基于側碰安全性能的B柱結構對比分析

張文超，李海濱，卜曉兵

（中汽研汽車檢測中心（天津）有限公司，天津300300）

2015CNCAP評價規定可移動變形壁障側面碰撞沖擊點為座椅R點，碰撞速度為50 km/h，壁障距離地面300 mm，沖擊能量為91.6 KJ.側面碰撞中壁障以初始速度撞擊，并最終帶動車輛一起運動，滿足動量守恒定律。因此在最終評價肋骨變形量和背板力時，白車身B柱侵入速度是一個重要的影響指標。同時車身結構在承受撞擊后會產生變形量，B柱變形帶動內飾件位移，直接決定車內假人的生存空間，影響到假人的傷害指標。因此本文將用B柱在碰撞后的侵入速度和侵入量作為B柱不同結構方案的考核指標。

1 碰撞仿真計算理論

碰撞仿真過程是非線性理論分析過程，非線性有限元基本理論，主要包括薄殼單元、接觸控制、沙漏控制、時間步長控制等。

殼單元在整車網格處理過程中，為保證碰撞仿真精度，主要以四邊形網格為主。

在非線性理論中接觸一碰撞是主要的困難之一，LS-dyna求解軟件中在定義接觸-碰撞問題是主要是采用三種不同的算法，即動態約束法也稱節點約束法、分配參數法、罰函數法。三種算法中動態約束法存在的問題點主要是當主表面比從表面的網格劃分精細時，其中一些主節點可以自由地滲透到從表面，從而形成“扭結”現象，形成原因是因為約束只是施加在從節點上。此算法計算是比較復雜的，當前只是用在固連界面（固聯、固聯一斷開類型）分配參數法主要應用是爆炸分析計算，當發生爆炸產生的沖擊性氣體與直接接觸的結構發生相對滑移，而在汽車結構仿真計算中并無此類特殊爆炸氣體工況，因此應用范圍也是比較局限。罰函數法目前是應用最廣泛的，利用法向彈性元件限制從節點對于主表面的穿透，因此可以有效地解決網格變形沙漏問題。

FE模型中網格沙漏是單體網格高頻率震蕩或是結構穿透的一種缺陷，在現實物理工況中不會出現的形式。非線性動力理論分析中應用的是高斯積分，其優點是計算時間短，缺點是容易引起鋸齒形網格變形即沙漏效應。針對能量分析條件，當沙漏能超過結構模型內能5%時，即為失效，因此工程應用分析要避免沙漏問題。在LS-dyna模型中，設置沙漏系數0.03～0.05的剛性沙漏模式是一種控制沙漏的有效手段，但是對于碰撞的高速結構變形模式，粘性沙漏控制更有效。

考慮阻尼的影響，非線性運動方程如下[1]：

式中：H為總體結構沙漏粘性阻尼力；C為總體阻尼力矢量；由于采用集中質量M，上述運動方程的求解是非藕合的，所以tn時刻有[2]：

對時間積分采用顯示中心差分法，則有

由于顯示中心差分法是有條件穩定的，其穩定性取決于時間步長，在LS-dyna程序采用變時步增量解法，每一時刻的時間步長由當前構形的穩定性條件控制，算法如下：

先計算每一個單元的極限時間步長 Δtei，i=1，2，3……這里說的極限時間步長就是顯示中心差分法穩定性條件下允許的最大時間步長，則下一時刻取其所有單元極限時間步長的最小值，即

式中：Δtei為第i個單元的極限時間步長，m是單元數目[3]。

2 側碰B柱設計方案

2.1 B柱結構介紹

汽車B柱是汽車前后門之間連接汽車上下邊梁的重要結構，主要是通過點焊和二氧化碳保護焊連接。

B柱結構主要包括：側圍外板、B柱加強板總成和B柱內板。如圖1所示。其中B柱加強板結構總成主要包括外部加強板和內部加強板。白車身B柱的設計外部受外CAS造型及總布置設計制約，內部受內飾CAS造型及人機工程制約，所以在上述制約條件確定后，B柱結構設計空間上已然有了初步的定義。

圖1 B柱結構示意圖

總體分析B柱呈現結構形式分為5部分，A1-A5區域如圖1所示，其區域特征及設計要素主要為：A1為上部搭接區域，焊點布置尺寸均勻，避免搭接應力集中和因撕裂出現焊點失效現象；A2為上部區域斷面扁平，Y向尺寸小；A3為風窗到上鉸鏈過度區域為急劇變化區域斷面由窄寬，Y向尺寸增加，如圖2所示；A4為上鉸鏈到下部搭接區域，尺寸均勻，但在其中部一般布置線束過孔，對B柱強度有很大的削弱，應考量其設計位置，如圖3所示；A5為下部搭接區域，焊點布置尺寸均勻。

2.2 側碰中B柱變形模式

在側碰仿真及試驗中可，B柱變形模式主要由在變形中的彎折位置來影響B柱的設計走勢，而彎折位置一般發現在B柱強度最弱的位置。通過上述分析B柱結構特點可發現B柱在A3區域為彎矩急劇變化位置，仿真驗證撞擊過程中最先變形的位置為此處。分析傷害指標可發現，彎折位置將直接影響人體的頭胸骨盆及腹部，結合內飾與人體具體設計距離及人體傷害承受能力，可以分析采用B柱加強板下部彎折上部平移的變形方式對人體傷害程度最低。

2.3 B柱結構方案設計

B柱在確定此種變形模式后，對A級車的B柱進行優化設計，給出兩種設計方案。方案1：設計主要為外部加強板為整板，內部加強板為半段局部加強，使B柱加強板下部強度減弱；方案2設計為外部加強板分為上下倆塊板，內部加強板為半段局部加強，使外部加強板在焊接處產生應力集中，局部弱化引導變形。

方案1中，B柱方案為中柱加強板整段式，加強板材料為HC340/590DP，料厚為1.6 mm，其材料延伸率 ≥ 20，抗拉強度 ≥ 590 MPa，屈服強度340~440 MPa.內部加強板為HC340/590DP，料厚為2.0 mm.B柱內外加強板采用點焊工藝，通過內部加強板長度控制B柱加強板上下的強度，保證中部造型變化部分在碰撞中能抵抗變形。

方案2中，B柱方案設計為中柱加強板上下分段，中柱上部加強板材料為HC340/590DP，料厚為1.6 mm，其材料延伸率 ≥ 20，抗拉強度 ≥ 590 MPa，屈服強度340~440 MPa，中柱下部加強板材料為B280VK，料厚為1.6 mm，材料延伸率 ≥ 26，抗拉強度 ≥ 440 MPa，屈服強度280~420 MPa.內部加強板為HC340/590DP，料厚為2.0 mm.B柱加強板總成中部采用焊點連接，通過人為設置應力集中點，采用不同材料從而控制引導中柱變形模式。

3 側碰仿真分析

3.1 仿真流程

利用Hypermesh軟件建立倆種方案的整車側碰模型，使用LS-DYNA軟件進行仿真分析，整車模型主要由殼單元和梁單元組成，三角形單元總數控制在5%以下，單元的平均尺寸為4 mm，在建模過程中，嚴格控制單元的品質，尤其是對于單元翹曲度、長寬比、最大和最小內角等都有嚴格的要求。

建立工況分析流程（見圖2）：

圖2 建立工況分析流程圖

建立整車模型，如圖3所示。在整車仿真環境下，考核B柱加強板不同結構的變化影響。

圖3 整車模型圖

3.2 仿真結果分析

經過分析展示B柱加強板的變形形式，如圖4所示。其變形形式符合設計的B柱加強板設定方案目標。

圖4 B柱變形圖

根據仿真結果，分析B柱加強板在前100 ms變形過程。在B柱加強板上標記四個位置段，分別為A1-A2，A2-A3，A3-A4，A4-A5。碰撞仿真中侵入速度-時間曲線，如下圖5所示。

圖5 方案1側碰B柱速度-時間圖

在碰撞過程中，高強鋼材料零部件的延展及應力分布分析是對在實車碰撞試驗是失效分析的一種有力手段。CAE仿真模擬中材料很難模擬失效情況，對于B柱塑性變形等值云圖（圖6）中B柱加強板塑性延伸率最大為29.8%，大于HC340/590DP材料延伸率≥20的區域存在區域為上下門鎖鉸鏈之間位置，為碰撞易于彎折發生位置，由于紅色區域沒有形成線性帶因此失效風險預警的降低。圖7中為B柱碰撞仿真的應力云圖，從圖中可以看出主要應力集中在2個地方。一是上下門鉸鏈之間的位置，二是下鉸鏈下部位置，此處焊點內外加強板聯結位置，產生應力集中為必然現象，這兩個位置出現的應力集中現象有可能會導致整車側碰過程中出現塑性角開裂的現象發生，仿真中一旦出現塑性角將會帶來兩個方面的影響：一個方面，如果產生大的塑性角可能會對乘員在碰撞運動過程中造成損傷；另一方面，如果產生塑性角，會在側面大沖擊中引起材料斷裂，發生不可控的碰撞大失效。

圖6 塑性云圖

圖7 應力云圖

方案2中，B柱方案設計為中柱加強板上下分段，中柱上部加強板材料為HC340/590DP，料厚為1.6 mm，其材料延伸率 ≥ 20，抗拉強度≥590 MPa，屈服強度340~440 MPa，中柱下部加強板材料為B280VK，料厚為1.6 mm，材料延伸率≥26，抗拉強度≥440 MPa，屈服強度280~420 MPa.內部加強板為HC340/590DP，料厚為2.0 mm.B柱加強板總成中部采用焊點連接，通過人為設置應力集中點，采用不同材料從而控制引導中柱變形模式。在B柱加強板上中四個位置點與方案1保持一致，分別為A1-A2，A2-A3，A3-A4，A4-A5.由方案2侵入速度-時間曲線分析，如下圖8所示，相比于方案1，方案2第一個侵入速度波峰較高，但最大侵入速度卻比方案一低。

圖8 方案2側碰B柱速度-時間圖

方案2從塑性變化云圖（圖9）可以看到方案2中B柱加強板塑性延展最大為21.3%，主要發生在B柱上鉸鏈到風窗造型的變化角處，因此方案有效可靠。應力變化云圖（圖10）中可以看到應力分布主要集中在于B柱型腔變化處，與塑性變化最大處為同一位置，且應力分布均勻合理，利于B柱在碰撞發生過程中的穩定變形。方案2中，從彈塑性應變可以看到危險區域在焊點布置的位置，且只有一個焊點的范圍存在風險，周圍焊點沒有出現問題。

圖9 塑性云圖

圖10 應力云圖

3.3 仿真結果分析

通過對2種方案的分析對比（表1）可以發現，在考核B柱最大侵入速度時，設計方案2最大動態速度比較小，同時對于速度來說還保有一定的余量。在分析2種方案在高速碰撞過程中產生的高應力區及塑性變形區時可以發現方案1面積較大且最大塑性應變及最大應力值也是方案二小。B柱最大動態侵入量對比分析可知方案1A2-A3超限，方案2低于限值，最終分析可知方案2優于方案1.

表1 結果對比圖表

4 側碰試驗驗證

實際生產試制零部件后進行實車試驗驗證后，結果如下圖11所示。

用方案2實際設計方案分析結果與實車驗證結果一致，側碰變形形式及侵入指標均在要求范圍內，C-NCAP摸底試驗車身結構為滿分，對駕駛側成員傷害值均在指標要求范圍內。本次針對B柱結構對比分析，對于B柱設計應首先把握B柱在碰撞中的變形趨勢，結合結構特點進行設計強化和斷式結構使之滿足對于側碰車身B柱要求。

[1]黃世霖，張金換，王曉東等.汽車碰撞與安全[M].北京：清華大學出版社，2000，68-70.

[2]肖 杰，雷雨成，朱西產等.汽車側面安全性的優化設計[J].設計·計算·研究，2007第12期.

[3]邵秀輝，朱西產，馬志雄.車身結構耐撞性的概念設計仿真方法研究[J].輕型汽車技術，2009(9)：20-25.