摘要

B 柱輕量化設(shè)計(jì)既要滿足承載碰撞安全的要求，又要實(shí)現(xiàn)減重設(shè)計(jì)的目標(biāo)。根據(jù)B 柱在車身側(cè)面碰撞過程中的相對位置，參考C-NACP 測試工況要求，采用HyperMesh 和LS-DYNA 搭建整體仿真分析模型；獲取臺(tái)車以50km/h 碰撞時(shí)， B 柱5個(gè)觀察點(diǎn)的侵入量和侵入速度變化；根據(jù)分析結(jié)果，采用等強(qiáng)度減薄公式，對B 柱開展輕量化設(shè)計(jì)，本體材料減薄、關(guān)鍵區(qū)域增加補(bǔ)丁板，并對優(yōu)化后方案的安全性和輕量化效果進(jìn)行對比分析；針對某實(shí)際車型B 柱進(jìn)行補(bǔ)丁板方案的輕量化設(shè)計(jì)，對比仿真和實(shí)測結(jié)果，建立整車側(cè)面碰撞分析模型；對B 柱實(shí)施輕量化設(shè)計(jì)，對比優(yōu)化前后的安全性差異；基于實(shí)車側(cè)面碰撞測試，獲取最大侵入量和侵入速度，并與仿真分析進(jìn)行對比，對優(yōu)化設(shè)計(jì)方案進(jìn)行驗(yàn)證，并獲取輕量化設(shè)計(jì)方案減重效果。結(jié)果可知：優(yōu)化設(shè)計(jì)前后碰撞安全性得到明顯提升，各關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化效果在10%-20%，同時(shí)輕量化效果明顯；實(shí)車碰撞后，滿足碰撞五星標(biāo)準(zhǔn)要求；側(cè)面碰撞的實(shí)測結(jié)果與仿真結(jié)果則保持一致，二者的最大誤差不超過5%；優(yōu)化設(shè)計(jì)前，B 柱重量為7.35kg，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的重量為6.58kg，減重10.5%，減重效果明顯；結(jié)果表明，補(bǔ)丁板優(yōu)化設(shè)計(jì)方案是可靠的，為此類設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：車身；B 柱；側(cè)面碰撞；安全性；輕量化；補(bǔ)丁板

作者：劉蘭蘭1；邱 磊2

1.江西制造職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，江西 南昌 330096

2.寧波工程學(xué)院，浙江 寧波 315336

引言

B 柱是車身中部重要的承載結(jié)構(gòu)件，上下分別與頂蓋邊梁和門檻梁搭接。一方面在車輛受到側(cè)面撞擊時(shí)，具有足夠的強(qiáng)度，保護(hù)司乘人員具有足夠的生存空間，不受侵害；另一方面，B 柱上安裝了各種鎖扣、鉸鏈及安全帶相關(guān)裝置等，需要具有足夠的強(qiáng)度和剛度，保證各個(gè)設(shè)備在發(fā)生作用時(shí)的可靠性。隨著車身造型的變化，B 柱的結(jié)構(gòu)也具有較大的曲線、起伏等變化特點(diǎn)[1]。因此，在B 柱選材時(shí)，材料要滿足強(qiáng)度的需求，同時(shí)具備良好的可知造性，滿足復(fù)雜造型的需要。隨著智能化的推進(jìn)，車身減重實(shí)現(xiàn)輕量化成為新的發(fā)展要求，B 柱成為安全性和輕量化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵零件，同時(shí)重量較大，對其開展不同形式的輕量化具有重要應(yīng)用價(jià)值。

檢索發(fā)現(xiàn)，對此開展了一定的研究：文獻(xiàn)[2]以某車型B 柱模型作為研究對象，提取成形過程中的厚度變化，以此映射到碰撞模型中，分析對安全性的影響；文獻(xiàn)[3]對比熱成形技術(shù)對材料輕量化和安全性的影響，以實(shí)現(xiàn)對B 柱的輕量化設(shè)計(jì)；文獻(xiàn)[4]采用激光拼焊設(shè)計(jì)技術(shù)對某車型B 柱開展輕量化設(shè)計(jì)，通過改變焊縫位置獲取輕量化和安全性最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案；文獻(xiàn)[5]采用熱成形工藝和激光拼焊技術(shù)進(jìn)行組合設(shè)計(jì)，對某車型B 柱進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，滿足安全性要求的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)輕量化目標(biāo)。

根據(jù)B 柱在車身側(cè)面碰撞過程中的相對位置，參考C-NACP 測試工況要求，采用HyperMesh 搭建仿真分析模型；臺(tái)車以50km/h 碰撞時(shí)，獲取B 柱5個(gè)觀察點(diǎn)侵入量和侵入速度的變化規(guī)律；根據(jù)分析結(jié)果，參考等強(qiáng)度減薄理論，對B 柱進(jìn)行輕量化補(bǔ)丁板設(shè)計(jì)，并對安全性進(jìn)行對比分析；針對某實(shí)際車型B 柱進(jìn)行補(bǔ)丁板輕量化方案設(shè)計(jì)，對比仿真和實(shí)測結(jié)果，建立整車側(cè)面碰撞分析模型；對B 柱進(jìn)行輕量化補(bǔ)丁板設(shè)計(jì)，并驗(yàn)證安全性；基于實(shí)車側(cè)面碰撞測試，獲取最大侵入量和侵入速度，與仿真分析進(jìn)行對比，對優(yōu)化設(shè)計(jì)方案進(jìn)行驗(yàn)證，對比輕量化效果。

B 柱側(cè)碰安全性分析

根據(jù)C-NACP 新車評價(jià)規(guī)程要求，選取B 柱起到重要承載作用的側(cè)面碰撞工況進(jìn)行分析[6]，根據(jù)B柱、臺(tái)車之間的相對位置，基于HyperMesh 建立分析模型，如圖1 所示。根據(jù)B 柱與駕駛?cè)藛T的相對位置關(guān)系[7]，在B 柱側(cè)面選取5 個(gè)位置點(diǎn)作為觀察點(diǎn)，如圖2 所示，提取碰撞過程中的侵入量和侵入速度的變化曲線。根據(jù)實(shí)際測試工況，設(shè)置臺(tái)車的沖擊速度為50km/h，整個(gè)過程的作用時(shí)間為50ms。

所研究B 柱初始選用材料為HC420/DP780D+Z，厚度為1.6mm，材料的屈服強(qiáng)度為554MPa，抗拉強(qiáng)度為832MPa，采用Johnson-Cook 模型描述材料的應(yīng)變速率相關(guān)特性[8]，本構(gòu)模型寫作：

將材料參數(shù)輸入模型，參數(shù)設(shè)置完畢后，獲取各觀察點(diǎn)的侵入量和侵入速度，結(jié)果如圖3 所示。

由圖中曲線變化可知，臺(tái)車與B 柱接觸后，開始發(fā)生碰撞，各觀察點(diǎn)的侵入量迅速增大，位置2的侵入量最大，其次為位置3，位置5 最小，而從發(fā)生侵入到車內(nèi)的時(shí)間來看，位置1 到位置5 的順序依次發(fā)生；圖中曲線可知，位置4 和位置5 在開始階段位移為反方向的，即向著車身外側(cè)運(yùn)動(dòng)，之后才向內(nèi)運(yùn)動(dòng)，這與其他位置是存在一定差異的；位置1 到位置5 依次發(fā)生運(yùn)動(dòng)，其中位置3 的速度最大，而位置5 的速度最小，即門檻位置速度最小。

B 柱輕量化設(shè)計(jì)分析

輕量化方案設(shè)計(jì)

根據(jù)前文分析結(jié)果可知，在B 柱發(fā)生側(cè)面碰撞時(shí)，D2 位置的侵入量最大，可以對此關(guān)鍵區(qū)域增加補(bǔ)丁板結(jié)構(gòu)，而其他區(qū)域進(jìn)行厚度減薄，根據(jù)等效減薄公式[9]：

分析結(jié)果可知，將B 柱整體的厚度減薄為1.3mm，而增加的補(bǔ)丁板厚度為1.1mm。采用點(diǎn)焊連接[10]，造型保持一致，相對位置如圖4 所示。

側(cè)面碰撞安全性分析

實(shí)施輕量化方案的同時(shí)，必須滿足原結(jié)構(gòu)的安全性能不降低，采用同上的分析方法，對輕量化方案進(jìn)行側(cè)面安全性分析，保持觀察點(diǎn)不變，侵入速度變化如圖5 所示，提取關(guān)鍵參數(shù)對比，如表1 所示。

由分析結(jié)果可知，方案實(shí)施后，侵入量、侵入速度的變化趨勢與原方案保持一致，而各位置侵入量和侵入速度的最大值均有10%-20%的提升，而參數(shù)隨碰撞時(shí)間的變化規(guī)律則基本一致。對比可以發(fā)現(xiàn)，B柱增加補(bǔ)丁板，材料厚度減薄后，整個(gè)零件碰撞安全性得到明顯提升，最大侵入量和侵入速度均減小。同時(shí)，B 柱重量由6.3kg 減小到5.6，減重12.5%，效果良好。方案保證安全性提升的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了較好的輕量化效果，可以應(yīng)用于實(shí)際車型的設(shè)計(jì)。

實(shí)車應(yīng)用分析

為提升某車型的輕量化效果及側(cè)面碰撞安全性，針對B 柱開展輕量化設(shè)計(jì)。首先建立原車的三維模型，基于HyperMesh 建立各個(gè)連接單元、部件塑性及材料性能參數(shù)等。根據(jù)實(shí)際側(cè)面碰撞的載荷要求，進(jìn)行測試和仿真，獲取的模型對比結(jié)果如圖6 所示。

圖中結(jié)果可知，模型很好的反應(yīng)了實(shí)際車型的碰撞結(jié)果，B 柱的變形保持一致，選取上部、中部、下部三個(gè)關(guān)鍵位置點(diǎn)進(jìn)行關(guān)鍵參數(shù)對比，如表2 所示。由表中結(jié)果對比可知，二者的誤差控制在10%以內(nèi)，模型很好的反映真實(shí)車輛B 柱的狀態(tài)，可以以此進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。B 柱原用材料為DP590，厚度為1.8mm，采用前述優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，經(jīng)過多輪次優(yōu)化，最終選用材料為DP780，厚度為1.4mm，補(bǔ)丁板也選用DP780，厚度為1.2mm。采用點(diǎn)焊技術(shù)，將二者連接，同時(shí)對增加補(bǔ)丁板位置進(jìn)行修磨，增加該位置的過渡圓角，引導(dǎo)B 柱的變形，優(yōu)化設(shè)計(jì)后結(jié)構(gòu)如圖7 所示。

采用上述側(cè)面碰撞分析方法，獲取優(yōu)化設(shè)計(jì)前后，侵入量、對比如表3 所示。

表3 侵入量對比

Tab.3 Comparison of Invasion Volume

由表中對比結(jié)果可知，優(yōu)化設(shè)計(jì)后，三個(gè)觀察點(diǎn)的侵入量和侵入速度均比原設(shè)計(jì)具有較大幅度的降低，表明側(cè)面碰撞的安全性得到一定程度的提升。將設(shè)計(jì)方案安裝到實(shí)際車輛，進(jìn)行側(cè)面碰撞，臺(tái)車速度為50km/h，提取側(cè)面碰撞過程中，B 柱各點(diǎn)的侵入速度和侵入量結(jié)果變化曲線如圖8 所示，提取最大值與仿真分析結(jié)果對比如表4 所示。

由實(shí)測結(jié)果變形圖可知，碰撞后B 柱保持完整無折斷，車門可打開，滿足碰撞標(biāo)準(zhǔn)要求。車型為滿足五星安全標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)，需要滿足最大侵入量不超過310mm，最大侵入速度不超過18.5mm/s，測試結(jié)果可知，方案滿足五星標(biāo)準(zhǔn)要求；而實(shí)測結(jié)果與仿真結(jié)果則保持一致，二者的最大誤差不超過5%。結(jié)果表明，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案是可靠的。優(yōu)化設(shè)計(jì)前，B 柱重量為7.35kg，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的重量為6.58kg，減重10.5%，減重效果明顯。

結(jié)論

1）B 柱側(cè)面碰撞開始后，各觀察點(diǎn)的侵入量迅速增大，位置2 的侵入量最大，其次為位置3，位置5 最小，而從發(fā)生侵入到車內(nèi)的時(shí)間來看，位置1 到位置5 的順序依次發(fā)生；位置4 和位置5 在開始階段位移為反方向的，即向著車身外側(cè)運(yùn)動(dòng)，之后才向內(nèi)運(yùn)動(dòng)，這與其他位置是存在一定差異的；位置1 到位置5 依次發(fā)生運(yùn)動(dòng)，其中位置3 的速度最大，而位置5 的速度最小，即門檻位置速度最?。?

2）B 柱增加補(bǔ)丁板，材料厚度減薄后，整個(gè)零件碰撞安全性得到明顯提升，最大侵入量和侵入速度均減小；方案保證安全性提升的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了較好的輕量化效果；3）實(shí)車碰撞后B 柱保持完整無折斷，車門可打開，滿足碰撞標(biāo)準(zhǔn)要求，最大侵入量和最大侵入速度滿足五星標(biāo)準(zhǔn)要求；

4）側(cè)面碰撞的實(shí)測結(jié)果與仿真結(jié)果則保持一致，二者的最大誤差不超過5%；優(yōu)化設(shè)計(jì)前，B 柱重量為7.35kg，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的重量為6.58kg，減重10.5%，減重效果明顯；結(jié)果表明，補(bǔ)丁板優(yōu)化設(shè)計(jì)方案是可靠的，為此類設(shè)計(jì)提供參考。

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