基于碰撞車(chē)門(mén)防撞梁輕量化設(shè)計(jì)*

劉新宇

(煙臺(tái)汽車(chē)工程職業(yè)學(xué)院 車(chē)輛運(yùn)用工程系，山東 煙臺(tái) 265500)

1 引言

汽車(chē)車(chē)身的輕量化，可減輕汽車(chē)車(chē)身的質(zhì)量，并降低能源的消耗，但同時(shí)還要保證汽車(chē)的安全性能。提高車(chē)身材料的強(qiáng)度是滿足這些要求的有效方法，因此高強(qiáng)度鋼板越來(lái)越多地應(yīng)用到汽車(chē)的車(chē)身上。傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的普通高強(qiáng)度鋼板抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度相對(duì)較低，而采用先進(jìn)設(shè)備及工藝生產(chǎn)的先進(jìn)高強(qiáng)度鋼板，具有較高的減重潛力、碰撞吸能特性、疲勞強(qiáng)度和成形性等優(yōu)點(diǎn)。

高強(qiáng)度鋼板熱成形技術(shù)，對(duì)高強(qiáng)度鋼板熱沖壓后進(jìn)行熱處理，可以顯著提高材料的強(qiáng)度和成形能力，適合制造加強(qiáng)梁、防撞桿及保險(xiǎn)杠等在發(fā)生碰撞時(shí)能夠起到減少變形作用的被動(dòng)安全車(chē)身零部件，在實(shí)現(xiàn)車(chē)身輕量化的同時(shí)提高了汽車(chē)的安全性能。國(guó)外對(duì)高強(qiáng)度鋼板的研究和應(yīng)用比較廣泛，高強(qiáng)度鋼板熱成形構(gòu)件在汽車(chē)上的用量也逐漸增加，同時(shí)激光拼焊和液壓成形等技術(shù)也得到了廣泛的應(yīng)用［1-4］。國(guó)內(nèi)逐漸開(kāi)展了高強(qiáng)度熱成形技術(shù)的研究［5-9］，并從國(guó)外引入熱沖壓生產(chǎn)線，生產(chǎn)的幾款轎車(chē)車(chē)身的A柱、B柱和保險(xiǎn)杠等幾種沖壓件，但耗資巨大。

筆者對(duì)熱成形的先進(jìn)高強(qiáng)度鋼板進(jìn)行研究，對(duì)熱沖壓成形的車(chē)身高強(qiáng)度鋼板構(gòu)件材料進(jìn)行試驗(yàn)，分析車(chē)身高強(qiáng)度鋼板熱成形構(gòu)件的力學(xué)性能和金相組織。以某轎車(chē)為例，應(yīng)用高強(qiáng)度鋼板熱成形構(gòu)件對(duì)車(chē)門(mén)防撞梁進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，并進(jìn)行側(cè)面碰撞的有限元模擬計(jì)算和對(duì)比分析，驗(yàn)證了高強(qiáng)度鋼板熱成形構(gòu)件在車(chē)身上應(yīng)用的可行性。

2 高強(qiáng)度鋼板熱成形構(gòu)件

2.1 熱沖壓成形加工工藝

含硼鋼是目前廣泛應(yīng)用于熱沖壓成形的鋼板，這類(lèi)鋼的成分是在C-Mn鋼的基礎(chǔ)上添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為(20-50)×10-4%的硼，用于固溶在鋼中起強(qiáng)化作用。由于硼與氧和氮有強(qiáng)烈的化學(xué)親和力，因此在鋼中添加硼時(shí)需要添加一些強(qiáng)氧化物和氮化物元素，如鋁、鋯和鈦等。固溶的硼偏析在奧氏體晶粒邊界，延遲了鐵素體和貝氏體的形核進(jìn)而增加了鋼的強(qiáng)度。

高強(qiáng)度鋼板熱成形的加工工藝，是將含硼鋼材料加熱到880～950℃單相奧氏體區(qū)后，經(jīng)5～10 min的保溫，溫度在600～800℃后熱沖壓成形，當(dāng)冷卻速度大于15℃/s后，鋼板的組織轉(zhuǎn)變?yōu)槿R氏體組織，循環(huán)水冷卻模具上激冷淬火，冷卻溫度為50～100℃/s，模具溫度控制在20～200℃范圍內(nèi)，零件溫度降至80～150℃左右取出，全工序時(shí)間為15～25 s。熱沖壓的構(gòu)件硬度可達(dá)到HV450～500，強(qiáng)度可達(dá)到1 300～1 500 MPa。

在熱沖壓過(guò)程中，鋼板在高溫下暴露于空氣中，不可避免地會(huì)引起表面氧化，形成氧化鐵皮。為不影響后續(xù)的涂裝工序，熱沖壓后的零件需經(jīng)過(guò)噴丸或酸洗處理，去掉鋼板表面的氧化鐵皮。同時(shí)，鋼板在氧化的同時(shí)也會(huì)引起鋼板表面的脫碳，進(jìn)而影響鋼板的強(qiáng)度。可以應(yīng)用表面鋁基和鋅基鍍層的熱沖壓鋼板，采用熱鍍工藝實(shí)現(xiàn)，鍍層具備抗高溫和耐腐蝕的特點(diǎn)，但鋼板需要成本較高的激光切割。

2.2 高強(qiáng)度鋼板熱成形構(gòu)件特性

對(duì)高強(qiáng)度鋼板熱成形構(gòu)件進(jìn)行材料試驗(yàn)，對(duì)滿足熱沖壓成形要求的典型鋼板22MnB5，按照熱沖壓成形加工工藝加工出某轎車(chē)車(chē)門(mén)內(nèi)板加強(qiáng)梁構(gòu)件。從構(gòu)件上不同部位選取3個(gè)試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)和金相分析。材料試驗(yàn)試樣如圖1所示。

圖1 熱成形高強(qiáng)度鋼板試樣

試驗(yàn)中得到各個(gè)部位試樣的強(qiáng)度、硬度和伸長(zhǎng)率等力學(xué)性能。高強(qiáng)度鋼板熱成形構(gòu)件的平均屈服強(qiáng)度為1 120 MPa，抗拉強(qiáng)度為1 413 MPa，硬度為447 HV，達(dá)到了先進(jìn)高強(qiáng)度鋼板的力學(xué)特性，但構(gòu)件的伸長(zhǎng)率較低，平均伸長(zhǎng)率為7.4%。

試驗(yàn)得到材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖2所示。從圖中可以看出，熱成形高強(qiáng)度鋼板材料較普通高強(qiáng)度鋼板的力學(xué)性能有了較大的提高。

圖2 熱成形高強(qiáng)度鋼板應(yīng)力-應(yīng)變曲線

高強(qiáng)度鋼板溫?zé)岢尚螛?gòu)件試樣的金相組織，如圖3所示。從金相分析中可以看出，馬氏體組織轉(zhuǎn)化率達(dá)到了97%以上，可見(jiàn)加工的高強(qiáng)度鋼板熱成形構(gòu)件滿足先進(jìn)高度鋼板的性能要求。

3 熱成形高強(qiáng)度鋼板金相組織

試驗(yàn)中高強(qiáng)度鋼板熱成形車(chē)門(mén)防撞梁厚度為1.6 mm，而原車(chē)該普通高強(qiáng)度鋼板構(gòu)件的厚度為2 mm。力學(xué)性能有顯著的提高，而且質(zhì)量較原來(lái)的構(gòu)件減輕了20%，可實(shí)現(xiàn)車(chē)身輕量化。

3 高強(qiáng)度鋼板熱成形構(gòu)件碰撞分析

根據(jù)高強(qiáng)度鋼板熱成形構(gòu)件的特性，對(duì)某轎車(chē)車(chē)身的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，將原車(chē)門(mén)防撞梁普通高強(qiáng)度鋼板構(gòu)件，替換為高強(qiáng)度鋼板熱成形構(gòu)件，并對(duì)車(chē)體的側(cè)面碰撞進(jìn)行分析。

3.1 有限元模型

根據(jù)C-NCAP試驗(yàn)要求［10］，建立整車(chē)側(cè)面碰撞有限元模型，可變形壁障以50 km/h的速度側(cè)面撞擊汽車(chē)。整車(chē)側(cè)面碰撞有限元模型，如圖4所示。將模型輸入LS-DYNA中進(jìn)行側(cè)面碰撞的模擬計(jì)算。

圖4 整車(chē)側(cè)面碰撞有限元模型

通過(guò)PSM(預(yù)規(guī)定結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng))方法，將車(chē)體側(cè)面結(jié)構(gòu)的碰撞有限元計(jì)算結(jié)果輸入MADYMO中，建立乘員傷害指標(biāo)的計(jì)算模型，計(jì)算側(cè)面碰撞中假人的傷害值，計(jì)算模型如圖5所示。

圖5 乘員傷害指標(biāo)計(jì)算模型

對(duì)整車(chē)側(cè)面碰撞進(jìn)行模擬計(jì)算，通過(guò)與CNCAP實(shí)車(chē)碰撞結(jié)果的對(duì)比，驗(yàn)證模型的有效性。

3.2 碰撞結(jié)果分析

將試驗(yàn)得到的高強(qiáng)度鋼板熱成形構(gòu)件的材料參數(shù)輸入有限元模型中，進(jìn)行整車(chē)側(cè)面碰撞的模擬計(jì)算，并與原車(chē)普通高強(qiáng)度鋼板構(gòu)件車(chē)身的側(cè)面碰撞模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。車(chē)體側(cè)面結(jié)構(gòu)件的變形對(duì)比，如圖6所示。

圖6 車(chē)體側(cè)面構(gòu)件變形

從車(chē)門(mén)防撞梁的變形可以看出，由于高強(qiáng)度鋼板熱成形構(gòu)件的強(qiáng)度較原普通鋼板有了顯著的提高，因此車(chē)體側(cè)面構(gòu)件和車(chē)體總體的變形都有所減小。選取防撞梁上的3個(gè)位置，測(cè)量點(diǎn)位置的最大變形侵入量，如表1所列。

表1 車(chē)體最大變形侵入量 /mm

從表1可以看出，車(chē)體側(cè)面碰撞變形最大減少了54mm，比原普通高強(qiáng)度鋼板構(gòu)件車(chē)身減少了18%，可見(jiàn)熱成形高強(qiáng)度鋼板構(gòu)件對(duì)減小碰撞車(chē)體變形，保護(hù)碰撞中駕駛室的空間有著重要的作用。

車(chē)體加速度對(duì)比如圖7所示。車(chē)體加速度的測(cè)量點(diǎn)選取在B柱上。從圖中可以看出，熱成形高強(qiáng)度鋼板構(gòu)件的車(chē)體加速度較原普通鋼板車(chē)體有所提高，加速度的峰值由原來(lái)的65 g增加到74 g。原因是側(cè)面碰撞過(guò)程中，高強(qiáng)度鋼板熱成形構(gòu)件的變形減少?gòu)亩盏哪芰繙p少，導(dǎo)致加速度峰值有所提高。

圖7 車(chē)體加速度時(shí)間歷程

根據(jù)C-NCAP的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)乘員傷害指標(biāo)進(jìn)行分析，如表2所列。從表中可以看出，由于車(chē)體的加速度峰值提高使假人頭部的加速度也有所增大，導(dǎo)致頭部的HIC36值較原普通高強(qiáng)度鋼板構(gòu)件車(chē)身提高了3.7%，但由于車(chē)體側(cè)面結(jié)構(gòu)變形的減少，使胸部的壓縮變形量較原來(lái)減少了5.44 mm，降低了18%，且腹部和骨盆的傷害值也有不同程度的降低。原普通高強(qiáng)度鋼板車(chē)身側(cè)面碰撞C-NCAP得分為9分，而應(yīng)用高強(qiáng)度鋼板熱成形構(gòu)件車(chē)身側(cè)面碰撞的得分為11分。可見(jiàn)車(chē)體側(cè)面碰撞的安全性得到了提高。

表2 乘員傷害指標(biāo)

4 結(jié)論

(1)對(duì)熱成形的先進(jìn)高強(qiáng)度鋼板進(jìn)行研究，對(duì)熱沖壓成形的車(chē)身高強(qiáng)度鋼板構(gòu)件進(jìn)行材料試驗(yàn)，分析車(chē)身高強(qiáng)度鋼板熱成形構(gòu)件的力學(xué)性能和金相組織。

(2)以某轎車(chē)為例，應(yīng)用高強(qiáng)度鋼板熱成形構(gòu)件對(duì)車(chē)門(mén)防撞梁進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，并根據(jù)C-NCAP進(jìn)行了側(cè)面碰撞的模擬計(jì)算和對(duì)比分析，結(jié)果表明車(chē)體側(cè)面高強(qiáng)度鋼板熱成形構(gòu)件明顯減少了側(cè)面碰撞的車(chē)體變形，在減輕車(chē)身重量的同時(shí)，提高了汽車(chē)碰撞的安全性。

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