汽車側(cè)面碰撞安全性B柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

周棟亮

（泰州技師學(xué)院，江蘇 泰州 225300）

0 引言

汽車結(jié)構(gòu)安全性的保障在很大程度上取決于B柱設(shè)計，當(dāng)汽車側(cè)面遭受碰撞時，B柱在保護乘員和吸能方面起著較大作用[1]。因此，汽車的B柱設(shè)計顯得尤為重要。一般情況下，為了滿足汽車結(jié)構(gòu)安全性要求，以汽車B柱剛度和強度作為主要限定指標(biāo)，所以選取加工材料的屈服強度較高，導(dǎo)致加工難度增加[2]。另外，從汽車燃油性能方面考慮設(shè)計問題，還應(yīng)該將輕量化添加至設(shè)計要求中[3]。以往提出的汽車B柱側(cè)面設(shè)計方案，未能達到輕量化、安全性要求[4，5]。為了滿足這些汽車B柱結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，本文嘗試探索提出一種補丁板結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。

1 汽車B柱結(jié)構(gòu)

汽車前車門和后車門之間的位置布設(shè)B柱，作為汽車結(jié)構(gòu)中的主要承力構(gòu)件，當(dāng)外界施加一定沖力時，需要保證前門可以打開。該部位集高度調(diào)節(jié)器、安全帶收卷器、后車門鉸鏈、前車門鎖扣為一體，這些裝置均安裝在此處，因而對結(jié)構(gòu)機械剛度和強度要求較高，并且對于裝置安裝空間布設(shè)要求也很高。一般情況下，汽車B柱外觀呈現(xiàn)曲面狀態(tài)，根據(jù)車身的整體外形打造[6]。B柱零件結(jié)構(gòu)與其他零件結(jié)構(gòu)差異性較大，不僅截面變化復(fù)雜，成形深度偏大，而且成型件上部高度與下部高度差較大，圓角半徑偏小[7]。

從當(dāng)前掌握的研究資料來看，從改善B柱結(jié)構(gòu)強度角度出發(fā)，對其結(jié)構(gòu)設(shè)計方案進行優(yōu)化，能夠達到提高側(cè)面碰撞安全性[8,9]。目前，尚未形成較為完善的設(shè)計方案，本研究嘗試對此展開探究。

2 汽車B柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

2.1 B柱側(cè)面碰撞安全性分析

為了獲取B柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計參考依據(jù)，本研究通過創(chuàng)建B柱側(cè)面碰撞仿真模型，對B柱側(cè)面碰撞安全性進行仿真分析，從而確定側(cè)面碰撞特性。本次仿真實驗中，選擇LSTC公司的模型材料參數(shù)為標(biāo)準，搭建B柱試驗臺架，在剛性墻壁面加以固定。其中，B柱材料厚度為1.3 mm，材質(zhì)為DP780。設(shè)置3種碰撞工況，以碰撞初始速度為變量加以設(shè)置，各組仿真實驗工況碰撞初始速度分別為60 km/h、50 km/h、40 km/h，探究B柱結(jié)構(gòu)側(cè)面耐撞性能受撞擊速度和B柱厚度的影響。利用Hypermesh軟件劃分網(wǎng)格，模擬汽車B柱碰撞，生成K個文件，形成碰撞仿真模型。在模型中設(shè)置5個測點，編號依次為D1、D2、D3、D4、D5，測點部署如圖1所示。

圖1 仿真模型測點部署方案

側(cè)面碰撞仿真時間設(shè)定為50 ms，利用仿真模型模擬不同工況下的側(cè)面碰撞侵入速度、侵入量。

關(guān)于侵入量的模擬仿真結(jié)果顯示，碰撞期間各個測點的侵入量的變化形式基本相同，變形幅度最大的測點是D2，最小的測點為D5，除此之外，按照D3、D4、D1的順序排列。侵入車內(nèi)的先后順序為D1、D2、D3、D4、D5。碰撞期間，各個測點侵入車內(nèi)的過程存在一定差異。測點D4和測點D5的變形過程相同，先向車外凸起，而后逐步侵入車內(nèi)，而其他3個測點則是直接侵入車內(nèi)。當(dāng)B柱碰撞初始速度逐漸增加時，5個測點的侵入量均隨之增加。

關(guān)于侵入速度的模擬仿真結(jié)果顯示，碰撞期間各測點的侵入速度變化形式基本相同，測點D3首先產(chǎn)生峰值，測點D5最后產(chǎn)生峰值，其他測點的按照D4、D2、D1順序排列。碰撞過程中，產(chǎn)生侵入速度的測點先后順序為D1、D2、D3、D4、D5。當(dāng)碰撞初始速度逐漸增加時，5個測點的侵入速度均隨之增加。

對B柱碰撞整體侵入量加以模擬仿真。從仿真結(jié)果來看，侵入量最大的測點為D2，侵入速度最大的測點為D3，侵入量與侵入速度最小測點相同，均為D5。

2.2 B柱結(jié)構(gòu)補丁板優(yōu)化設(shè)計

采用增加補丁板的方式，對B柱變形關(guān)鍵區(qū)域采取局部強化處理。之所以不對其他區(qū)域采取強化處理的原因是其他區(qū)域的變形問題不嚴重，為了達到輕量化設(shè)計目的，因而對局部采取強化處理[10]。根據(jù)模擬仿真結(jié)果可知，B柱的碰撞變形關(guān)鍵區(qū)域為D2，此位置受碰撞影響產(chǎn)生的變形較大。所以，以D2點為中心采取局部強化。位于D2下方的區(qū)域不需要增加補丁板，此區(qū)域受門檻梁作用，強度較大。另外，模擬結(jié)果顯示D4以上區(qū)域發(fā)生的變形較小，可以忽略不計。由此可以界定補丁板的布設(shè)范圍。B柱外板材料為DP780，厚度1.2 mm，增加補丁板材料為DP780，厚度為1.0 mm，將補丁板與B柱外板焊接在一起，注意避開D2安裝孔。同時，去除B柱加強板。除此之外，B柱其他結(jié)構(gòu)保持不變。如圖2所示為B柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計模型。

圖2 B柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計模型

2.3 B柱結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計

本優(yōu)化設(shè)計方案采取局部增加補丁板的方法優(yōu)化原來的B柱結(jié)構(gòu)，在重量控制方面體現(xiàn)一定優(yōu)勢。兩種B柱結(jié)構(gòu)設(shè)計方案不同，B柱材料保持不變的情況下，采用不同的加強板材料，增加區(qū)域不同，且材料的厚度不同，導(dǎo)致B柱重量存在較大差異。如表1所示為不同B柱結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計。

表1 不同B柱結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計

原設(shè)計方案選擇DP780作為B柱材料，厚度為1.3 mm，采用整體加強的處理方法，在整個側(cè)面增加加強板。其中，選取的加強板材料為DP590，材料厚度為1.2 mm。本文提出的增加補丁板方案選擇DP780作為B柱材料，厚度為1.2 mm，采用局部加強的處理方法，在關(guān)鍵處增加加強板。其中，選取的加強板材料為DP780，材料厚度為1.0 mm。測量兩種材料應(yīng)用下的B柱重量，增加補丁板方案應(yīng)用下的B柱重量為2.9 kg，原設(shè)計方案應(yīng)用下的B柱重量為4.1 kg。由此看來，本文提出的增加補丁板在輕量化設(shè)計方面體現(xiàn)了一定優(yōu)勢，達到了預(yù)期優(yōu)化設(shè)計目標(biāo)。如果該設(shè)計方案在實踐應(yīng)用中可以有效控制侵入量，在原設(shè)計方案基礎(chǔ)上，降低B柱碰撞侵入量，那么認為該優(yōu)化設(shè)計方案可靠。

3 應(yīng)用測試分析

3.1 應(yīng)用案例

為了驗證本文設(shè)計的增加補丁板優(yōu)化方案可靠，以某型轎車側(cè)面碰撞為例，搭建模擬仿真模型。以乘車人胸部位置碰撞安全保護不達標(biāo)作為B柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計要求，采用逆向推理分析法，構(gòu)建三維數(shù)學(xué)模型。接下來，分別開展碰撞試驗測試與模擬仿真測試。設(shè)定碰撞初始速度為50 km/h，選擇A點、B點、C點、D點、E點5個位置作為測點，分別開展碰撞試驗測試與模擬仿真測試，對比測試結(jié)果，判斷模擬仿真結(jié)果可靠性。如果偏差控制在±5%以內(nèi)，則認為仿真模擬結(jié)果可靠，那么運用仿真模擬方法統(tǒng)計的不同加強方法應(yīng)用下的侵入量可以作為分析數(shù)據(jù)支撐。

3.2 汽車B柱結(jié)構(gòu)設(shè)計

針對本案例中的轎車乘員胸部位置變形問題，經(jīng)過計算分析，找到B柱結(jié)構(gòu)需要加強剛度的位置，在此處增加補丁板，選擇DP780作為B柱材料，厚度為1.2 mm，采用局部加強的處理方法，在需要加強剛度的位置焊接補丁板。其中，補丁板的加強板材料為DP780，材料厚度為1.0 mm。如圖3所示為轎車B柱結(jié)構(gòu)設(shè)計。

圖3 轎車B柱結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.3 應(yīng)用測試分析

3.3.1 改進后作業(yè)入侵量的試驗與仿真測試

按照應(yīng)用方案，對B柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方案的應(yīng)用開展試驗與仿真測試，測量5個測點碰撞期間產(chǎn)生的入侵量，模擬測試結(jié)果與試驗測試結(jié)果如表2所示。

表2 改進后作業(yè)入侵量的試驗與仿真測試結(jié)果

表2統(tǒng)計結(jié)果顯示，模擬測試結(jié)果與試驗測試結(jié)果的最大偏差為-4.39%，該數(shù)值在偏差允許范圍之內(nèi)。因此，本研究搭建的模擬仿真模型可以作為側(cè)面碰撞模擬測試工具，根據(jù)測試結(jié)果能夠有效判斷B柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計可靠性。

3.3.2 不同速度作業(yè)下的侵入量最大值測試

本次模擬仿真測試設(shè)定的3種工況以初始碰撞速度作為變量，分別為40 km/h、50 km/h、60 km/h。如表3所示為不同速度作業(yè)下的侵入量最大值測試結(jié)果。

表3 不同速度作業(yè)下的侵入量最大值測試結(jié)果

表3中模擬測試結(jié)果顯示，3種工況中補丁板加強方案應(yīng)用下的侵入量最大值較原設(shè)計加強方案應(yīng)用下的侵入量最大值有所下降。補丁板加強方案在3種工況應(yīng)用下的侵入量最大值下降最為顯著的測點相同，均為D點，40 km/h、50 km/h、60 km/h工況的下降幅度分別為23.57%、18.60%、18.60%。由此判斷，本文設(shè)計的補丁板加強方案能夠有效降低B柱結(jié)構(gòu)遭受碰撞后產(chǎn)生的侵入量。

4 結(jié)語

本文圍繞汽車側(cè)面碰撞安全性提升問題展開探究，以汽車B柱結(jié)構(gòu)作為優(yōu)化設(shè)計對象，通過加強B柱結(jié)構(gòu)剛度，使其碰撞安全性得以提升。在原來B柱結(jié)構(gòu)設(shè)計方案基礎(chǔ)上，減小材料厚度，更換加強材料，采用局部加強的方式，將加強材料焊接在碰撞安全性防護關(guān)鍵位置，形成補丁板加強方案。應(yīng)用結(jié)果顯示，本研究設(shè)計的補丁板加強方案能夠有效降低汽車側(cè)面碰撞期間B柱侵入量。