6種高強鋼材質的汽車B柱耐碰撞性能對比研究

孟慶剛 海超 郭曉靜

（本鋼板材股份有限公司技術研究院，本溪117000）

1 前言

出于節(jié)能環(huán)保需要，全世界都對汽車的燃油消耗量和尾氣排放量都進行了嚴格的限制。為了能夠達標，各大車企均采用了相似的應對措施：提高發(fā)動機的燃油效率和車身輕量化。研究表明，車身重量減少10%，可以節(jié)省燃油5%～6%[1]。

車身輕量化就是在保證汽車強度、剛度、耐久性和安全性的前提下進行的減重。目前主要通過以下3種方式實現(xiàn)[2-4]：一是采用低密度的鋁合金或復合材料替代鋼；二是進行零件的拓撲優(yōu)化，去除零件上不承受載荷的部分；三是使用高強鋼替代普通鋼種，并在保證安全與承載能力的前提下進行減薄，從而實現(xiàn)車身輕量化。本研究基于顯式有限元程序LS-DYNA的碰撞模擬，以車身B柱為研究對象，對上述第3種方式進行研究。

B柱位于兩側車身的中間，在車身側碰測試中起到防止車身變形、保護車內乘客的作用。因此，B柱通常都采用高強鋼制造，是整個車身中強度最高零件之一[5-6]。采用本溪鋼鐵集團生產的5種典型高強鋼，系統(tǒng)地研究了鋼板厚度對這5種高強鋼B柱耐沖擊性能的影響。

2 有限元模型

2.1 車身B柱與MDB模型

碰撞發(fā)生在車身B柱與移動變形壁障（Movable Deformable Barrier，MDB）之間。MDB模型遵循美國IIHS碰撞標準，主要由位于前端蜂窩鋁板和后端的剛性體臺車組成，總重量1.5 t。蜂窩鋁板完全被5251鋁合金薄板包裹，在碰撞過程中起到緩沖吸能的作用。為了避免實體單元與殼單元之間出現(xiàn)接觸問題，在蜂窩鋁板與包裹鋁合金薄板之間添加1層空材料，這種材料沒有質量沒有強度，不會對碰撞結果產生任何影響。車身B柱與MDB模型如圖1所示。

圖1 有限元碰撞模型

2.2 材料模型

計算過程將B柱分別賦予6個鋼種。這6個鋼種的力學性能曲線取自靜態(tài)拉伸試驗，然后將試驗所得的工程應力應變曲線轉化為真應力真應變曲線，并輸入至有限元程序中作為材料模型。

高強鋼的延伸率會隨著強度的提高而逐漸降低。6個鋼種中，延伸率最高的是DP590，其工程延伸率大約為25%，如果直接將曲線輸入至有限元程序中會導致計算錯誤。為了避免出現(xiàn)這一問題，行業(yè)內的普遍做法是選擇合適的本構方程進行擬合與延長，直至真應變等于1處，并且要求所有曲線在擬合過程中不得發(fā)生交叉。本研究采用的本構方程見公式1。

式中，σ為真應力；ε為真應變；ε0為材料發(fā)生屈服變形時的真應變；k和n均為待定的系數(shù)。

延伸后的曲線如圖2所示。

圖2 各種材料的真應力真應變曲線

2.3 約束、初始條件及接觸

為了最大程度地還原車身側碰過程，需要對B柱模型最上2層和最下2層節(jié)點施加3個坐標軸方向的平動約束。MDB模型所有節(jié)點均在水平面內運動，初始運動速度設為18 km/h。

車身B柱與前端蜂窩結構之間采用雙面接觸，蜂窩鋁板與包裹鋁合金薄板中之間均采用自接觸。剛性車體與蜂窩結構之間采用剛體梁連接，剛性車體的零件之間為剛體全約束連接。

3 計算結果與討論

3.1 基于最大位移的結果評價

表1為不同材質和厚度的B柱在經受沖擊變形后表面節(jié)點的最大位移量。使用此表中數(shù)據(jù)，繪制三維曲面圖，結果如圖3所示。由圖可知，該B柱經沖擊變形后，其表面節(jié)點的最大位移與鋼板的厚度和強度均呈負相關。這就意味著，鋼板越厚，強度越高，B柱的彎曲變形量就越小，該結果與直觀經驗相符。

圖3 B柱表面節(jié)點侵入位移與鋼種和厚度之間的關系

表1 B柱表面節(jié)點最大位移與鋼種和厚度之間的關系mm

圖3中的等高線大致呈對角線分布，即1.5 mm厚度的DP590與1.2 mm厚度的DP780的最大位移基本一致，2.0 mm厚度的DP590、1.5 mm厚度的DP780與1.2 mm厚度的MS11800三者的最大位移量基本一致，依次類推。如果單純考慮最大位移量，這些最大位移量相近似的材質和厚度之間，就可以互相替換，將厚板替換為薄板，即可實現(xiàn)車身輕量化的目的。

3.2 關于壓潰現(xiàn)象的討論

不同鋼種、厚度1.2 mm和2.0 mm的B柱經沖擊變形后的形狀如圖4所示。

當MDB撞擊B柱時，B柱節(jié)點13～16部分與MDB發(fā)生直接接觸，作用力巨大，所以該處節(jié)點均發(fā)生了較大的位移。與此同時，由于該處較為粗壯，變形難度較大，所以會將撞擊力傳到至其他部位，最終導致B柱中上部發(fā)生明顯的壓潰折彎，如圖4中圓圈標識處。尤其是對于變形難度較大的高強鋼更容易發(fā)生此類現(xiàn)象。

高強度的厚板B柱，例如1.5 mm和1.8 mm厚度的PHS2000、1.8 mm和2.0 mm厚度的PHS1800均出現(xiàn)了嚴重的壓潰折彎現(xiàn)象，如圖4中的圓圈內標識部分。因為壓潰后的B柱已經處于失穩(wěn)狀態(tài)，所以不能起到任何保護作用，在選材時應將此類鋼板排除在外或者重新進行設計，并對壓潰處進行加強處理。

圖4 B柱經撞擊后的形狀

在B柱表面由上至下均勻選取19個節(jié)點，如圖1a所示，并記錄經碰撞變形后各個節(jié)點的位移，制成曲線，如圖5所示。圖5中可以觀察到的規(guī)律與圖4類似：鋼板強度越高，厚度越大，就越容易在B柱上部發(fā)生壓潰現(xiàn)象。1180級別以上的鋼板均出現(xiàn)了不同程度的壓潰現(xiàn)象，相反，薄規(guī)格的DP780和DP590卻并未出現(xiàn)這類失穩(wěn)現(xiàn)象。

圖5 不同鋼種的B柱，經撞擊后的表面節(jié)點位移分布

未發(fā)生折彎失穩(wěn)現(xiàn)象的鋼板包括1.2 mm、1.5 mm和1.8 mm厚度的DP590，以及1.5 mm和1.2 mm厚度的DP780。在經受沖擊后，這5種B柱的最大侵入位移對比如圖6所示。其中1.5 mm厚度DP780和1.8 mm厚度DP590厚度對應的最大侵入位移相近，但是DP780鋼板卻更薄，能夠有效減重，所以應為該B柱的最佳材質。如果主機廠能夠修改B柱，對B柱上部進行加強防止出現(xiàn)壓潰現(xiàn)象，才可以考慮采用更高強度的鋼板。

圖6 5種B柱的最大侵入位移對比

4 結論

a.基于抵御碰撞性能，1.5 mm厚度的DP780既能有效抵抗臺車的碰撞侵入又不發(fā)生壓潰變形，所以是該B柱的最佳選材方案；

b.碰撞后，B柱被侵入位移隨著鋼板強度和厚度的增加而逐漸減小，但是高強度厚規(guī)格的鋼板制成的B柱容易在上部發(fā)生壓潰變形，所以不適合作為B柱選材；

c.根據(jù)碰撞模擬結果，必須在對該B柱的上部易壓潰處進行加強處理后才可選用高強度低厚度的熱成型鋼，實現(xiàn)車身的輕量化。