng)板1.2+補(bǔ)丁板2.0mm。本方案在輕量化的前提下，滿足安全和功能需求的同時(shí)克服了鋼鋁連接的難點(diǎn)。無(wú)中頂橫梁的B柱結(jié)構(gòu)的應(yīng)用對(duì)車內(nèi)人員空間和視野以及整車透光度帶來(lái)的巨大進(jìn)步。

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