側(cè)碰工況下差厚板B柱過(guò)渡區(qū)網(wǎng)格處理

胡賢磊，邵阿慶

側(cè)碰工況下差厚板B柱過(guò)渡區(qū)網(wǎng)格處理

胡賢磊1,2，邵阿慶*1

（1.東北大學(xué) 軋制技術(shù)及連軋自動(dòng)化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110819；2.蘇州東寶海星金屬材料科技有限公司，江蘇 蘇州 215000）

B柱是汽車側(cè)碰的重要安全件，差厚板B柱目前在汽車中的應(yīng)用越來(lái)越廣，其過(guò)渡區(qū)的數(shù)目、位置和長(zhǎng)度影響側(cè)碰性能?；趥鹘y(tǒng)的過(guò)渡區(qū)網(wǎng)格處理技術(shù)，更改過(guò)渡區(qū)參數(shù)極為復(fù)雜。將B柱中部畫(huà)成許多水平條狀網(wǎng)格，通過(guò)賦予水平網(wǎng)格不同厚度，即可實(shí)現(xiàn)過(guò)渡區(qū)參數(shù)的修改，大大簡(jiǎn)化了前處理流程。文章以某白車身側(cè)圍主要結(jié)構(gòu)件為模型建立側(cè)碰工況，對(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩種方法B柱側(cè)碰性能相近?；诟倪M(jìn)方法，做了一系列過(guò)渡區(qū)不同參數(shù)的側(cè)碰試驗(yàn)，并對(duì)各參數(shù)側(cè)碰性能進(jìn)行了對(duì)比分析。

差厚板B柱；過(guò)渡區(qū)；側(cè)碰性能

前言

社會(huì)發(fā)展帶來(lái)的能源緊缺、環(huán)境污染等問(wèn)題日益嚴(yán)重，節(jié)能減排、可持續(xù)發(fā)展被提上日程。采用柔性軋制技術(shù)生產(chǎn)的縱向變厚度板材減重效果顯著，在汽車車身結(jié)構(gòu)件中應(yīng)用得越來(lái)越廣泛。差厚板B柱作為汽車側(cè)圍重要的結(jié)構(gòu)件，在側(cè)面碰中保護(hù)著乘員安全。合理的過(guò)渡區(qū)數(shù)目、位置和長(zhǎng)度設(shè)計(jì)能提高側(cè)碰安全性、節(jié)能減排。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)差厚板過(guò)渡區(qū)數(shù)目、位置和長(zhǎng)度對(duì)性能的影響研究較少。付秀娟等[1]研究了差厚板過(guò)渡區(qū)位置向薄厚區(qū)偏移對(duì)盒形件成形性能的影響，但試驗(yàn)樣本少，沒(méi)有進(jìn)一步研究過(guò)渡區(qū)位置的影響規(guī)律；劉洪杰[2]研究了三段式和五段式汽車差厚管梁輕量化設(shè)計(jì)，然而并沒(méi)有詳細(xì)研究過(guò)渡區(qū)位置和長(zhǎng)度的影響。

傳統(tǒng)過(guò)渡區(qū)處理方法為：過(guò)渡區(qū)水平分割、畫(huà)網(wǎng)格、建立工況以及計(jì)算，繪制出的B柱網(wǎng)格如圖5所示。該方法過(guò)渡區(qū)參數(shù)固定，每次更改過(guò)渡區(qū)參數(shù)需要重新分割、畫(huà)網(wǎng)格、建立工況等，流程復(fù)雜，耗時(shí)大。

本文采用一種改進(jìn)的過(guò)渡區(qū)網(wǎng)格處理方法，在側(cè)碰工況中，比較了改進(jìn)前后B柱側(cè)碰性能的差異。同時(shí)，基于改進(jìn)的方法，做了一系列過(guò)渡區(qū)不同數(shù)目、位置和長(zhǎng)度的側(cè)碰試驗(yàn)。

1 過(guò)渡區(qū)網(wǎng)格處理及側(cè)碰模型的搭建

1.1 過(guò)渡區(qū)網(wǎng)格處理

B柱外板包含電泳孔、定位孔等，對(duì)側(cè)碰性能的影響較小，為了便于處理，對(duì)其進(jìn)行填充處理。以B柱外板上下幾何特征凹凸處為邊界，如圖1中虛線框中所示。整個(gè)過(guò)渡區(qū)區(qū)間被分成了長(zhǎng)700 mm，共計(jì)140個(gè)水平小條，每個(gè)水平小條寬5 mm。在hyper- mesh中對(duì)各部件以10 mm混合網(wǎng)格進(jìn)行繪制，過(guò)渡區(qū)區(qū)間四邊形網(wǎng)格長(zhǎng)10 mm，寬5 mm，相比于圖5中改進(jìn)前厚區(qū)網(wǎng)格細(xì)了一倍。

改進(jìn)后網(wǎng)格有以下幾方面的優(yōu)勢(shì)：

（1）過(guò)渡區(qū)區(qū)間內(nèi)每個(gè)水平小條可作為一個(gè)部件，僅需對(duì)其賦予不同的厚度，便可改變過(guò)渡區(qū)參數(shù)，大大簡(jiǎn)化分析流程；

（2）極大地控制了各種變量，包括焊點(diǎn)、網(wǎng)格尺寸差異等，使結(jié)果參考價(jià)值更高。

圖1 改進(jìn)方法繪制B柱網(wǎng)格

1.2 側(cè)碰工況的搭建

在側(cè)碰中，B柱受到移動(dòng)變形壁障（MDB）以50 km/h的速度垂直沖擊，MDB質(zhì)量1 400 kg，垂直水平方向定位均符合2018版中國(guó)新車評(píng)價(jià)規(guī)程（C- NCAP）[3]。側(cè)碰中，側(cè)圍結(jié)構(gòu)件是主要受力部件[4]。本設(shè)計(jì)所使用的是某車企的A級(jí)轎車，前后輪距2 667 mm，簡(jiǎn)化的側(cè)圍模型如圖2所示，除了圖中所示部件外，還包括B柱內(nèi)板、門(mén)檻梁加強(qiáng)板、A柱內(nèi)板、上邊梁加強(qiáng)板等加強(qiáng)件，各加強(qiáng)件與對(duì)應(yīng)外板之間均采用rigids單元連接。側(cè)圍結(jié)構(gòu)通常選擇熱成型超高強(qiáng)鋼和冷沖壓鋼，其中直接受力部件通常選擇前者，加強(qiáng)件通常選擇后者[5]。

圖2 側(cè)圍簡(jiǎn)化模型

綜合考慮側(cè)圍部件的受力、傳力路徑，及各部件在側(cè)碰中的變形模式[6]，對(duì)圖2中虛線框最外側(cè)節(jié)點(diǎn)6個(gè)自由度全約束。各側(cè)圍外板部件之間同樣選用rigids單元作為焊點(diǎn)進(jìn)行連接。為了防止部件之間發(fā)生穿透，各部件建立單面自動(dòng)接觸。側(cè)圍各部件和MDB之間建立自動(dòng)面-面接觸。表1是對(duì)應(yīng)圖2中側(cè)圍部件的材料和厚度，對(duì)應(yīng)于表1中各部件的加強(qiáng)件材料選擇DP600，厚1.2 mm。

表1 側(cè)圍各部件材料和厚度

序號(hào)部件名材料厚度/mm 1B柱22MnB51.2～2 2A柱22MnB51.2 3上邊梁DP7801.2 4門(mén)檻梁22MnB51.1

22MnB5是熱沖壓技術(shù)最為常用的鋼種，通常，熱沖壓前組織為鐵素體+珠光體，抗拉強(qiáng)度約600 MPa，經(jīng)過(guò)熱沖壓后組織為全馬氏體，抗拉強(qiáng)度達(dá)約1 500 MPa。鋼板合適的熱沖壓成形工藝制度為奧氏體化溫度950 ℃，奧氏體化時(shí)間為5 min，保壓時(shí)間為60 s[7]。圖3是通過(guò)單軸拉伸試驗(yàn)所得到的熱沖壓22MnB5真應(yīng)力應(yīng)變曲線。

圖3 22MnB5的真應(yīng)力應(yīng)變曲線

在側(cè)碰中，通常以碰撞方向即向最大侵入量和最大侵入速度（以下簡(jiǎn)稱侵入量和侵入速度）作為側(cè)碰性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)。圖4為B柱外板高度上對(duì)應(yīng)于假人的頭部、胸部、腹部和骨盆的位置[8]。假設(shè)B柱外板及內(nèi)飾側(cè)碰侵入量相等，則根據(jù)法規(guī)有：d侵入速度＜8 m/s，侵入量＜203 mm表現(xiàn)優(yōu)秀[9]。

圖4 B柱對(duì)應(yīng)假人測(cè)量位置

2 側(cè)碰試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 兩種方法過(guò)渡區(qū)對(duì)比設(shè)計(jì)

以圖7中雙過(guò)渡區(qū)為例，改進(jìn)前后設(shè)計(jì)如圖5所示，薄區(qū)、厚區(qū)和差厚比對(duì)應(yīng)分別為1.2 mm、1.8 mm、1:1.5。由于網(wǎng)格及焊點(diǎn)的差異，B柱前后質(zhì)量差值為0.059 kg。如圖4中對(duì)應(yīng)假人關(guān)鍵部位高度測(cè)量點(diǎn)誤差在±5 mm左右。改進(jìn)后過(guò)渡區(qū)和厚區(qū)網(wǎng)格大小無(wú)差別，在圖5中特征凸起處網(wǎng)格質(zhì)量稍差。

圖5 改進(jìn)前（左）后（右）B柱網(wǎng)格對(duì)比

2.2 過(guò)渡區(qū)不同數(shù)目、位置和長(zhǎng)度試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.2.1過(guò)渡區(qū)不同數(shù)目設(shè)計(jì)

以改進(jìn)方法中140個(gè)水平條狀網(wǎng)格進(jìn)行試驗(yàn)樣本設(shè)計(jì)，控制不同設(shè)計(jì)之間B柱質(zhì)量一致。通過(guò)賦予不同的厚度，組合成過(guò)渡區(qū)不同數(shù)目、分布和長(zhǎng)度的多組試驗(yàn)樣本，導(dǎo)出計(jì)算。該試驗(yàn)設(shè)計(jì)B柱厚區(qū)區(qū)間長(zhǎng)度固定為400 mm，過(guò)渡區(qū)長(zhǎng)度設(shè)定為45 mm。如圖6所示，忽略R1和R2，以9個(gè)水平長(zhǎng)條線性插值模擬直線主導(dǎo)型過(guò)渡區(qū)[10]。

圖6 過(guò)渡區(qū)類型

圖7 過(guò)渡區(qū)不同數(shù)目設(shè)計(jì)

厚區(qū)區(qū)間以外的薄區(qū)厚度1.2 mm，如圖7所示，對(duì)厚區(qū)間進(jìn)行等間距不同過(guò)渡區(qū)數(shù)目設(shè)計(jì)。將原本1.8 mm的厚區(qū)分別設(shè)計(jì)為1.6 mm、1.7 mm、1.8 mm、1.9 mm、2.0 mm的不同組合，共計(jì)7組試驗(yàn)。

圖7設(shè)計(jì)中過(guò)渡區(qū)兩側(cè)對(duì)應(yīng)的板料厚度分布及B柱質(zhì)量見(jiàn)表2，最大質(zhì)量差為0.031 kg。

表2 不同過(guò)渡區(qū)數(shù)目厚度分布及B柱質(zhì)量

過(guò)渡區(qū)數(shù)目厚度分布/mmB柱質(zhì)量/kg 21.2/1.8/1.24.281 31.2/1.7/1.9/1.24.292 41.2/1.7/1.9/1.8/1.24.283 51.2/1.6/2/1.6/2/1.24.296 61.2/1.8/1.6/1.8/2/1.8/1.24.287 71.2/1.8/2/1.6/1.8/2/1.6/1.24.265 81.2/1.8/1.6/2/1.8/1.6/2/1.8/1.24.285

2.2.2過(guò)渡區(qū)不同位置設(shè)計(jì)

以圖7中雙過(guò)渡區(qū)為例，B柱上下端薄區(qū)1.2 mm，中間厚區(qū)1.8 mm。如圖8所示，在厚區(qū)區(qū)間固定的情況下，同步移動(dòng)2個(gè)過(guò)渡區(qū)，雙過(guò)渡區(qū)初始位置為，上下兩個(gè)過(guò)渡區(qū)中部距離B柱上端分別為520 mm和965 mm。在過(guò)渡區(qū)區(qū)間內(nèi)，由B柱下端紅色線框的初始位置向B柱上端移動(dòng)到紅色虛線框位置結(jié)束，結(jié)束位置為上下兩個(gè)過(guò)渡區(qū)中部距離B柱上端分別為320 mm和765 mm，每次等間隔移動(dòng)10 mm，共計(jì)21組試驗(yàn)。由于B柱結(jié)構(gòu)上窄下寬，在移動(dòng)過(guò)程中，B柱整體質(zhì)量略微減小，最大質(zhì)量差為0.133 kg。

圖8 過(guò)渡區(qū)不同位置設(shè)計(jì)

2.2.3過(guò)渡區(qū)不同長(zhǎng)度設(shè)計(jì)

圖9 過(guò)渡區(qū)不同長(zhǎng)度設(shè)計(jì)

同樣以圖7中雙過(guò)渡區(qū)為例，為了控制質(zhì)量不變，過(guò)渡區(qū)區(qū)間中部的雙過(guò)渡區(qū)同時(shí)以5 mm為單位向薄厚區(qū)兩側(cè)延長(zhǎng)，過(guò)渡區(qū)中部位置不變，如圖9紅色虛線所示。厚區(qū)1.8 mm，薄區(qū)1.2 mm，過(guò)渡區(qū)在薄厚差固定0.6 mm內(nèi)線性插值。過(guò)渡區(qū)長(zhǎng)度范圍：15 mm～135 mm，以10 mm遞進(jìn)，共計(jì)15組試驗(yàn)。

3 側(cè)碰結(jié)果分析

3.1 過(guò)渡區(qū)網(wǎng)格改進(jìn)前后側(cè)碰對(duì)比

改進(jìn)前后B柱侵入量和侵入速度總體變化很小，如圖10所示。產(chǎn)生較小偏差的原因如下：其一，改進(jìn)后過(guò)渡區(qū)區(qū)間的網(wǎng)格細(xì)小，且網(wǎng)格方向水平固定，如圖5中特征凸起周圍網(wǎng)格質(zhì)量差，相較于原方法，該部分網(wǎng)格與幾何輪廓尺寸及形狀偏差稍大；其二，改進(jìn)前后由于網(wǎng)格繪制的差異，B柱質(zhì)量有0.059 kg的偏差；其三，使用rigids單元連接B柱各部件時(shí)，單元兩側(cè)連接點(diǎn)不一致，導(dǎo)致力和速度在傳遞的過(guò)程有較小偏差；其四，對(duì)應(yīng)假人關(guān)鍵部位測(cè)量點(diǎn)高度有較小差異。總體來(lái)看，改進(jìn)方法和原方法側(cè)碰性能基本一致，且當(dāng)過(guò)渡區(qū)參數(shù)改變時(shí)，改進(jìn)方法相比于原方法更能控制變量的一致性。

3.2 不同過(guò)渡區(qū)數(shù)目側(cè)碰結(jié)果對(duì)比

在側(cè)碰試驗(yàn)中，對(duì)應(yīng)假人頭部高度位置遠(yuǎn)離碰撞接觸區(qū)，當(dāng)B柱質(zhì)量恒定時(shí)，該位置侵入量和侵入速度相差很小。為了便于分析，以下均略去。過(guò)渡區(qū)數(shù)目為2～8的側(cè)碰結(jié)果見(jiàn)圖11，黑色水平線以下表示側(cè)碰侵入量?jī)?yōu)秀。侵入量整體變化較小，原因主要是：其一，質(zhì)量對(duì)側(cè)碰性能的影響較大，當(dāng)控制質(zhì)量恒定時(shí)，側(cè)碰性能相差較?。黄涠?，厚區(qū)區(qū)間較窄且厚差小，沒(méi)有充分發(fā)揮過(guò)渡區(qū)數(shù)目對(duì)侵入量的影響；其三，過(guò)渡區(qū)等間距分布，沒(méi)有針對(duì)侵入量做到差異化排布。侵入速度在8 m/s以下，隨著過(guò)渡區(qū)數(shù)目改變，在0 m/s～0.2 m/s范圍波動(dòng)。

3.3 不同過(guò)渡區(qū)位置側(cè)碰結(jié)果對(duì)比

過(guò)渡區(qū)不同位置的21次側(cè)碰試驗(yàn)結(jié)果如圖12所示。橫坐標(biāo)1～21分別對(duì)應(yīng)雙過(guò)渡區(qū)同步向上移動(dòng)，黑色水平線以下侵入量表現(xiàn)優(yōu)秀，紅色水平線以下為安全侵入速度。侵入量方面，當(dāng)橫坐標(biāo)為2和13，分別對(duì)應(yīng)雙過(guò)渡區(qū)從B柱下端向上移動(dòng)20 mm和130 mm時(shí)，侵入量表現(xiàn)優(yōu)異。移動(dòng)到170 mm以后，腹部侵入量明顯增大，胸部和骨盆處也穩(wěn)步增加，由于此階段B柱下部薄區(qū)長(zhǎng)度達(dá)到或超過(guò)了MDB和側(cè)圍的碰撞接觸區(qū)。在侵入速度方面，胸部和腹部同步增減，當(dāng)橫坐標(biāo)為9，即移動(dòng)90 mm時(shí)，侵入速度較低。綜合考慮侵入量和侵入速度，選擇雙過(guò)渡區(qū)上移130 mm位置，即上下過(guò)渡區(qū)中部距離B柱上端分別為400 mm和845 mm。

3.4 不同過(guò)渡區(qū)長(zhǎng)度側(cè)碰結(jié)果對(duì)比

不同過(guò)渡區(qū)長(zhǎng)度得到的側(cè)碰結(jié)果如圖13所示。胸腹部侵入量同步增減，當(dāng)橫坐標(biāo)為21，即過(guò)渡區(qū)長(zhǎng)105 mm時(shí)，骨盆處侵入量增加較快。由于過(guò)渡區(qū)長(zhǎng)度增加到此階段，1.8 mm的厚區(qū)已經(jīng)越來(lái)越小，使得B柱下部較薄區(qū)域長(zhǎng)度增加，影響骨盆位置的側(cè)碰侵入量，而對(duì)胸腹部影響較小。侵入速度方面，胸腹部同增減，當(dāng)橫坐標(biāo)為7，即過(guò)渡區(qū)長(zhǎng)35 mm時(shí)，各部位侵入速度較低。考慮到此時(shí)侵入量也較小，因此35 mm可作為該設(shè)計(jì)過(guò)渡區(qū)的較優(yōu)長(zhǎng)度。

4 結(jié)論

本文提出了改進(jìn)的差厚板B柱過(guò)渡區(qū)網(wǎng)格處理方法。通過(guò)側(cè)碰分析，表明兩種方法在側(cè)碰性能方面差異很小。同時(shí)，基于改進(jìn)的方法做了一系列質(zhì)量一致的情況下，不同的過(guò)渡區(qū)參數(shù)對(duì)側(cè)碰性能的影響試驗(yàn)?？偨Y(jié)為以下幾點(diǎn)：

（1）B柱中部厚區(qū)區(qū)間內(nèi)過(guò)渡區(qū)數(shù)目對(duì)側(cè)碰性能的影響較小，在對(duì)B柱輕量化設(shè)計(jì)時(shí)，可以適當(dāng)增加過(guò)渡區(qū)的間距，根據(jù)側(cè)碰侵入量和侵入速度做到差異化排布。

（2）當(dāng)B柱中部厚區(qū)長(zhǎng)度不變，同步改變雙過(guò)渡區(qū)位置時(shí)，上下過(guò)渡區(qū)中部距B柱上端400 mm和845 mm處為較優(yōu)位置，減重效果好。

（3）當(dāng)B柱中部過(guò)渡區(qū)位置固定，得出較優(yōu)的過(guò)渡區(qū)長(zhǎng)度為35 mm。同時(shí)，在過(guò)渡區(qū)參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，B柱下部薄區(qū)厚度盡量不要超過(guò)碰撞接觸區(qū)。

[1] 付秀娟,于歌,趙嚴(yán),等.過(guò)渡區(qū)位置變化對(duì)軋制差厚板拉深成形性能的影響[J].熱加工工藝,2020,49(03):103-107+112.

[2] 劉洪杰.差厚管UOE成形特性及模態(tài)分析研究[D].沈陽(yáng):東北大學(xué),2016.

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Mesh Treatment of the Transition Zone about B-pillar Used Tailor Rolled Blank under Side Impact

HU Xianlei1,2, SHAO Aqing*1

( 1.The State Key Laboratory of Rolling and Automation, Northeastern University, Shenyang Liaoning 110819;2.Suzhou Dongbaohaixing Metal Material Science and Technology Co., Ltd., Jiangsu Suzhou 215000 )

The B-pillar is an important safety part for side impact of automobiles. The B-pillars used tailor rolled blank(TRB) are currently more and more widely used in automobiles. The number, position and length of the transition zone affect the performance of side impact. Based on the traditional grid processing technology of the transition zone, it is extremely complicated to change the parameters of the transition zone.On the basis of the original method, the middle part of the B-pillar is drawn into many horizontal strip grids, and the parameters of the transition zone can be modified only by assigning different thicknesses to the horizontal grids, which greatly simplifies the pre-processing process.The side impact condition is established by taking the main structural parts of a body-in-white side wall as a model. The comparison shows that the two methods have similar side impact performance of B-pillar. Based on the improved method, a series of side impact tests with different parameters in the transition zone were done, and the side impact performance of each parameter was compared and analyzed.

B-pillar used tailor rolled blank;Transition zone;Side impact performance

U467

A

1671-7988(2022)02-76-06

U467

A

1671-7988(2022)02-76-06

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.002.018

胡賢磊，博士，副教授，就職于東北大學(xué)，主要從事差厚板方面的研究工作。

邵阿慶，東北大學(xué)碩士研究生，主要研究乘用車差厚板B柱側(cè)碰性能優(yōu)化。

2017國(guó)家重大基礎(chǔ)材料專項(xiàng)NO.2017YFB0304105資助。