某車型側(cè)面碰撞B柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化仿真研究

陳昊，伍思旺，朱鈺，段大祿，賈麗剛，凡沙沙，莫默

上汽通用五菱汽車股份有限公司技術(shù)中心，廣西柳州 545005

0 引言

在2001-2015 年交通事故統(tǒng)計(jì)的11211宗轎車碰撞事故里，發(fā)生側(cè)面碰撞的概率是27%。對美國交通事故中受重傷的24000名人員進(jìn)行調(diào)查發(fā)現(xiàn)，有67%的受重傷人員是因?yàn)槠囬g發(fā)生了側(cè)面碰撞[1]。車身的側(cè)面結(jié)構(gòu)是比較薄弱的部位，且不像車身前端有比較多的吸能裝置，一旦發(fā)生側(cè)面碰撞，很容易造成乘員受重傷[2]。B柱加強(qiáng)板作為汽車側(cè)面碰撞的主要受力吸能部件，其性能設(shè)計(jì)在汽車側(cè)面耐撞性研究中至關(guān)重要[3]。

如果B柱強(qiáng)度過大，不能吸收足夠的能量，碰撞速度過大，車內(nèi)乘員的安全性就會大幅度降低；如果B柱強(qiáng)度過低，整車變形就會增大，壓縮車內(nèi)乘員安全空間，對乘員安全性也不利。張維剛等[4]引入假人的側(cè)碰仿真試驗(yàn)研究，也證明了合理的B柱變形模式能夠有效減小假人的傷害值。

本文對某車型進(jìn)行整車建模，運(yùn)用熱成型材料，對一體式、分體式和變厚度式3種B柱加強(qiáng)板設(shè)計(jì)進(jìn)行50 km/h側(cè)面碰撞的仿真和結(jié)果分析，最終發(fā)現(xiàn)變厚度式（variable-thickness rolled blanks，VRB）B柱加強(qiáng)板安全性最高。

1 有限元模型簡述

試驗(yàn)車網(wǎng)格數(shù)量約為225萬個（只對車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行評估，不帶假人），整車質(zhì)量為1172 kg，運(yùn)用HyperWorks軟件進(jìn)行建模，并將LS-DYNA作為仿真分析工具分析有限元邊界條件基于2020-2024 Latin-NCAP 50MDB 的測試內(nèi)容。

仿真的邊界條件設(shè)置如下：移動變形避障的縱向中垂面對齊車輛上通過碰撞側(cè)前排座椅的R點(diǎn)，初始速度設(shè)置為50 km/h。Latin-NCAP 50MDB 碰撞示意如圖1所示。

圖1 Latin-NCAP 50MDB碰撞示意

2 不同B柱設(shè)計(jì)的仿真分析

B柱加強(qiáng)板是側(cè)面碰撞中B柱最為重要的零件，其變形和吸能可直接影響汽車側(cè)面碰撞的安全性。

B柱的折彎變形位置對乘員傷害影響巨大。B柱上方折彎嚴(yán)重會增加乘員頭部損傷；B柱中間折彎嚴(yán)重，對乘員胸部和腹部不利；只有B柱加強(qiáng)板在最下端折彎變形最好，在吸能的同時可以盡可能減少乘員受到的損傷[5]，如圖2所示。

圖2 B柱加強(qiáng)板折彎位置

B柱加強(qiáng)板的設(shè)計(jì)可以直接影響B(tài)柱折彎變形的位置。以某車型為例，初始階段B柱加強(qiáng)板設(shè)計(jì)為一體式。

2.1 一體式B柱加強(qiáng)板

一體式B柱加強(qiáng)板指的是B柱加強(qiáng)板只有一塊整體結(jié)構(gòu)且每個地方厚度一致，這也是目前最為普遍的B柱加強(qiáng)板設(shè)計(jì)，如圖3所示。

圖3 一體式B柱加強(qiáng)板

從安全性的角度考慮，發(fā)生側(cè)面碰撞時移動變形避障會直接擠壓B柱中間位置，如果B柱上中下強(qiáng)度一樣，中間就會出現(xiàn)嚴(yán)重的折彎變形，乘員損傷會增加。以某車型為例，采用2.2 mm熱成型一體式B柱加強(qiáng)板，經(jīng)過側(cè)面碰撞后B柱加強(qiáng)板變形，如圖4所示。

圖4 一體式B柱加強(qiáng)板變形

一體式B柱加強(qiáng)板Y向侵入量見表1。

表1 一體式B柱加強(qiáng)板Y向侵入量

可以發(fā)現(xiàn)，2.2 mm熱成型一體式B柱加強(qiáng)板不能滿足需求，必須將中間的折彎位置改善到下方，對B柱下端進(jìn)行弱化，將一體式B柱加強(qiáng)板變更為上下強(qiáng)度不一致的分體式設(shè)計(jì)。

2.2 分體式B柱加強(qiáng)板

分體式B柱加強(qiáng)板就是B柱采用上下兩塊加強(qiáng)板，為了弱化B柱下端，一般B柱下端的加強(qiáng)板材料和結(jié)構(gòu)要比B柱上端的弱，這樣才可以保證側(cè)面碰撞時B柱下端有折彎的趨勢，如圖5所示。

圖5 分體式B柱加強(qiáng)板

以某車型為例，采用2.2 mm B柱上加強(qiáng)板和2.0 mm B340590DP B柱下加強(qiáng)板，經(jīng)過側(cè)面碰撞后B柱加強(qiáng)板變形，如圖6所示。

圖6 分體式B柱加強(qiáng)板變形

分體式B柱加強(qiáng)板Y向侵入量見表2。

表2 分體式B柱加強(qiáng)板Y向侵入量

經(jīng)過結(jié)果調(diào)整后，B柱的折彎位置已經(jīng)被誘導(dǎo)到了B柱下方，但是B柱上下搭接位置碰撞過程中容易出現(xiàn)焊點(diǎn)失效，實(shí)車碰撞性能無法跟分析需求保持一致，而且由于B柱下方較弱，會導(dǎo)致B柱整體的Y向侵入量過大，造成乘員損傷嚴(yán)重。如果可以將B柱上中下三層的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度按分析需求設(shè)計(jì)出來，就可以解決這個問題。

2.3 VRB式B柱加強(qiáng)板

VRB是中國寶武鋼鐵集團(tuán)有限公司開發(fā)的與德國Mubea柔性軋制板（tailor-rolled blanks）類似的技術(shù)，通過軋鋼機(jī)實(shí)施柔性軋制，實(shí)現(xiàn)間距實(shí)時調(diào)整變化，借助于特殊設(shè)計(jì)的軋機(jī)的壓下厚度自動控制系統(tǒng)（液壓AGC），控制軋輥的位置，使其間距能實(shí)時地調(diào)整變化，從而使軋制出的薄板在沿著鋼板軋制方向上具有預(yù)先定制的變厚度分布。寶鋼采用VRB技術(shù)，變厚度鋼板的厚薄差可達(dá)50%，在保證性能的基礎(chǔ)上又可以實(shí)現(xiàn)減重的目標(biāo)，其工藝流程如圖7所示。

圖7 VRB工藝流程

對于側(cè)面碰撞來說，最合理的B柱強(qiáng)度需求為中間高、兩邊低。以某車型為例，采用1.4～2.2 VRB式B柱加強(qiáng)板，如圖8所示。

圖8 VRB式B柱加強(qiáng)板

經(jīng)過側(cè)面碰撞后B柱加強(qiáng)板變形，如圖9所示。

圖9 VRB式B柱加強(qiáng)板變形

VRB式B柱加強(qiáng)板Y向侵入量見表3。

表3 VRB式B柱加強(qiáng)板Y向侵入量

采用VRB式B柱加強(qiáng)板，側(cè)面碰撞的變形已經(jīng)基本可以滿足需求，從節(jié)約成本的角度出發(fā),整個B柱加強(qiáng)板的重量也減輕了40%左右，在安全性能和輕量化方面表現(xiàn)最佳。

3 結(jié)論

綜上所述，VRB式B柱加強(qiáng)板相對傳統(tǒng)的分體式和一體式在重量及碰撞性能上均有較大的優(yōu)勢，是未來汽車B柱最好的設(shè)計(jì)之一。

某車型最終選擇VRB式B柱加強(qiáng)板，成功通過2020-2024 Latin-NCAP 50MDB測試。