基于側碰抗撞性的AA7075 B柱輕量化設計*

莊蔚敏胡哲梁莉莉

（1.吉林大學 汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130025；2.泛亞汽車技術中心有限公司，上海 200120）

基于側碰抗撞性的AA7075 B柱輕量化設計*

莊蔚敏1胡哲1梁莉莉2

（1.吉林大學 汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130025；2.泛亞汽車技術中心有限公司，上海 200120）

基于某車型的整體側面碰撞有限元模型建立了車身側面碰撞簡化模型，并驗證了二者的一致性。構建了AA7075 Johnson-Cook塑性階段材料本構模型，將AA7075材料用于B柱內板和加強板，并與原模型進行了抗撞性對比分析。改進了加強板的結構，建立了近似模型并對其進行了厚度優化。結果表明，AA7075 B柱板件在有效降低侵入速度峰值和最大侵入位移的條件下質量減輕了60%，輕量化效果明顯。

主題詞：側面碰撞B柱AA7075抗撞性輕量化

1　前言

隨著汽車工業的發展，消費者和相關法規對汽車安全性的要求越來越高。同時，環境與能源危機的影響也對汽車輕量化提出了進一步的要求。如何在滿足汽車安全性能的前提下實現汽車的輕量化設計，是汽車行業一直重點關注的問題［1］。

B柱作為汽車側面碰撞中的主要受力吸能部件，可變形空間小，其侵入速度、侵入量以及侵入形態是影響乘員損傷的關鍵因素［2］。龐通等［3］對B柱等部件進行了結構、材料和厚度方面的優化，使其侵入量和侵入速度明顯降低。譚耀武［1］等運用了拼焊板式B柱外板來改善B柱變形形態，利用多目標優化方法降低了B柱侵入速度和侵入量的同時使其質量減輕了18%。董慶戰［4］等將泡沫鋁材料填充到B柱中替代B柱加強板，使B柱侵入量和侵入速度均顯著降低。

7075鋁合金為目前我國使用的強度最高的鋁合金之一［5］，多用于航空航天領域，它具有超高的比強度和剛度［6］，可以使B柱免于失穩性變形，改善侵入形態。7075鋁合金溫熱沖壓可成型性研究為其在車身上的應用提供了依據［7］。本文在車身側面碰撞整車模型的基礎上建立了車身側面碰撞簡化模型，將AA7075用于B柱內板和加強板件并與原模型進行了抗撞性對比分析，改進了B柱加強板結構并進行了輕量化優化設計。

2　車身側碰有限元建模與驗證

2.1整車模型的建立

建立某車型的整車有限元模型，采用中國新車評價程序（C-NCAP）側面碰撞相關試驗標準進行碰撞模擬，車身側面碰撞整車模型如圖1所示，并以前軸中點為原點，前軸中點指向后軸中點記為X軸正向，沿前軸從碰撞側指向非碰撞側記為Y軸正向。可變形移動壁障車速度為50 km/h，碰撞角度為90°［8］。本文僅考慮車身在碰撞中的結構變形，并未設置碰撞假人。分析整個碰撞過程中的能量變化可知，總能量基本不變，沙漏能最大值僅為2%，滿足模型精度要求［9］。

整個碰撞過程持續150 ms，B柱內板上對應于頭部處的侵入量變化如圖2所示，其位置如圖3所示。由圖2可知：B柱在碰撞初期侵入量不斷增加；之后移動壁障車與整車分離，B柱產生一定的回彈；整個過程中整車和移動壁障車并無二次接觸，B柱侵入量保持不變。碰撞過程中，0～60 ms車身由于慣性作用幾乎沒有移動，可視為靜止狀態，該段時間內侵入量和侵入速度達到最大值，B柱優化研究中以0～60 ms的侵入量和侵入速度為基準。

2.2簡化模型的建立

從整車上選取碰撞側所有結構作為側面碰撞簡化模型，如圖4所示。在簡化模型上劃分主要受力部位，如圖5所示。在整車模型的計算結果中提取出相應受力部位的速度-時間曲線輸入簡化模型中作為邊界條件。

2.3模型一致性驗證

B柱為側面碰撞主要吸能部件之一，因此選用B柱上對應于頭部、胸部和盆骨位置的點的位移以及侵入速度作為檢驗模型一致性的依據［10］，如圖3所示。

整車模型與簡化模型在3個位置點處的Y方向位移以及侵入速度對比分別如圖6、圖7所示。

壁障車與車身發生側碰之后繼續橫向移動，Y方向位移持續增大。考慮到前60 ms內車身可視為靜止，B柱Y向運動速度可近似看作侵入速度。由圖6和圖7可以看出，整車模型和簡化模型在B柱上3個位置點處的位移變化一致性較好，侵入速度基本吻合。故可以采用簡化模型代替整車模型進行優化流程中的試驗設計。

3　B柱結構側碰分析

3.1材料模型建立

碰撞模型中B柱內板及加強板原有材料為寶鋼生產的牌號為SAPH400RS的酸洗熱軋鋼板，其材料參數由材料拉伸試驗獲得［11］。

采用Johnson-Cook塑性階段本構方程進行碰撞仿真計算［12］，其表達式為：

式中，A為屈服應力；B為應變冪指前系數；n為應變硬化指數；C為應變率效應系數；A、B、n、C、m為材料常數；σ為等效應力；ε為等效塑性應變；為等效塑性應變率；為參考應變率，根據準靜態拉伸試驗數據取為0.001 s-1；T*為無量綱溫度參數，室溫條件下取為0。

通過材料拉伸試驗［13］確定AA7075材料本構方程參數如式（2）、式（3）所示。

3.2B柱結構側碰分析

B柱內板及加強板如圖8所示，SAPH400RS內板及加強板總質量為8.08 kg。應用AA7075材料并將新模型與原模型進行抗撞性對比分析。鋁合金板件之間的連接可以通過鉚接加點焊來實現［14］，鋁合金和普通鋼板之間則可以通過自沖鉚接的方式連接［15～16］，都能獲得良好的連接性能。

根據B柱侵入速度以及侵入量與變形形態要求來判斷側圍抗撞性能的優劣，B柱內板上對應于頭部和胸部的最大侵入速度應不超過8 m/s［17］，對應于盆骨處的最大侵入速度應不超過9 m/s。同時參照美國公路安全保險協會（Insurance Institute for Highway Safety，IIHS）對于轎車側面碰撞B柱侵入量優劣的判斷標準檢驗B柱侵入量及變形形態。

分析AA7075和SAPH400RS B柱內板及加強板的側面碰撞整車模型，得到B柱內板上對應于頭部、胸部、盆骨處的侵入速度如圖9所示，0～60 ms內侵入速度峰值與目標值對比如表1所示，B柱侵入量與侵入形態及IIHS標準如圖10所示。

表1　B柱內板0～60 ms侵入速度峰值與目標值　m/s

碰撞過程結束后B柱侵入形態與座椅中心線的距離決定了B柱抗撞性的好壞。由圖10可知，AA7075B柱在碰撞過程結束后距離座椅中心線超過125 mm，處于“優秀”范圍內，其侵入形態符合IIHS標準要求。由圖9和表1可知，采用與原材料相同厚度的AA7075板件對于B柱侵入速度的降低并不明顯，B柱內板上對應于頭部部位的侵入速度符合要求，而對應于胸部和盆骨處的侵入速度峰值仍然過大，在側面碰撞過程中胸部和盆骨有受到較大損傷的風險，需要進行優化。

4　AA7075 B柱優化設計

針對B柱上對應于胸部和盆骨處侵入速度過大和加強板件結構復雜的問題，優化B柱加強板結構，如圖11所示，將4塊加強板結構改進為一塊加強板。采用改進之后的B柱加強板，對AA7075 B柱進行厚度優化。

4.1B柱優化設計模型

B柱優化設計以B柱板件質量最小為優化目標，以B柱內板的厚度t1和B柱加強板厚度t2為設計變量，以B柱內板上分別對應于胸部和盆骨處的侵入速度v1、v2為約束條件。t1、t2的原始值分別為0.99 mm和2.12 mm，根據車身鋼板通用厚度，選擇t1的范圍為0.8～2.0 mm，t2的范圍為2.0～3.5 mm。而v1、v2的上限值分別為8 m/s和9 m/s。最終建立的優化模型為：

式中，m為B柱板件質量。

4.2試驗設計

試驗設計選用拉丁超立方采樣方法，根據所設變量的取值范圍，共得到8組試驗方案。各設計方案及運用LS-DYNA計算所得的v1、v2以及m如表2所示。

表2　試驗設計結果

4.3近似模型構建

為了獲得表示設計變量和目標量之間關系的數學模型，用近似模型替代有限元模型進行分析計算，能有效降低資源的消耗。本文基于最小二乘法構建典型的2階近似模型：

式中，f（x）為目標量；β0、βi、βij為未知參數，一起構成列向量 β；βij為n維變量x的第i個分量；yj為m維變量y的第j個分量。

本次分析使用1階響應面模型對B柱內板及加強板質量之和創建近似模型，使用二次多項式模型來近似表示v1、v2與m之間的關系。得到近似模型：

近似模型的精確程度由模型診斷功能中的確定系數R2和調整確定系數R2adj來評估。R2和R2adj的取值越接近1則近似模型精確度越高。模型診斷中的R2和R2adj如表3所示。由表3可知，該近似模型精度較高，可以代替簡化模型進行優化運算。

4.4優化結果分析

使用自適應響應面法，得到B柱內板及加強板厚度優化結果如表4所示。

表3　近似模型的R2和R2adj結果

表4　板厚優化結果　mm

將優化結果帶入到整車模型中，重新進行模擬分析。得到B柱內板上對應于頭部、胸部和盆骨處的侵入速度和侵入量如圖12所示。

由圖12可知，優化后0～60 ms內侵入速度峰值明顯降低，頭部和胸部處B柱侵入速度峰值小于8.0 m/s，盆骨處B柱侵入速度峰值小于9.0 m/s。由圖13可知，優化后頭部、胸部和盆骨處的侵入量分別降低到192 mm、200 mm和207 mm。優化后B柱板件總質量從8.08 kg降低到2.92 kg，輕量化效果較好。

5　結束語

將B柱內板及加強板材料從SAPH400RS替換為AA7075，其侵入形態在IIHS標準得到“優秀”評價，但侵入速度峰值仍然過大。

經過加強板結構改進和厚度優化，B柱上檢測點處在碰撞模擬中的侵入速度峰值和最大侵入量明顯降低，滿足安全性能要求。包括內板和加強板在內的B柱板件總質量減輕約60%，輕量化效果明顯。

1譚耀武，楊濟匡，王四文.轎車B柱耐撞性與輕量化優化設計研究.中國機械工程，2010（23）：2887～2892.

2張學榮，蘇清祖.側面碰撞乘員損傷影響因素分析.汽車工程，2008，30（2）：146～150.

3龐通，鄧國紅，楊鄂川，等.某乘用車側面碰撞性能分析及結構優化.重慶理工大學學報：自然科學版，2013，27（12）：22～28.

4董慶戰，楊濟匡.泡沫鋁填充在轎車B柱中的側面耐撞性研究.計算機仿真，2014，31（11）：150～154.

5張利，劉雪峰.汽車用高強鋁合金材料研究.重慶工學院學報，2000（1）：34～39.

6王智文，孫希慶，項生田，等.鋁合金前保險杠橫梁的應用研究.汽車工程，2015，37（3）：366～369.

7莊蔚敏，曹德闖，葉輝.基于連續介質損傷力學預測7075鋁合金熱沖壓成形極限圖.吉林大學學報：工學版，2014，44（2）：409～414.

8中國汽車技術研究中心.C-NCAP管理規則，2006.

9陳海樹，賴征海，邸建衛.LS-DYNA在汽車碰撞模擬過程中的應用.沈陽大學學報：自然科學版，2006，18（4）：10～ 12.

10趙敏，鐘志華，王國春，等.基于正交試驗設計的微型轎車側撞安全性研究.汽車工程，2010，32（5）：409～412.

11王春燕.激光拼焊板制轎車整體側圍內板成形關鍵技術的研究：［學位論文］.長春：吉林大學，2008.

12Pothnis J R，Perla Y，Arya H，et al.High strain rate tensile behavior of aluminum alloy 7075 T651 and IS 2062 mild steel.Journal of Engineering Materials and Technology，2011，133（2）：1～9.

13謝燦軍，童明波，劉富，等.7075-T6鋁合金動態力學試驗及本構模型研究.振動與沖擊，2014（18）：110～114.

14羅宇璨，陸云鵬，羅震，等.7075鋁合金薄板點焊新工藝方法的研究.制造業自動化，2013（11）：129～131.

15Abe Y，Kato T，Mori K.Joinability of aluminium alloy and mild steel sheets by self piercing rivet.Journal of Materials Processing Technology，2006，177（1～3）：417～421.

16Franco G D，Fratini L，Pasta A，et al.On the self-piercing riveting of aluminium blanks and carbon fibre composite panels.International Journal of Material Forming，2010，3（1）：1035～1038.

17張學榮，蘇清祖.側面碰撞乘員損傷影響因素分析.汽車工程，2008，30（2）：146～150.

（責任編輯斛畔）

修改稿收到日期為2016年5月25日。

Lightweight Design of AA7075 B-Pillar Based on Side Impact Crashworthiness

Zhuang Weimin1，Hu Zhe1，Liang Lili2
（1.State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control，Jilin University，Changchun 130025；2.Pan Asia Technical Automotive Center Co.，Ltd.，Shanghai 200120）

A simplified side impact model was established based on the entire side collision FE model of a vehicle model，and consistency of these two models was verified.AA7075 Johnson-cook plastic constitutive model was built，and material AA7075 was used on inner panel and stiffening plate of B pillar，and its crashworthiness was compared with the original model for analysis.The structure of the stiffening plate was improved，and an approximation model was constructed and its thickness was optimized.The results showed that AA7075 B pillar could effectively reduce the maximum intrusion speed and displacement whereas decreases the mass by 60%，which showed an obvious lightweight effect.

Side impact，B pillar，Aluminum alloy 7075，Crashworthiness，Lightweight

U463.82

A

1000-3703（2016）10-0001-06

國家自然科學基金項目（51075178）。