基于臺(tái)架試驗(yàn)與模擬的轎車(chē)B柱耐撞性與輕量化研究*

高新華，徐有忠，王其東

(1.合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，合肥 230009； 2.奇瑞汽車(chē)股份有限公司產(chǎn)品開(kāi)發(fā)管理中心，蕪湖 241009；3.奇瑞汽車(chē)股份有限公司汽車(chē)工程技術(shù)研發(fā)總院，蕪湖 241009)

前言

由于安全法規(guī)和市場(chǎng)對(duì)汽車(chē)碰撞安全的要求不斷提高，傳統(tǒng)車(chē)身的質(zhì)量有可能越來(lái)越大，但同時(shí)，車(chē)輛輕量化又是改善車(chē)輛燃油經(jīng)濟(jì)性的重要措施[1]，因此，在車(chē)身設(shè)計(jì)和改進(jìn)時(shí)如何兼顧耐撞性和輕量化這兩個(gè)相互矛盾的要求已成為當(dāng)今汽車(chē)行業(yè)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題[2]。

在轎車(chē)側(cè)面碰撞中，側(cè)圍結(jié)構(gòu)的侵入量、侵入速度和侵入形態(tài)是直接影響乘員安全的主要因素[3-4]。四門(mén)轎車(chē)的側(cè)圍結(jié)構(gòu)主要包括側(cè)圍總成(含A、B、C柱總成和門(mén)檻梁總成)、前后車(chē)門(mén)(含防撞桿)等部件，而B(niǎo)柱是側(cè)面碰撞中的主要受力部件。因此B柱變形模式的好壞在整個(gè)碰撞過(guò)程中顯得至關(guān)重要[2]。文獻(xiàn)[1]中以線性和二次響應(yīng)面的形式采用全局近似對(duì)B柱進(jìn)行優(yōu)化，在不降低安全性能的情況下，使B柱總質(zhì)量減輕了25%。文獻(xiàn)[5]中通過(guò)建立B柱簡(jiǎn)化模型，采用拓?fù)浜托螤顑?yōu)化相結(jié)合的方法對(duì)B柱內(nèi)板進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，減小了B柱腰線處的侵入速度。文獻(xiàn)[2]中通過(guò)在B柱上使用拼焊板結(jié)構(gòu)來(lái)獲得理想的B柱變形模型——“鐘擺式”變形模式[6]，同時(shí)結(jié)合正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)和多目標(biāo)遺傳算法對(duì)拼焊板的相關(guān)參數(shù)(焊縫的位置、板材的厚度)進(jìn)行優(yōu)化。文獻(xiàn)[7]中通過(guò)對(duì)B柱上下邊界施加整車(chē)模型的位移曲線和對(duì)移動(dòng)壁障賦加速度曲線，建立了B柱側(cè)面碰撞的簡(jiǎn)化模型，采用正交試驗(yàn)法設(shè)計(jì)出了不含加強(qiáng)板的B柱結(jié)構(gòu)，使質(zhì)量減輕了25%。

文獻(xiàn)[7]～文獻(xiàn)[10]中對(duì)應(yīng)用熱成形高強(qiáng)度鋼板來(lái)提升車(chē)身側(cè)面耐撞性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明采用熱成形高強(qiáng)度材料，不僅能有效減輕質(zhì)量，而且相關(guān)零部件具有優(yōu)異的承載能力和耐碰撞沖擊性能。

文獻(xiàn)[11]中構(gòu)建了B柱總成簡(jiǎn)化模型，進(jìn)行沖擊仿真與試驗(yàn)對(duì)比，研究材料應(yīng)變率、沖壓成形效應(yīng)和網(wǎng)格單元大小對(duì)于仿真精度的影響。該模型對(duì)B柱兩端按固定約束處理，與汽車(chē)碰撞的實(shí)際工況有一定差異。

顯然文獻(xiàn)[1]、文獻(xiàn)[2]、文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[7]中構(gòu)建的優(yōu)化模型能有效指導(dǎo)邊界條件相對(duì)確定的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。當(dāng)前，由于新材料(如超高強(qiáng)度鋼等)、新工藝(如熱成形、激光拼焊、輥壓和局部硬化等)的推廣應(yīng)用，如何建立與之適應(yīng)的B柱沖擊仿真模型，并在綜合考慮耐撞性和輕量化的前提下，進(jìn)行B柱優(yōu)化設(shè)計(jì)，是須進(jìn)一步研究的問(wèn)題。

本文中基于文獻(xiàn)[12]中的研究成果——B柱臺(tái)架沖擊試驗(yàn)與模擬方法，建立B柱沖擊試驗(yàn)仿真模型，研究該模型與整車(chē)側(cè)碰仿真模型的關(guān)聯(lián)，研究工程開(kāi)發(fā)中對(duì)于不同材料、工藝與板料厚度組合在一起的B柱設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化選擇。

1 B柱沖擊試驗(yàn)臺(tái)架與仿真

1.1 B柱沖擊試驗(yàn)臺(tái)架

B柱總成通常主要由側(cè)圍外板、B柱本體、B柱上加強(qiáng)板、B柱下加強(qiáng)板、B柱內(nèi)板、B柱內(nèi)板下連接板等組成。其中側(cè)圍外板所用的材料及其厚度取決于模具設(shè)計(jì)與成形工藝，可變范圍很小，故B柱輕量化設(shè)計(jì)主要研究B柱本體等部分，如圖1所示。

文獻(xiàn)[12]中搭建了如圖2所示的B柱碰撞簡(jiǎn)化測(cè)試臺(tái)架，該試驗(yàn)裝置類(lèi)似于三點(diǎn)抗彎試驗(yàn)，所不同的是，該試驗(yàn)設(shè)備中的撞擊落錘采用的是大小兩個(gè)落錘，主要是用來(lái)模擬IIHS(美國(guó)高速公路安全保險(xiǎn)協(xié)會(huì))整車(chē)側(cè)碰試驗(yàn)中移動(dòng)小車(chē)前部上、下兩個(gè)蜂窩鋁可變形移動(dòng)壁障(moving deformable barrier, MDB)。實(shí)際上，更關(guān)鍵的是模擬沖擊載荷，故試驗(yàn)中的兩個(gè)撞擊落錘用兩個(gè)形狀不一的剛性體代替，且兩個(gè)落錘之間的相對(duì)位置保持固定，這些數(shù)據(jù)(載荷、形狀和位置參數(shù))都是經(jīng)過(guò)多次整車(chē)試驗(yàn)后進(jìn)行收集整理，并經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化測(cè)試驗(yàn)證的。

1.2 B柱沖擊仿真

根據(jù)以上臺(tái)架試驗(yàn)，建立了對(duì)應(yīng)的有限元模擬測(cè)試模型(圖3)，其中兩側(cè)約束5個(gè)自由度，僅釋放Z向平動(dòng)自由度，結(jié)合GB20071—2006中的MDB與文獻(xiàn)[12]中IIHS的MDB形狀的差異，對(duì)于大小落錘的相對(duì)位置做了適當(dāng)調(diào)整(中心距縮為375mm，高度差減為30mm)，大錘寬度增大為250mm，并采用LS-DYNA[13]軟件進(jìn)行求解。

仿真時(shí)，沖擊落錘接觸瞬間的初始速度定義為30km/h，沖擊落錘加載為160kg，以達(dá)到與MDB同樣的B柱沖擊能量。仿真的主要參數(shù)為B柱總成的吸收能量、上下部支撐點(diǎn)的落錘反彈力和B柱8個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的入侵量。圖4為某車(chē)型B柱的沖擊仿真結(jié)果。

2 B柱沖擊仿真與整車(chē)碰撞的關(guān)聯(lián)

為驗(yàn)證上述仿真模型的正確性，采用了一種間接的方法：先建立整車(chē)側(cè)碰仿真模型，進(jìn)行側(cè)碰仿真，將其結(jié)果與實(shí)車(chē)側(cè)碰的試驗(yàn)結(jié)果相比較，如果整車(chē)側(cè)碰仿真模型正確，則可以用來(lái)檢驗(yàn)B柱有限元模擬測(cè)試模型的正確性。

2.1 整車(chē)仿真與整車(chē)碰撞對(duì)標(biāo)

GB20071—2006要求：(950±20)kg的可變形移動(dòng)壁障小車(chē)以(50±1)km/h的速度撞擊目標(biāo)被測(cè)車(chē)的駕駛員側(cè)。針對(duì)某新開(kāi)發(fā)車(chē)型，建立了整車(chē)側(cè)碰仿真模型(圖5)，按此條件進(jìn)行碰撞仿真。

在碰撞中B柱與座椅發(fā)生接觸的點(diǎn)(如1、2點(diǎn)等)、側(cè)門(mén)與假人可能進(jìn)行接觸的點(diǎn)(如前門(mén)分別對(duì)應(yīng)假人腹部和盆骨的3、4點(diǎn)等)及相關(guān)重要位置(包括B柱下部和座椅安裝點(diǎn))布置傳感器，對(duì)侵入量和侵入速度等變量進(jìn)行測(cè)量(圖6)。

圖7為整車(chē)側(cè)碰仿真模擬與實(shí)車(chē)碰撞的結(jié)果對(duì)比，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀察，整車(chē)變形和MDB變形都較吻合。

圖8為整車(chē)實(shí)車(chē)側(cè)碰試驗(yàn)與仿真模擬參數(shù)結(jié)果對(duì)比，包括MDB小車(chē)的加速度曲線對(duì)比、車(chē)身1～4點(diǎn)的侵入量和侵入速度對(duì)比，可以看出，仿真和試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，證明了仿真模型的正確性。

2.2 B柱沖擊仿真與整車(chē)碰撞仿真對(duì)標(biāo)

為驗(yàn)證B柱沖擊仿真模型的正確性，將該模型的仿真結(jié)果與使用整車(chē)模型的仿真結(jié)果進(jìn)行比對(duì)。從B柱上選取8個(gè)具有代表性的點(diǎn)，通過(guò)提取這些點(diǎn)的侵入量(最大位移)、侵入速度和變形后的重合度，可得對(duì)比結(jié)果如圖9～圖11所示。

圖9為B柱關(guān)鍵點(diǎn)侵入量對(duì)比。以模擬中B柱上相同點(diǎn)的侵入量曲線為上下偏差，求其平均值得到一條虛擬曲線。經(jīng)測(cè)量，兩條測(cè)試曲線分別位于虛擬曲線±5mm之內(nèi)，符合正常偏差值。圖10中所示的整車(chē)侵入速度為相對(duì)未變形側(cè)的相對(duì)速度，因此速度從零起始，簡(jiǎn)化測(cè)試中的速度為絕對(duì)速度，因?yàn)樵囼?yàn)中B柱上下端進(jìn)行了約束，因此其絕對(duì)速度與整車(chē)測(cè)試中的相對(duì)速度等價(jià)，所以兩個(gè)速度具有可比性。經(jīng)過(guò)對(duì)比分析這兩組速度曲線，發(fā)現(xiàn)兩組曲線經(jīng)過(guò)侵入速度再次為零的時(shí)刻完全吻合，符合工程要求?？梢?jiàn)，所建立的基于臺(tái)架試驗(yàn)條件的B柱沖擊仿真模型是正確的。

3 B柱總成設(shè)計(jì)方案選優(yōu)

整車(chē)開(kāi)發(fā)中B柱附近關(guān)聯(lián)件較多，可變因素復(fù)雜，受篇幅所限，本文中不考慮截面變化和造型更改等因素，僅對(duì)相同設(shè)計(jì)空間條件約束下，B柱材料、厚度和焊接工藝方式等不同組合方案進(jìn)行分析。

3.1 B柱設(shè)計(jì)方案分析

結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)與加工工藝，對(duì)B柱初始設(shè)計(jì)方案提出以下6種基于熱成形技術(shù)的改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，表1給出了基礎(chǔ)模型和各方案的B柱本體(含加強(qiáng)板)的材料、厚度和質(zhì)量等參數(shù)。

表1 B柱本體(含加強(qiáng)板)設(shè)計(jì)方案BOM表

圖12為從左到右依次使用熱成形技術(shù)的B柱本體(含加強(qiáng)板)設(shè)計(jì)方案與表1相對(duì)應(yīng)。方案1為直接的熱成形板，方案2為局部硬化的熱成形板，方案3為局部添加加強(qiáng)板的熱成形板，方案4為不等料厚的熱成形板，方案5為不等料厚和局部硬化結(jié)合的熱成形板，方案6為拼焊連接的熱成形板。下面分別對(duì)這些方案的特點(diǎn)進(jìn)行分析。

方案1 使用一塊獨(dú)立的本體替代原先多塊板的組合，該設(shè)計(jì)可以減少零件和模具的數(shù)量，也能簡(jiǎn)化焊接等工藝。

方案2 在加工同一個(gè)零件時(shí)，將熱成形板加熱爐進(jìn)行分區(qū)，根據(jù)設(shè)計(jì)產(chǎn)品對(duì)強(qiáng)度要求不同，調(diào)節(jié)分區(qū)加熱爐的溫度，從而使加工出來(lái)的一個(gè)零件上不同區(qū)域擁有不同的強(qiáng)度。通常情況下，不同強(qiáng)度的區(qū)域最小間隔為20mm(加熱爐最小分區(qū)為20mm)。

方案3 設(shè)計(jì)的獨(dú)特之處在于加強(qiáng)板與本體共用一套模具。具體的加工方法是，先將B柱本體與加強(qiáng)板下料，在未進(jìn)行沖壓前將兩塊板料預(yù)先焊接，再進(jìn)行沖壓。需要注意的是，該方案中的板料需要帶鍍層的，因?yàn)橐坏_壓之后，本體與加強(qiáng)板就不能分開(kāi)無(wú)法進(jìn)行電泳及涂裝，如果沒(méi)有鍍層很容易銹蝕。該方案不但節(jié)省模具，而且由于用同一模具沖壓，兩個(gè)零件的配合也非常好，不會(huì)存在異響等問(wèn)題。

方案4 特點(diǎn)在于同一個(gè)零件不同區(qū)域可以擁有不相同的料厚，以滿足性能的要求。需要注意的是，該方案中不等料厚區(qū)域的設(shè)計(jì)應(yīng)盡量保持上下對(duì)稱(chēng)，這樣可以更有效地提高材料的利用率。

方案5 這是一個(gè)輕量化效果較好的方案，因此被很多高端車(chē)型采用，當(dāng)然其設(shè)計(jì)和加工難度也相應(yīng)高很多。

方案6 目前較為常見(jiàn)的一種設(shè)計(jì)方案，因其容易設(shè)計(jì)和加工，備受很多主機(jī)廠青睞。

除了上述介紹的幾種設(shè)計(jì)方案外，還有局部添加襯板與拼焊連接結(jié)合的熱成形B柱(本體與加強(qiáng)結(jié)構(gòu))優(yōu)化設(shè)計(jì)等組合式方案，因其具有一定的重復(fù)性，不一一贅述。

3.2 改進(jìn)設(shè)計(jì)方案仿真分析

為在以上改進(jìn)設(shè)計(jì)方案中選出最優(yōu)方案，應(yīng)用前文介紹的仿真模型，對(duì)B柱的耐撞性與輕量化進(jìn)行比較。方案中熱成形材料與帶鍍層熱成形材料特性相同。

表1中BTR165[14](市場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)代號(hào)：22MnB5)、USIBOR[14](市場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)代號(hào)：USIBOR1500P)、M5、M4、M3、SFT均為熱成形材料，其熱成形后材料特性如表2所示。BTR165與USIBOR強(qiáng)度特性一致，其區(qū)別在于USIBOR是帶鍍層的，M5、M4、M3、SFT材料強(qiáng)度不同是由于加熱爐溫度不同形成的。

表2 材料主要特性對(duì)比

表3示出原方案和改進(jìn)設(shè)計(jì)方案的B柱總成(包括本體、加強(qiáng)板與內(nèi)板，不含側(cè)圍外板)質(zhì)量以及吸收能量、侵入量、落錘(上部與下部)最大反彈力的仿真結(jié)果。

表3 原方案與改進(jìn)設(shè)計(jì)方案性能對(duì)比

通過(guò)表3可以看出，所有設(shè)計(jì)方案中，不等料厚與局部硬化結(jié)合的方案5是輕量化效果最好的方案，該方案使結(jié)構(gòu)質(zhì)量減輕了18%以上。

圖13為方案5的安全性能仿真結(jié)果。通過(guò)對(duì)比各方面性能可以發(fā)現(xiàn)：改進(jìn)方案的吸收能量都控制與原方案基本一致；而在關(guān)鍵點(diǎn)侵入量方面，改進(jìn)方案都要優(yōu)于原方案的結(jié)果；落錘反彈力都控制在原方案±1kN以內(nèi)，因此改進(jìn)方案的安全性能結(jié)果都不低于原方案。

綜合考慮耐碰撞性和輕量化要求，不等料厚與局部硬化結(jié)合是B柱的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

3.3 改進(jìn)設(shè)計(jì)方案驗(yàn)證

將設(shè)計(jì)方案5應(yīng)用于某款新車(chē)型中，先后進(jìn)行了多項(xiàng)測(cè)試，包括按GB20071—2006中國(guó)側(cè)碰安全法規(guī)試驗(yàn)、2012版C-NCAP整車(chē)側(cè)面碰撞驗(yàn)證和歐洲E-NCAP側(cè)面柱碰試驗(yàn)。在這些試驗(yàn)中，整車(chē)側(cè)面(包括B柱)變形、侵入量、侵入速度總體都比較理想，試驗(yàn)假人各項(xiàng)傷害值均處于高性能限值區(qū)間。目前該產(chǎn)品已通過(guò)GB20071—2006認(rèn)證試驗(yàn)，表現(xiàn)優(yōu)秀。

4 結(jié)論

利用經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的整車(chē)碰撞仿真模型，驗(yàn)證了基于臺(tái)架試驗(yàn)條件的B柱仿真模型的正確性，提出了

應(yīng)用該模型在綜合考慮耐撞性與輕量化基礎(chǔ)上，進(jìn)行轎車(chē)B柱設(shè)計(jì)方案優(yōu)化選擇的方法。將此方法應(yīng)用于新車(chē)型開(kāi)發(fā)，結(jié)果表明不僅能減輕質(zhì)量，而且產(chǎn)品在相關(guān)整車(chē)側(cè)面碰撞試驗(yàn)中表現(xiàn)優(yōu)良。

[1] Marklund P O, Nilsson L. Optimization of a Car Body Component Subjected to Side Impact[J]. Structural and Multidisciplinary Optimization,2001,21(5):383-392.

[2] 譚耀武,楊濟(jì)匡,王四文.轎車(chē)B柱耐撞性與輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[J].中國(guó)機(jī)械工程,2010,21(23):2887-2892.

[3] 張學(xué)榮,蘇清祖.側(cè)面碰撞乘員損傷影響因素分析[J].汽車(chē)工程,2008,30(2):146-150.

[4] 張維剛,鄒正寬,王祥.側(cè)面碰撞中B柱侵入速度及變形模式對(duì)乘員損傷影響的研究[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009,36(8):28-32.

[5] 游國(guó)忠,陳曉東,程勇,等.轎車(chē)B柱的優(yōu)化及對(duì)側(cè)面碰撞安全性的影響[J].汽車(chē)工程,2006,28(11):972-975.

[6] Malkusson R, Karlsson P. Simulation Method for Establishing and Satisfying Side Impact Design Requirements[C]. SAE Paper 982358.

[7] 劉迪輝,汪晨,李光耀.車(chē)身B柱沖擊仿真與試驗(yàn)[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009,36(2):32-35.

[8] 唐洪斌.某轎車(chē)側(cè)面碰撞車(chē)體結(jié)構(gòu)性能研究[D].長(zhǎng)春:吉林大學(xué),2006.

[9] 張學(xué)偉.采用新式高強(qiáng)板的轎車(chē)B柱輕量化和強(qiáng)度優(yōu)化[D].大連:大連理工大學(xué),2010.

[10] Sun Hongtu, Hu Ping, Ma Ning, et al. Application of Hot Forming High Strength Steel Parts on Car Body in Side Impact[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering,2010,23(2):252-256.

[11] 馬寧,申國(guó)哲,張宗華,等.高強(qiáng)度鋼板熱沖壓材料性能研究及在車(chē)身設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2011,47(8):60-65.

[12] Hirt G. Entwicklung Einer Belastungsangepassten B-S?ule Mit Verbessertem Seitencrashverhalten Im Hinblick Auf Neue Crashanforderungen[R]. Forschung Für Die Praxis: Forschungsvereinigung Stahlanwendung: P 679. Verlag u. Vertriebsges. MbH,2007:45-47.

[13] LSTC. LS-DYNA Keyword User’s Manual Version 971[G/OL].2007. http://www.oasys-software.com/dyna/en/downloads/ls-dyna/ls-dyna_971_manual_k.pdf.

[14] 金愛(ài)君,孫風(fēng)蔚,陳杰龍,等.熱成型鋼板在汽車(chē)前橫梁上的應(yīng)用[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2011,41(增刊2):104-107.