基于側(cè)碰多工況的汽車B柱結(jié)構(gòu)設(shè)計

崔克天，周丹鳳

基于側(cè)碰多工況的汽車B柱結(jié)構(gòu)設(shè)計

崔克天，周丹鳳*

（宜賓凱翼汽車有限公司，四川 宜賓 644000）

文章旨在對汽車B柱結(jié)構(gòu)多維度優(yōu)化設(shè)計，應對實際道路中側(cè)面碰撞工況復雜、發(fā)生概率高和風險大的問題。通過解讀國內(nèi)現(xiàn)行被動安全側(cè)面碰撞相關(guān)法規(guī)標準，歸納各工況要求及特點，總結(jié)各側(cè)面碰撞B柱設(shè)計要點，提出B柱變形模式設(shè)計思路。結(jié)合某運動型多用途汽車（SUV）車型實際開發(fā)案例，綜合考慮所有側(cè)面工況要求設(shè)計B柱兼容性，提出經(jīng)濟有效的設(shè)計方案并分析驗證全面有效。該設(shè)計方案可為后續(xù)車型B柱結(jié)構(gòu)設(shè)計開發(fā)提供參考。

側(cè)面碰撞；變形模式；汽車B柱；SUV；結(jié)構(gòu)設(shè)計

從整車來看，汽車側(cè)面結(jié)構(gòu)的設(shè)計對乘員保護更為關(guān)鍵。因為汽車側(cè)面碰撞對乘員來說更直接，且無緩沖區(qū)域，外界沖擊直接作用于車身側(cè)面結(jié)構(gòu)傳遞至乘員。根據(jù)國外相關(guān)機構(gòu)調(diào)查統(tǒng)計，汽車側(cè)面碰撞事故大約占汽車碰撞事故總數(shù)的22.9%，導致的死亡人數(shù)約占汽車碰撞事故死亡人數(shù)的27.9%[1]，可見來自側(cè)面的危險對車內(nèi)乘員威脅更大。汽車側(cè)面結(jié)構(gòu)安全性的保障在很大程度上取決于B柱設(shè)計，當汽車側(cè)面遭受碰撞時，B 柱是車內(nèi)乘員免受外界傷害的有利屏障[2]。因此，B柱的設(shè)計需滿足一定的強度要求，起到有效抵抗外力侵入的作用。同時，又要考慮整車輕量化設(shè)計，故B柱設(shè)計需從多維度考慮。本文歸納B柱相關(guān)工況特點，總結(jié)各工況對B柱的要求，參考“S”型設(shè)計理念，綜合考慮B柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，最終得到滿足多目標要求的汽車輕量化B柱結(jié)構(gòu)。

據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，近年交通事故、死亡人數(shù)及直接經(jīng)濟損失無明顯浮動，交通傷亡情況并沒有隨著汽車行業(yè)技術(shù)的發(fā)展而降低，反而還略有提升[3]。雖然數(shù)據(jù)居高不下與汽車銷量逐年增加，數(shù)據(jù)統(tǒng)計基數(shù)增大有直接關(guān)系，但從客觀數(shù)據(jù)來看安全問題仍然不容小覷。安全是汽車領(lǐng)域最重要、最關(guān)鍵的問題，同時也是老百姓最為關(guān)注的問題。最新中國汽車消費人群研究報告顯示，汽車安全性能穩(wěn)居消費者重點關(guān)注top10問題之首[4]。

汽車安全技術(shù)在新發(fā)展形勢下呈現(xiàn)兩個重點趨勢：1）技術(shù)更新，縱深發(fā)展。工況更嚴格、更貼近實際交通事故；2）廣泛融合，橫向拓展。提出多場景融合安全新視角。但從本質(zhì)來講都是對人的保護，現(xiàn)在各傳統(tǒng)被動安全工況要求越來越嚴格。針對車身結(jié)構(gòu)要求更高，尤其是車身骨架要求更強。對于側(cè)面碰撞工況來說，汽車B柱設(shè)計的挑戰(zhàn)越來越大，要兼顧輕量化要求就必須合理匹配不同部位的剛強度。

1 B柱結(jié)構(gòu)及相關(guān)工況對比

作為車身骨架的重要組成部分，B柱是支撐車身頂蓋及側(cè)面結(jié)構(gòu)的主要承力構(gòu)件，是上車體的“頂梁柱”，布置于汽車前車門和后車門之間。該部位還安裝有安全帶高度調(diào)節(jié)器、安全帶卷收器、后車門鉸鏈、前車門鎖扣等關(guān)鍵部件，因而該部件需要滿足整體剛度和強度要求，及局部剛度和強度要求，并且對于裝置安裝空間布設(shè)要求也很高。

從整體剛強度考慮，與汽車B柱強相關(guān)的安全工況主要為國家強制法規(guī)及行業(yè)評價標準兩個維度。中華人民共和國國家標準（GB）、中國新車評價規(guī)程（China-New Car Assessment Program, C-NCAP）[5]和中國保險汽車安全指數(shù)（China Insurance Automotive Safety Index, C-IASI）規(guī)程[6]是國內(nèi)三大主流標準，GB為強制標準，C-NCAP和C-IASI為影響力較大的行業(yè)標準。以上現(xiàn)行標準與汽車B柱相關(guān)的工況有《汽車側(cè)面碰撞的乘員保護》（GB 20071－2006）[7]、《乘用車頂部抗壓強度》（GB 26134－2010 ）[8]、C-NCAP 2021版?zhèn)扰?、C-NCAP 2021版柱碰、C-IASI 2020版?zhèn)扰龊虲-IASI 2020版車頂抗壓。其中，GB 20071－2006、C-NCAP 2021版?zhèn)扰觥-IASI 2020版?zhèn)扰鲋饕疾霣柱中下部結(jié)構(gòu)設(shè)計匹配；GB 26134－2010 和C-IASI 2020版車頂抗壓主要考察B柱上部結(jié)構(gòu)設(shè)計；C-NCAP 2021版柱碰更側(cè)重考察門檻及地板的支撐作用，本文不做詳述，具體工況說明如表1所示。

表1 工況定義說明

工況（1）GB 20071－2006側(cè)碰（2）C-NCAP側(cè)碰（3）C-IASI側(cè)碰（4）C-NCAP POLE（5）GB 26134－2010 &C-IASI車頂抗壓 壁障重量/kg9501 4001 500 試驗速度50 km/h（90°）50 km/h（90°）50 km/h（90°）32 km/h（75°）≤3 mm/s 壁障類型MDBAE-MDBMDB ⅡHS245 mm pole剛性壓板 假人類型ES-250% WS & SID ⅡsSID Ⅱs50% WS 壁障高度/mm300350379 工況圖示

注：MDB全稱Mobile Deformable Barrier，即移動變形壁障；AE-MDB全稱Advanced European Mobile Deformable Barrier，即側(cè)面移動可變形壁障。

如表1所示，工況（1）壁障質(zhì)量較小，碰撞能量相對較低，該工況是必須滿足的強制法規(guī)要求，是車身結(jié)構(gòu)設(shè)計的最基本要求，符合該法規(guī)要求是車輛上市銷售的條件之一；工況（2）壁障質(zhì)量和壁障高度較工況（1）更大，壁障模擬真實車頭型面，兩側(cè)斜角設(shè)計，中間區(qū)域有凸出的一條尺寸較小相對靠下的蜂窩鋁結(jié)構(gòu)，模擬正常車輛的防撞橫梁結(jié)構(gòu)，更貼近實際車輛側(cè)面撞擊場景，碰撞速度和角度均為90°；工況（3）壁障質(zhì)量最大、高度更高、剛度更大，雖碰撞速度和角度與工況（1）、工況（2）相同，但碰撞位置更靠上，模擬大型運動型多用途汽車（Sport Utility Vehicle, SUV）的撞擊，對B柱的壓力更大；工況（4）碰撞區(qū)域為前門靠后位置，碰撞方向與車身成75°夾角，對門檻及地板傳遞路徑及支撐性挑戰(zhàn)更大，B柱在該碰撞中會參與變形，但不作為主角存在，故后面不對該工況做深度剖析；工況（5）與美標的翻滾工況考察類似，考察翻車時車內(nèi)乘員生存空間的保持情況，車頂抗壓工況主要考察車輛上車體框架的抗壓性能，B柱起到了關(guān)鍵的向支撐作用，是車頂抗壓的核心部件。

2 整車B柱設(shè)計及案例解析

國內(nèi)外專家和學者針對B柱結(jié)構(gòu)工藝及優(yōu)化方法等做了大量研究，變截面優(yōu)化設(shè)計匹配不同位置的剛度設(shè)計[9]；側(cè)圍前門框一體化成型設(shè)計，在保證側(cè)圍剛度的同時減少零部件數(shù)量[10]；復合材料碳釬維材料B柱應用的案例研究，提升側(cè)圍強度及輕量化設(shè)計[11]；XU等[12]結(jié)合激光拼焊技術(shù)和近似模型理論對車門內(nèi)板和Ｂ柱外板進行多標優(yōu)化設(shè)計，改善整車側(cè)碰安全性能。但若能綜合B柱所有相關(guān)工況全面考慮，進行B柱優(yōu)化設(shè)計，則能設(shè)計出更合理的結(jié)構(gòu)，對乘員側(cè)面的保護考慮更為全面。

表2 壁障與某車型B柱的相對高度

工況（1）GB 20071－2006側(cè)碰（2）C-NCAP側(cè)碰（3）C-IASI側(cè)碰（4）C-NCAP POLE（5）GB 26134－2010 壁障高度/mm300350379 壁障與某車型B柱的相對高度

由表2可以看出，不同法規(guī)標準壁障與某車型B柱的相對高度有所差異，B柱設(shè)計的關(guān)注區(qū)域有所差異，工況（1）－工況（3）壁障均接觸B柱中下部，但高度依次升高，壁障質(zhì)量依次加重，碰撞能量依次加大；工況（4）幾乎不與B柱重合；工況（5）對B柱中上部設(shè)計中的抗彎性能有所考慮。

2.1 B柱變形模式

對于側(cè)碰而言，通?？疾霣柱的侵入量和侵入速度，反應碰撞過程中車體變形對生存空間和乘員沖擊的影響。在B柱選取關(guān)鍵點作為侵入量和侵入速度的監(jiān)測點并編號，測點對應位置及說明如圖1和表3所示。

對于側(cè)碰而言，不同車型B柱的侵入量不盡相同，但變形模式大體可歸類為四種，如圖2所示。不同的變形模式對應不同的B柱結(jié)構(gòu)設(shè)計思路。在實際車型開發(fā)中圖2(a)、圖2(b)、圖2(d)均可接受，根據(jù)側(cè)碰目標的差異控制具體侵入情況。但圖2(b)是不允許出現(xiàn)的變形模式，如碰撞過程中出現(xiàn)B柱中部折彎對控制B柱侵入量極為不利，對乘員損傷威脅較大。

圖1 B柱測點位置示意圖

表3 測點位置說明

編號考察項 B1左B柱內(nèi)板-車頂處 B2左B柱內(nèi)板-WS假人上肋骨處 B3左B柱內(nèi)板-WS假人中肋骨處 B4左B柱內(nèi)板-WS假人下肋骨處 B5左B柱內(nèi)板-WS假人腹部處 B6左B柱內(nèi)板-WS假人盆骨處 B7左B柱內(nèi)板-門檻處

圖2 B柱變形模式示意圖

2.2 某車型不同工況下B柱的表現(xiàn)

選用某款大型SUV車型作為驗證對象，針對側(cè)面結(jié)構(gòu)進行GB和C-NCAP優(yōu)化，B柱本體結(jié)構(gòu)采用熱成型材料抵抗外界沖擊，滿足GB 20071－2006和C-NCAP 2021版?zhèn)扰鼋Y(jié)構(gòu)要求，具體結(jié)果如圖3所示，侵入速度及侵入量均滿足目標要求，且有一定余量。

以該結(jié)構(gòu)進行C-IASI工況驗算分析結(jié)果則存在較大風險，在仿真分析中靠近腰線高度位置出現(xiàn)B柱內(nèi)側(cè)中部失效斷裂現(xiàn)象，從而導致結(jié)果較差，如圖4所示。首先，B柱因失效抵抗外力能力下降，侵入量較大；其次，B柱出現(xiàn)失效斷裂會被認為有威脅乘員損傷的較大風險，對試驗結(jié)果評判極為不利。由于C-IASI壁障高度較高，剛度較大，壁障上部撞擊位置為B柱中部造型弧度較大位置。如表2的C-IASI側(cè)碰工況所示，該位置被撞擊出現(xiàn)變形后承載力將會迅速下降，所以針對GB和C-NCAP側(cè)碰的優(yōu)化設(shè)計不能兼顧C-IASI的要求。

如圖5所示，該方案同步驗證了車頂抗壓表現(xiàn)，結(jié)果滿足GB大于等于1.5倍車重的要求，但未達到C-IASI車頂抗壓大于等于4.5倍車重的要求。

2.3 原因分析及重新設(shè)計

C-IASI基礎(chǔ)模型的結(jié)果就是如圖2(b)所示的變形模式，對生存空間及車內(nèi)乘員的沖擊極為不利。對于C-IASI側(cè)碰來說要做到圖2(a)和圖2(d)的變形模式比較困難，要求B柱整體強度較高，抵抗B柱整體侵入在目標范圍內(nèi)。提升結(jié)構(gòu)強度可以通過材料或厚度，但這必然會帶來整車成本和重量的增加。故解決C-IASI側(cè)碰工況B柱侵入問題更為經(jīng)濟的設(shè)計方案應為圖2(c)“S”型變形模式。合理匹配整體B柱的強弱分布，參考乘員軀干相對位置進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，B柱根部B7點適當弱化，誘導產(chǎn)生變形卸載沖擊力，在弱化的同時需要關(guān)注變形部件的應變情況，避免出現(xiàn)材料失效斷裂問題。同時，對中部彎曲弧度位置加強，避免向折彎，加強方案適當向上延伸，提升上部支撐能力可兼顧車頂抗壓要求。參考以上設(shè)計思路，結(jié)合基礎(chǔ)車型結(jié)構(gòu)形式對B柱進行適應性調(diào)整，方案變化如圖6所示。

圖6 B柱優(yōu)化方案展示

優(yōu)化后同時滿足上述所有工況的目標要求，如圖7－圖9所示。后續(xù)車型可參考該優(yōu)化案例進行設(shè)計開發(fā)。

圖7 優(yōu)化后C-NCAP側(cè)碰結(jié)果

圖8 優(yōu)化后C-IASI側(cè)碰結(jié)果

3 總結(jié)與展望

本文歸納汽車側(cè)面B柱涉及工況及目標要求，總結(jié)了B柱結(jié)構(gòu)設(shè)計思路和方法。以某SUV車身B柱為驗證對象，綜合考慮側(cè)面碰撞和車頂抗壓工況，對結(jié)構(gòu)開展優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化變形模式及侵入量和侵入速度指標，最終獲得滿足所有B柱相關(guān)側(cè)面工況要求的B柱結(jié)構(gòu)車身骨架，提高整車側(cè)面結(jié)構(gòu)耐撞擊安全性能．仿真優(yōu)化方案凍結(jié)后開展整車試驗也得到了滿意的結(jié)果。進一步證實了B柱結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性和有效性，為后期整車側(cè)面結(jié)構(gòu)設(shè)計提供經(jīng)濟全面的設(shè)計方案。

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Structure Design of Automobile B-pillar Based on Multi-work Condition in Side Impact

CUI Ketian, ZHOU Danfeng*

( Yibin Cowin Automobile Company Limited, Yibin 644000, China )

The study of multidimensional optimization B-pillar aims to deal with the problems of complex, high probability and high risk side impact in actual road. Based on the interpretation of relevant regulations and standards of passive safety about side impact in China, the requirements and characteristics of working conditions are summarized, to conclude the characteristic of B-pillar design in side impact, and come up with the design idea of B-pillar deformation mode. Combined with the actual development case of an sport utility vehicle (SUV) mode, the B-pillar compatibility is designed considering all the requirements of side working conditions, proposed an economical and effective design plans with validated. The design idea can provide reference for the design of B-pillar structure to other vehicles.

Side impact; Deformation mode; Automobile B-pillar; SUV; Structure design

U467.14

A

1671-7988(2023)20-65-06

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.020.013

崔克天（1978－），博士研究生，工程師，研究方向為發(fā)動機研發(fā)，E-mail:cuiketian@newcowin.com。

周丹鳳（1984－），高級工程師，研究方向為碰撞安全，E-mail:zhoudanfeng@newcowin.com。