熱成形鋼板在車身前圍下橫梁上的應(yīng)用

樊 君

（福建省汽車工業(yè)集團(tuán) 云度新能源汽車股份有限公司，福建 莆田 351100）

前言

純電動(dòng)汽車以其零排放、能源利用率高等優(yōu)勢越來越被市場所接受，隨著石油資源的消耗，石油價(jià)格的上升，電動(dòng)汽車的優(yōu)勢越來越明顯。由于純電動(dòng)汽車電池包布置的特殊性，為保證駕駛員和乘客的安全，純電動(dòng)汽車車身設(shè)計(jì)及材料選擇上就需要做相應(yīng)優(yōu)化。熱成形鋼板具有熱成形后，鋼板的屈服強(qiáng)度高、精度高、復(fù)雜零件成型性好等優(yōu)點(diǎn)，在汽車車身安全零件上得到應(yīng)用，可在車輛發(fā)生碰撞時(shí)保護(hù)駕駛員和乘客的安全。本文針對(duì)國內(nèi)某電動(dòng)SUV車型的CNCAP五星設(shè)計(jì)過程中遇到的主要問題進(jìn)行分析，采用熱成形零件的方案進(jìn)行改善車身前艙區(qū)域結(jié)構(gòu)，以解決車身碰撞中前圍侵入量大的問題。

1 某CNCAP五星車型前艙區(qū)域分析和研究

某車型為純電動(dòng)SUV，全新開發(fā)，設(shè)計(jì)安全等級(jí)目標(biāo)為CNCAP五星，使用 2018CNCAP標(biāo)準(zhǔn)要求。車型為滿足CNCAP五星，對(duì)車身碰撞性進(jìn)行了目標(biāo)分解。對(duì)于車身能否達(dá)到CNCAP五星要求，機(jī)艙區(qū)域的結(jié)構(gòu)尤其重要。用TG0階段數(shù)據(jù)分別進(jìn)行了正面剛性碰撞結(jié)構(gòu)CAE分析、正面偏置碰撞結(jié)構(gòu)CAE分析。以下詳細(xì)分析了前艙區(qū)域CAE分析出現(xiàn)的重點(diǎn)問題。

1.1 前艙區(qū)域在正面剛性碰撞中問題分析

經(jīng)過CAE分析，在正面剛性碰撞中主要問題是前圍板侵入量偏大。由圖 1可見：前圍板中上部侵入量最大值約為241.76mm。主要原因是車體整體剛度較低，下彎梁上翹及地板前端變形較為明顯，導(dǎo)致前圍板入侵量超出目標(biāo)值，擠壓乘員生存空間。

圖1 正面剛性碰撞中前圍板侵入量示意圖

圖2 正面偏置碰撞中前圍板侵入量示意圖

1.2 前艙區(qū)域在正面偏置碰撞中問題分析

經(jīng)過CAE分析，在正面偏置碰撞中前艙區(qū)域的主要問題是前圍板侵入量較大。如圖 2可見：前圍板入侵最大值為405.62mm。

某款電動(dòng)車底部結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)車型底部結(jié)構(gòu)對(duì)比，如圖 3所示：某款電動(dòng)車由于電池包的加入，占用了大量車底空間，相較于傳統(tǒng)車缺少了一組X向縱梁，該組X向縱梁是正面剛性碰和正面偏置碰中的重要傳力路徑，沒有該組縱梁的支撐，會(huì)導(dǎo)致縱梁根部剛度不足，在碰撞時(shí)，前縱梁根部會(huì)引起上翹變形。車體碰撞變形過程中吸能不夠充分，未能形成高效的傳力路徑，沒有對(duì)乘員艙形成足夠的保護(hù)。導(dǎo)致前圍板侵入量過大。

圖3 某款電動(dòng)車底部結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)車型底部結(jié)構(gòu)對(duì)比圖

2 優(yōu)化方案

為滿足電池包的布置，地板區(qū)域已無空間參照傳統(tǒng)車型底部結(jié)構(gòu)布置X向縱梁。為降低前圍板侵入量，考慮在前圍區(qū)域增加Y向的傳力橫梁，位置在縱梁根部，可提供給縱梁X向有效地支撐，提升車身剛度，碰撞變形過程中充分吸能，防止縱梁在碰撞中縱梁根部變形嚴(yán)重入侵前圍板。并通過此上下橫梁將縱梁根部受力傳遞到中通道，起到分析碰撞力，減少縱梁以及前圍板侵入量的作用。

如圖4是前圍區(qū)域增加的前圍下橫梁內(nèi)外板示意圖。內(nèi)外板材料為熱成形鋼板B1500HS，料厚為1.5/1.8mm，內(nèi)外板通過電焊和CO2與前地板和前圍板連接。如圖5是前圍下橫梁內(nèi)外板斷面截圖，共截取2個(gè)典型斷面分別是A、 B處。中間斷面A，下橫梁內(nèi)外板中間形成寬128mm、深58mm的空腔，可將傳遞碰撞力傳遞到中通道。邊斷面B，下橫梁內(nèi)外板中間形成寬79mm、深75mm的空腔，可將縱梁所受力傳遞到門檻及中通道上。下橫梁內(nèi)板先與前圍板進(jìn)行點(diǎn)焊，組成前圍板總成。二側(cè)在與左、右由前縱梁總成進(jìn)行焊接，組成前艙分總成，具體區(qū)域見圖4所示 的C、D區(qū)域。在與下橫梁外板進(jìn)行焊接，組成前艙總成。通過與前圍板、前縱梁總成、進(jìn)行焊接，使他們彼此之間構(gòu)成剛性連接。二側(cè)實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)縱梁根部剛度，保證縱梁根部在碰撞中不進(jìn)行折彎變形，不上翹。前艙總成在與前地板總成進(jìn)行焊接，主要焊接部位為下橫梁內(nèi)板與左、右前地板、中通道。通過與中通道的連接，可以將二側(cè)縱梁所受碰撞力傳遞到中通道上，使碰撞力得到充分傳遞和分散。在此焊接過程中，通過增加下橫梁內(nèi)外板，增加了一道Y向傳遞路徑。如圖3所示，車身底部主要傳遞路徑更改前后對(duì)比圖。

圖4 某款電動(dòng)車前圍下橫梁內(nèi)外板示意圖

圖5 某款電動(dòng)車前圍下橫梁內(nèi)外板斷面截圖

前圍下橫梁內(nèi)外板在沒定義為熱成形零件前，曾嘗試使用安全可接受的材料B340/590 DP高強(qiáng)鋼板材料進(jìn)行冷沖沖壓可行性評(píng)估，由于零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，深度落差大，經(jīng)過沖壓專業(yè)人員評(píng)估，不具有冷沖成形的可能性，因此選用熱成形材料B1500HS。

3 分析結(jié)果

對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行正面剛性碰撞和正面偏置碰撞結(jié)構(gòu)CAE分析，如圖6所示，圖6與圖1進(jìn)行比較，可見在正面剛性碰撞中前圍板侵入量已由241.762改進(jìn)為105.92mm，滿足目標(biāo)要求；對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行正面偏置碰撞結(jié)構(gòu)CAE分析，如圖7所示，圖7與圖2進(jìn)行比較，可見在正面偏置碰撞中前圍板侵入量已由405.618mm改進(jìn)為149.83mm，滿足目標(biāo)要求。

圖6 更改后正面剛性碰撞中前圍板侵入量示意圖

圖7 更改后正面偏置碰撞中前圍板侵入量示意圖

4 結(jié)論

通過碰撞效果對(duì)比可以看出，采用熱成形前圍下橫梁內(nèi)外板B1500HS，能提高縱梁根部剛度，增加Y向吸能路徑，降低整車碰撞中前圍板侵入量，因而提高了車身機(jī)艙區(qū)域的碰撞安全性。