汽車拼焊B柱成型工藝與耐撞性分析*

黃彬兵，李少鵬，許述財(cái)

（1.運(yùn)輸車輛檢測、診斷與維修技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南250357；2.清華大學(xué)蘇州汽車研究院（相城），蘇州215133；3.清華大學(xué)，汽車安全與節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100084）

前言

隨著新能源汽車和智能駕駛的不斷發(fā)展，像五菱宏光mini等微型電動車越來越受到青睞，微型電動汽車的耐撞性備受關(guān)注。由于微型電動汽車空間狹小，駕駛員與側(cè)面結(jié)構(gòu)的空間距離較?。?-3］，在側(cè)撞時(shí)，可用于設(shè)計(jì)的吸能結(jié)構(gòu)空間有限，駕駛員更易受到側(cè)面沖擊傷害。B柱作為汽車側(cè)撞保護(hù)的主要屏障，其結(jié)構(gòu)工藝、吸能特性關(guān)系到駕駛員的損傷情況［4］。因此，在滿足耐撞性及輕量化的條件下，對微型電動車B柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)和耐撞性研究具有重要意義。

國內(nèi)外對于B柱工藝和耐撞性進(jìn)行了充分的研究。Bok等［5］通過研究某車型B柱結(jié)構(gòu)，通過成型模擬，分析熱成型方法對汽車B柱耐撞性能的影響；Kelley等［6］以激光拼焊B柱結(jié)構(gòu)為研究對象，分析不同材料拼焊形式在側(cè)撞中的性能，根據(jù)不同材料間的極限斷裂應(yīng)變對B柱進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)；王晨磊等［7］對B柱補(bǔ)丁板結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，通過熱成型工藝的正交試驗(yàn)，確定了焊點(diǎn)位置對補(bǔ)丁板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響，并對B柱補(bǔ)丁區(qū)域的冷卻方式進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)。

本文中以拼焊B柱結(jié)構(gòu)作為研究對象，通過成型模擬和側(cè)撞仿真對B柱的拼焊工藝和耐撞性進(jìn)行分析，將拼焊方案應(yīng)用到某微型電動車型中，通過仿真與試驗(yàn)對比，驗(yàn)證拼焊方案在微型電動汽車側(cè)撞中應(yīng)用的可行性。

1 拼焊方案設(shè)計(jì)

激光拼焊就是在B柱碰撞變形關(guān)鍵區(qū)域采用高強(qiáng)度材料，并增加厚度，在其他變形較小的區(qū)域選用強(qiáng)度較低的材料和較小的厚度。B柱原方案采用單一材料，主體結(jié)構(gòu)為DP780，該型號為深拉伸級的冷軋鋼板，厚度為1.2 mm，總質(zhì)量為4.0 kg，材料的屈服強(qiáng)度為650 MPa，抗拉強(qiáng)度為780 MPa，伸長率為10%［8］。B柱激光拼焊方案主體結(jié)構(gòu)為DP780，厚度為1.0 mm，加強(qiáng)部分結(jié)構(gòu)為熱成型1 500P，厚度為1.5 mm，總質(zhì)量為3.3 kg。汽車B柱拼焊方案的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 汽車拼焊B柱模型

2 拼焊B柱成型仿真與改進(jìn)

2.1 B柱成型仿真分析

從圖1可以看出，該B柱形狀復(fù)雜，拉深的程度較大，成型較困難，屬于大型沖壓件。在實(shí)際成型過程中須經(jīng)過拉深→修邊→整形→沖孔等工藝流程，其中拉深是最難的工藝步驟［9-11］。

在對汽車B柱成型分析過程中須添加工藝補(bǔ)充面，包括工件內(nèi)部填充孔洞的內(nèi)工藝補(bǔ)充面和沿工件外輪廓的外工藝補(bǔ)充面。在完成拉深成型后，進(jìn)行修邊沖孔等工藝過程即可獲得最終形狀的工件。成型仿真步驟如下。

（1）導(dǎo)入模型將圖1所示的工件模型保存為igs格式的文件后導(dǎo)入Dynaform軟件用于成型分析。

（2）網(wǎng)格劃分綜合考慮工件的總體尺寸、計(jì)算時(shí)間和精度，設(shè)定網(wǎng)格單元尺寸為10 mm，對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分；在此基礎(chǔ)上，對網(wǎng)格和沖壓方向進(jìn)行檢查。

（3）模面工程對工件中的內(nèi)孔進(jìn)行填充，同時(shí)創(chuàng)建壓料面，選擇合適的工藝補(bǔ)充面截面線類型，生成工藝補(bǔ)充面，在此基礎(chǔ)上裁剪出外壓料面。

（4）坯料工程采用Dynaform軟件中的坯料工程（BSE）可進(jìn)行坯料的展開［12-15］，通過反求的方式得到坯料的形狀如圖2所示。工件的原始坯料尺寸為1650 mm×700 mm，對反求出的坯料進(jìn)行網(wǎng)格劃分?？紤]到該B柱為拼焊工藝，在模型中對坯料進(jìn)行分塊，拼焊段的厚度為1.5 mm，本體厚度為1.0 mm，同時(shí)設(shè)置板料的拼焊連接。

圖2 汽車B柱坯料展開示意圖

（5）工具定義與求解在自動設(shè)置求解器中設(shè)定凸模、凹模、板料和壓邊圈，圖3所示為設(shè)定完成的求解模型，同時(shí)選擇合適的沖壓速度5 000 mm/s和壓邊力1 000 kN，提交工作進(jìn)行求解。

圖3 汽車B柱求解模型

（6）結(jié)果分析求解完成后，進(jìn)入PostProcess后處理程序，讀入d3plot文件，利用后處理模塊可以繪制零件的成型極限圖如圖4所示。

圖4 汽車B柱成型極限圖①

從圖4可以看出，在拉深成型過程中，由于板材與模具間的作用力在凸緣處產(chǎn)生壓應(yīng)力，零件的成型結(jié)果較差，B柱傳力區(qū)的拉應(yīng)力超過板材的抗拉強(qiáng)度出現(xiàn)拉裂現(xiàn)象［16］，同時(shí)兩端起皺較為嚴(yán)重，需要進(jìn)一步改進(jìn)成型工藝。

2.2 成型仿真結(jié)果與改進(jìn)

對于汽車B柱零件成型，為有效解決起皺問題，在較易發(fā)生起皺的B柱兩端設(shè)定如圖5所示的等效拉延筋，系數(shù)為50%。同時(shí)設(shè)定沖壓速度為5 000 mm/s，壓邊力為200 kN。

圖5 汽車B柱拉延筋設(shè)置

對設(shè)置了拉延筋的模型再次提交求解，得到如圖6所示的汽車B柱成型極限圖。從圖中可以看出，零件總體成型效果較好，沒有缺陷產(chǎn)生。

圖6 汽車B柱成型極限圖②

對圖6所示的成型結(jié)果進(jìn)行切邊操作，得到如圖7所示的汽車B柱最終成型圖。零件的最大變薄率為26.98%，最大增厚率為4.07%，滿足成型要求。

圖7 汽車B柱成型極限圖③

3 整車B柱側(cè)撞耐撞性分析

根據(jù)GB 20071—2006《汽車側(cè)面碰撞的乘員保護(hù)》法規(guī)的要求［17］，利用此微型電動汽車建立整車側(cè)撞仿真模型，整車模型的數(shù)據(jù)如表1所示。其他蜂窩鋁和側(cè)撞移動壁是成熟的模型，直接導(dǎo)入該整車側(cè)撞模型中，參考整車側(cè)撞法規(guī)中臺車與B柱位置關(guān)系調(diào)整臺車壁障。其中移動變形壁障的速度為50 km/h，仿真時(shí)間長度設(shè)置為150 ms，采用Ls?dyna R7.0求解器進(jìn)行求解計(jì)算，運(yùn)算時(shí)間約為12 h。整車側(cè)撞仿真模型如圖8所示。

表1 整車模型信息

圖8 整車側(cè)撞仿真模型

3.1 整車側(cè)撞變形分析

為節(jié)約有限元分析的計(jì)算時(shí)間，計(jì)算中采用了非全積分的積分算法，這時(shí)將有可能在計(jì)算中發(fā)生沙漏，由圖9所示曲線可以看出，沙漏能增加并不多，總能量基本保持守恒狀態(tài)，能量曲線滿足要求；同時(shí)，這幾條能量曲線都為光滑過渡，表明仿真模型較為合理。

圖9 整車模型側(cè)撞能量曲線

原方案整車碰撞后的形狀如圖10所示。碰撞過程中B柱中間發(fā)生了嚴(yán)重彎折，向車廂內(nèi)部侵入量很大，仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果吻合。

圖10 原方案碰撞后B柱彎折與侵入圖

分析試驗(yàn)結(jié)果可知，門檻的強(qiáng)度較低，發(fā)生了顯著向上卷曲折彎現(xiàn)象，侵入量較為嚴(yán)重；地板整體形狀發(fā)生扭曲，變形量較大，左側(cè)B柱下地板有明顯向上彎折。碰撞過程中，駕駛員座椅發(fā)生了顯著的側(cè)向移動，變速器甚至被剪斷，駕駛員座椅與副駕駛位座椅發(fā)生了部分重疊，并整體向右側(cè)移動。

原方案和拼焊B柱碰撞前后變形對比如圖11和圖12所示。

圖11 原方案B柱碰撞前后變形對比圖

圖12 拼焊B柱碰撞前后變形對比圖

由圖12可以看出，本文設(shè)計(jì)的激光拼焊B柱結(jié)構(gòu)方式改變了B柱的變形，B柱的上部分變形量減小，避免了側(cè)撞對駕駛員胸部的傷害。由于微型電動汽車的底盤相比于C級車較低，門檻的位置也相對較低，在與移動變形壁障的碰撞過程中不接觸，使側(cè)撞過程中的碰撞力集中到了車門和B柱，導(dǎo)致B柱的中下部分產(chǎn)生較大的變形，對人體腹部的保護(hù)作用較弱［18-20］。拼焊B柱方案整車側(cè)撞變形如圖13所示。

圖13 拼焊方案碰撞后B柱彎折與侵入圖

3.2 B柱侵入量

側(cè)撞的變形量主要研究B柱侵入量，根據(jù)試驗(yàn)方案，在仿真計(jì)算中，共選擇5個(gè)參考點(diǎn)，如圖14所示。

圖14 位移測量點(diǎn)

5個(gè)測量點(diǎn)處B柱侵入量如圖15和表2所示。由圖可以看出，兩種B柱設(shè)計(jì)方案下各測量點(diǎn)侵入量變化趨勢基本相同，變形量在碰撞后100 ms左右達(dá)到峰值，D1、D2位于整車側(cè)面中下部，相比于底盤較高的C級車，移動壁障首先接觸的是地板上方的B柱區(qū)域，因此D2點(diǎn)區(qū)域B柱變形量最大；D3～D5位于整車側(cè)面上部，變形影響較小。

圖15 各測量點(diǎn)侵入量曲線

從表2可以看出，與原方案相比，改進(jìn)后的B柱結(jié)構(gòu)在側(cè)撞中有一定改善，B柱5個(gè)測量點(diǎn)的侵入量均有減小，最大侵入量270.64 mm（小于規(guī)定值300 mm），比原方案減小14.38%。

表2 各測量點(diǎn)最大侵入量對比

側(cè)撞的加速度測量點(diǎn)為左側(cè)B柱上（圖14中的D5）、中（D3）、下部（D1），它們的側(cè)面碰撞加速度曲線如圖16所示。

圖16 B柱側(cè)撞加速度曲線

由圖16可以看出，兩種方案加速度曲線的變化趨勢基本一致，但拼焊方案B柱側(cè)撞加速度明顯減小。B柱上端在50 ms左右達(dá)到峰值，改進(jìn)前后的加速度峰值分別為36.81g和30.24g，峰值減小17.85%；B柱中端在40 ms左右達(dá)到峰值，改進(jìn)前后的加速度峰值分別為81.71g和69.82g，峰值減小14.55%；B柱下端在30 ms左右達(dá)到峰值，改進(jìn)前后的加速度峰值分別為75.16g和60.65g，峰值減小19.3%。

4 結(jié)論

采用Dynaform軟件對汽車B柱的成型過程進(jìn)行了仿真分析，根據(jù)仿真結(jié)果對零件的成型極限、厚度變化和應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行研究。仿真分析結(jié)果對拉深成型過程進(jìn)行了預(yù)測，對于可能存在的起皺和拉裂等缺陷，可以通過控制工藝參數(shù)和修改模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，從而避免此類缺陷的發(fā)生。

在滿足側(cè)撞的要求下，激光拼焊B柱不僅實(shí)現(xiàn)了輕量化，且有效地改變了B柱的變形模式，最大侵入量和加速度峰值均有明顯減小，最大侵入量小于規(guī)定值300 mm。