基于側面碰撞的車身B柱斷面性能設計

鐘霞

摘 要：基于側面碰撞吸能特點，對B柱總成進行輕量化設計。從材料、工藝、結構等方面入手，對原B柱外板和加強板進行輕量化設計，采用熱成形材料替換、增加補丁板和激光拼焊等3種方案進行設計，采用側面碰撞仿真分析對方案進行可行性驗證，并將設計方案綜合應用到實際車型中對方案進行檢驗。

關鍵詞：B柱總成;側面碰撞;性能設計

1輕量化方案設計

1.1B柱總成模型

通過合理的材料選用、結構優化和成形工藝設計對B柱總成開展輕量化設計，需對結構的侵入量和侵入速度進行控制，有效減小汽車側面碰撞中的乘員傷害，提高汽車側面碰撞安全性。基于整車側面碰撞的要求，制定B柱外板零件碰撞安全性評估方案，基于B柱外板變形模式，在結構安全性評估中重點關注B柱外板中部的最大位移和B柱外板下部的最大變形或易失效區域。根據人體坐姿位置與B柱總成之間的對應關系，選取B柱外板上對應人體頭部、胸部、腹部和骨盆的位置及B柱外板下端位置上共5個測量點，用以評估B柱總成的結構碰撞安全性能。

1.2B柱輕量化設計

1.2.1熱成形材料替換方案設計

沖壓成形技術不僅能夠同時滿足車體輕量化和提高碰撞安全性的雙重要求，而且成形后的零件具有基本無回彈、精度高、成形質量好等優點，已被廣泛應用于汽車柱類、梁類等高強度結構件的生產制造中。采用熱成形材料替換B柱外板原來的高強鋼材料，具體方法是：取消B柱加強板，根據強度等效原則，B柱外板采用1.1mm厚的1500HS材料，熱成形B柱外板的強度不低于原來DP780外板和DP590加強板的等效強度。

1.2.2增加補丁板方案設計

在B柱總成側面碰撞仿真中，將安裝B柱的試驗臺架設置為剛體并固定在剛性墻壁面，碰撞初始速度為50km·h-1，作用時間為50ms。對增加補丁板的方案進行碰撞仿真分析，結果如圖1所示。B柱D2位置測量點的侵入量最大，D3位置測量點的侵入速度最大，D5位置測量點的侵入量和侵入速度均最小。因此，可以采用在B柱碰撞變形關鍵區域增加補丁板進行局部強化，而B柱外板其它區域不做強化處理來實現輕量化設計。具體方法是：取消B柱加強板，B柱外板采用1.2mm厚的DP780材料，D2位置測量點的鄰接區域內側增加1.0mm厚的DP780材料補丁板并通過焊點與B柱外板結構焊接在一起，B柱外板其它區域保持結構不變。

圖 1 B 柱側面碰撞測點布置

2輕量化方案驗證

2.1侵入量變化

對熱成形材料替換、增加補丁板和采用激光拼焊結構的B柱總成進行碰撞仿真分析，設置初始速度為50km·h-1，碰撞仿真時間為50ms。對5個測量點在側面碰撞時的侵入量進行觀察。3種輕量化方案的B柱總成在汽車側面碰撞中各測量點侵入量變化形式大體一致，由圖2可以看出，各測量點侵入量也基本按照D2、D3、D4、D1和D5的順序由大到小排列;觀察B柱總成動態侵入云圖，可以發現B柱的D1和D2位置的測量點同時侵入車內，D3、D4和D5位置的各測量點依次先后侵入車內;只有B柱的D4位置的測量點在碰撞過程中具有先向車外輕微凸起，再侵入車內的運動過程，其余位置的各測量點在碰撞過程中均直接侵入車內;與原設計方案的結果相比，B柱各測量點侵入量均顯著減小，碰撞初始速度為50km·h-1時各測量點的最大侵入量，其所有侵入量均小于規定值270mm，補丁板、激光拼焊、熱成形材料替換的最大侵入量比原方案分別減少22.0%、33.6%、38.8%，以熱成形材料替換方案的侵入量改善最優。

圖 2 各測量點侵入量變化曲線

2.2侵入速度變化

對熱成形材料替換、增加補丁板和采用激光拼焊結構的B柱總成分別進行碰撞仿真分析，設置初始速度為50km·h-1，碰撞仿真時間設置為50ms。獲得5個測量點在側面碰撞時的侵入速度。熱成形材料替換、增加補丁板和采用激光拼焊結構的B柱總成在汽車側面碰撞中各測量點侵入速度變化形式大體一致，熱成形材料替換、增加補丁板的B柱各測量點侵入速度首個峰值大體按照D3、D2、D4、D1和D5的順序由大到小排列，激光拼焊結構的B柱各測量點侵入速度首個峰值大體按照D2、D3、D4、D1和D5的順序由大到小排列。與原方案的仿真結果相比較，B柱各測量點侵入速度均顯著減小，碰撞初始速度50km·h-1時各方案的仿真結果進行對比，熱成形材料替換、增加補丁板、激光拼焊3種方案的最大侵入速度較原方案分別減少2.6%、14.1%和22.9%。

3 B柱輕量化應用

某型轎車在側面碰撞安全性試驗中，乘員安全評價指標假人胸部位置存在不達標的情況，表現為胸部變形指數、粘性指標不合格，前者為事故發生時胸部受到擠壓后的變形量;后者用胸腔的變形速度與擠壓變形率的乘積進行表示;前者法規最大值為42mm，后者法規最大值為1.0m·s-1，研究車輛分別超過法規最大值30.4%和56%，同時對B柱提出10%輕量化指標要求。

3.1優化方案設計

由于該型轎車的假人胸部位置變形指數、粘性指標不合格，所以改進工作主要集中在降低假人胸部傷害指標，而與該指標存在直接關系的是假人胸部位置對應車體側面結構的侵入速度，而該侵入速度主要受到車輛B柱在假人胸部對應位置的侵入量和侵入速度二者影響。因此，對于車輛B柱結構的改進工作圍繞增強B柱整體結構強度、降低侵入量和侵入速度，保證B柱在假人胸部位置的侵入量和侵入速度符合法規，并最終保證車內假人的空間等內容展開。原B柱外板采用整體式結構，厚度2mm，制造材料為HC340LA;經過多輪仿真測試后，確定B柱外板最終結構采用DP780，厚度為1.2mm，在B柱外板中間位置通過焊點連接增加兩層厚度為1.0mm、材料為DP780的補丁板提高結構強度;并在原有B柱總成發生褶皺位置設置缺陷區用于引導B柱總成變形方式。

3.2優化方案驗證

采用改進后的B柱總成結構，轎車碰撞初始速度為50km·h-1下侵入量的試驗與仿真結果進行對比，侵入量的仿真計算與試驗結果相對偏差小于12%，改進B柱總成后的轎車碰撞仿真模型也較為準確。表8為改進前后參數對比。側面碰撞試驗中改進后的被試品轎車各項乘員安全評價指標全部達到法規要求，原先假人胸部位置存在的變形指數、粘性指標不合格情況已經改善，胸部變形指數較法規要求減少26%，粘性指標較法規要求減少42%。對于該型轎車B柱總成的優化改進效果較為理想，提升了車輛在側面碰撞中的乘員安全防護能力。根據表中分析結果，同時優化設計后B柱重量為6.28kg，原結構重量為7.89kg，輕量化效果達到20%。

結束語

在滿足結構耐撞性的要求下，熱成形材料替換、增加補丁板、激光拼焊設計這3種輕量化設計方案都可對B柱總成進行輕量化設計。而熱成形材料替換方案的最大侵入量和侵入速度最優，材料的碰撞安全性最高;在滿足碰撞安全性的前提下，激光拼焊方案和熱成形材料替換方案的輕量化效果基本相當，所研究的案例效果達到16%左右。

參考文獻

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