基于側(cè)面碰撞的熱成型高強度零件開發(fā)*

胡 平 于宏元 盈 亮 申國哲 史棟勇

（大連理工大學工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點實驗室）

1 前言

節(jié)能、安全和環(huán)保是當今汽車工業(yè)發(fā)展的主要方向。歐洲材料協(xié)會調(diào)查表明，汽車質(zhì)量每減輕100 kg，可節(jié)省燃油 6%～8%[1]，因此，設(shè)計和制造既節(jié)能又安全的汽車是汽車設(shè)計者不斷追求的目標。采用高強度鋼板制造車身，是同時實現(xiàn)車體輕量化和提高碰撞安全性的有效途徑[2]。但是，隨鋼板強度的增加，成型也將越來越困難。由于熱壓成型技術(shù)可用來成型強度高達1500 MPa的結(jié)構(gòu)件，因而高強度鋼板熱成型技術(shù)不斷受到關(guān)注[3，4]。

轎車側(cè)面是車體中強度和剛度較薄弱的部位，碰撞緩沖區(qū)域較小，發(fā)生側(cè)面碰撞時會對乘員造成嚴重傷害。影響轎車側(cè)面碰撞性能的零部件主要是車門、車門防撞梁、B柱及地板橫梁等[5]，為此，本文以某型轎車為例，應(yīng)用高強度鋼板熱成型技術(shù)，針對不同厚度熱成型車門防撞梁進行準靜態(tài)三點彎曲和動態(tài)沖擊數(shù)值模擬，并通過分析對比進行零件設(shè)計優(yōu)化，最后經(jīng)整車側(cè)碰仿真分析得出了最優(yōu)改進方案。

2 熱成型材料性能分析

試驗材料為硼合金熱成型鋼板B1500HS，其成分為在C-Mn鋼的基礎(chǔ)上添加一定質(zhì)量分數(shù)的硼。固溶的硼偏析在奧氏體晶粒邊界，因延遲了鐵素體和貝氏體的形核進而增加了鋼的淬透性，使得淬火冷卻時能獲得均勻的馬氏體組織。

基于熱成型技術(shù)制備了熱成型高強度鋼車門防撞梁 （以下稱熱成型防撞梁），按照GB228—2002金屬材料拉伸試驗方法進行單向拉伸試驗。表1為熱成型防撞梁試件不同測試位置（圖1）的材料力學性能。圖2為熱成型后B1500HS的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

表1 熱成型防撞梁材料力學性能

圖3為熱成型高強度鋼B1500HS與傳統(tǒng)高強度鋼 （DQSK、BH340、HSLA340）、 先進 高強度鋼（DP600、TRIP800、DP800、TWIP）強度對比情況。 由圖3可看出，熱成型鋼B1500HS的強度均明顯高于傳統(tǒng)高強度鋼和先進高強度鋼，這是因為熱成型零件材料馬氏體組織分布均勻，且含量達90%以上。

本文研究的轎車基礎(chǔ)方案采用DP800制造車身側(cè)圍零部件，側(cè)碰時車體變形較大，因此，為提高車身側(cè)碰安全性和減輕車身質(zhì)量，采用熱成型零件替換DP800零件。

3 熱成型防撞梁厚度優(yōu)化

3.1 準靜態(tài)三點彎曲試驗及有限元模型校正

為準確模擬防撞梁在車身中的連接及側(cè)碰破壞情況，采用熱成型防撞梁進行了準靜態(tài)三點彎曲試驗和有限元數(shù)值模擬對比分析。試驗裝置及有限元模型見圖4。防撞梁厚度為1.6 mm，彎曲壓頭直徑為300 mm，壓頭下行速度為500 mm/min，跨距為860 mm。

數(shù)值模擬利用HyperMesh進行前處理，防撞梁為典型的薄板結(jié)構(gòu)，選用Belytschko-Tsay殼單元。由于采用接近實際工況的準靜態(tài)彎曲，壓頭下行速度較快。防撞梁材料模型選擇*MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY，彎曲壓頭和支輥材料模型選擇*MAT_RIGID。防撞梁與支輥之間采用剛性螺栓連接，支輥可轉(zhuǎn)動和平動，彎曲壓頭與防撞梁之間的接觸選擇*AUTOMATIC_CONTACT_SURFACE_TO_SURFACE，摩擦因數(shù)取0.15，采用*BOUNDARY_PRESCRIBED_MOTION_RIGID定義彎曲壓頭加載速度。將該模型導(dǎo)入LS-DYNA中進行求解。

圖5為在加載階段準靜態(tài)三點彎曲試驗和數(shù)值模擬結(jié)果對比曲線。由圖5可看出，撓度達到130 mm左右時抗彎載荷達到最大值，熱成型防撞梁可承受14.8 kN的載荷。仿真曲線在加載初始階段存在輕微波動，比試驗曲線先達到峰值，但比試驗曲線峰值略低。試驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果基本吻合，說明數(shù)值模擬使用的單元類型、材料模型、數(shù)值模擬方法等是可行的，能夠保證準靜態(tài)彎曲、動態(tài)彎曲及側(cè)碰數(shù)值模擬的準確性。

3.2 準靜態(tài)彎曲數(shù)值模擬分析

為減少實際側(cè)碰的模擬計算次數(shù)，采用準靜態(tài)彎曲優(yōu)化熱成型防撞梁的材料厚度，以保證材料替換后不低于基礎(chǔ)方案的抗彎能力。圖6為各種厚度防撞梁的抗彎載荷對比曲線。由圖6可看出，厚為1.6 mm的熱成型防撞梁的最大抗彎載荷達14.8 kN，比原材料 （厚為2.5 mm的普通高強度鋼DP800）所承受的最大彎曲載荷12.8 kN略高，說明在準靜態(tài)彎曲條件下，可用厚度≥1.6 mm的熱成型材料替換原材料DP800。

3.3 動態(tài)彎曲數(shù)值模擬分析

基于輕量化目標，對采用厚1.6 mm的熱成型防撞梁替換原材料防撞梁的可行性進行驗證。試驗采用重25 kg的剛性質(zhì)量塊撞擊防撞梁，質(zhì)量塊初速度為50 km/h，有限元模型同圖4b。圖7為不同厚度防撞梁的吸能曲線。由圖7可看出，厚1.6 mm的熱成型防撞梁的吸能曲線與基礎(chǔ)方案的吸能曲線很接近，尤其在變形后期熱成型材料的高屈服強度特性逐漸體現(xiàn)出來。所以，綜合準靜態(tài)彎曲和動態(tài)彎曲分析，確定可選擇厚1.6 mm熱成型防撞梁替換原材料防撞梁。

4 熱成型零件在車身中的應(yīng)用

4.1 建立整車側(cè)碰有限元模型

根據(jù)準靜態(tài)彎曲和動態(tài)彎曲數(shù)值模擬優(yōu)化結(jié)果，初步確定采用厚1.6 mm的熱成型防撞梁替換原材料防撞梁，同時對熱成型零件在車身側(cè)圍進行骨架布局優(yōu)化。根據(jù)基礎(chǔ)方案設(shè)計了2種改進方案（表2），并進行整車側(cè)碰數(shù)值模擬。

表2 整車側(cè)碰計算方案

整車側(cè)碰數(shù)值模擬采用HyperMesh前處理，然后將關(guān)鍵字文件（k文件）輸入LS-DYNA進行求解。按照C-NCAP法規(guī)要求建立有限元模型，其中轎車模型根據(jù)實際制造和裝配情況建立，移動壁障模型前端加裝可變形蜂窩鋁，在邊界上使用焊點或剛性約束來實現(xiàn)不同組件的連接，碰撞區(qū)域網(wǎng)格在10～20 mm之間，非碰撞區(qū)域網(wǎng)格在20～50 mm之間，并對發(fā)動機、變速器等進行簡化處理。共劃分282655個單元，其中三角形單元比例小于5%，節(jié)點為291728個，組件為383個，能夠同時保證計算精度和效率。移動壁障垂直沖擊試驗車輛駕駛員一側(cè)，移動壁障中心線對準試驗車輛R點，碰撞速度為50 km/h。整車側(cè)面碰撞有限元模型如圖8所示。

4.2 B柱侵入量、侵入速度和加速度對比分析

圖9為基礎(chǔ)方案與2種改進方案的B柱測試點侵入量曲線。由圖9可看出，采用改進方案1（與基礎(chǔ)方案等厚度）和改進方案2后，B柱侵入量顯著減小，尤其是采用改進方案1后，B柱測試點最大侵入量由基礎(chǔ)方案的298.6 mm減小到267.3 mm；而采用改進方案2后，B柱測試點最大侵入量為291.0 mm，也比基礎(chǔ)方案明顯改善。

圖10為基礎(chǔ)方案與2種改進方案的B柱測試點侵入速度曲線。由圖10可看出，采用改進方案1后，B柱測試點最大侵入速度由基礎(chǔ)方案的7.2 m/s減小到6.9 m/s；采用改進方案2后，B柱測試點最大侵入速度為6.8 m/s，優(yōu)于改進方案1。

圖11為基礎(chǔ)方案與2種改進方案的B柱測試點加速度曲線。由圖11可看出，基礎(chǔ)方案的B柱測試點的峰值加速度為19.6g；采用改進方案1后，B柱測試點的加速度增加到39.2g，加速度過大容易對乘員造成傷害；采用改進方案2后，B柱測試點的加速度峰值為21.8g，比基礎(chǔ)方案略有增加，可通過添加吸能材料解決。

4.3 車門變形分析

采用不同方案進行側(cè)碰模擬試驗，車門變形情況如圖12所示。由圖12可看出，采用基礎(chǔ)方案時，被撞一側(cè)車門最大位移為432.9 mm，另一側(cè)車門對應(yīng)點位移為75.5 mm，車門內(nèi)凹357.4 mm；采用改進方案1時，被撞一側(cè)車門最大位移為389.9 mm，另一側(cè)車門對應(yīng)點位移為66.5 mm，車門內(nèi)凹只有323.4 mm，比基礎(chǔ)方案顯著減??；采用改進方案2時，被撞一側(cè)車門最大位移為427.3 mm，另一側(cè)車門對應(yīng)點位移為74.1 mm，車門內(nèi)凹353.2 mm，與基礎(chǔ)方案相比仍有所下降。且采用改進方案2后的防撞梁和B柱加強板的總質(zhì)量從12.86 kg減小到9.16 kg，車體質(zhì)量減輕3.7 kg，整車減重達0.28%。

綜合以上分析可知，改進方案2的各項性能均比基礎(chǔ)方案明顯改善。因此，根據(jù)改進方案2進行實車側(cè)碰試驗，其前門變形情況如圖13所示。由圖13b可看出，前門測量點內(nèi)凹距離的試驗結(jié)果比數(shù)值模擬結(jié)果略小，二者變形趨勢基本一致，進一步驗證了改進方案2的正確性。

5 結(jié)束語

高強度鋼板熱成型技術(shù)可極大提高復(fù)雜零部件的強度及成型性，已在車身結(jié)構(gòu)中廣泛應(yīng)用。本文以某型轎車車身側(cè)圍車門熱成型防撞梁為例，基于車身輕量化進行了準靜態(tài)三點彎曲和動態(tài)沖擊數(shù)值模擬分析，獲得適合車身結(jié)構(gòu)的高強度熱成型零件優(yōu)化設(shè)計結(jié)果，將優(yōu)化設(shè)計零件引入整車進行了側(cè)碰仿真對比分析及評價。結(jié)果表明，采用熱成型防撞梁替換普通高強度鋼防撞梁后，整車車身側(cè)碰抗撞性能大幅提高，B柱侵入量、侵入速度及車門變形情況均有明顯改善，車身質(zhì)量減輕3.7 kg，實現(xiàn)整車減重0.28%，在保證提高碰撞安全性的同時實現(xiàn)了車身輕量化。

1 Joseph C，Benedyk.Light metals in automotive application.Light Metal Age， 2000（10）：34～35.

2 Senuma T.Physical metallurgy of modern high strength steel sheets.Iron and Steel Institute of Japan，2001，41（6）：520～532.

3 馬寧，胡平，郭威.高強度鋼板熱成型成套技術(shù)及裝備.汽車與配件，2009（45）：28～30.

4 D W Fan，H S Kim，S Birosca，B C.De Cooman.Critical review of hot stamping technology for automotive steels.Materials Science and Technology Conference， Detroit， 2007.

5 劉衛(wèi)民，劉衛(wèi)國，管立君.某微型汽車側(cè)面碰撞安全性能優(yōu)化.汽車技術(shù)，2011（10）：24～27.