基于側(cè)碰安全性的車身B 柱優(yōu)化設(shè)計與研究

宋百玲 黃 瑾

（東北林業(yè)大學(xué)交通學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150040）

2007 年，我國C-NCAP（中國新車評價規(guī)程）的實施[1-2]，將側(cè)面碰撞試驗指定為強(qiáng)制性試驗計劃。這意味著汽車被動安全設(shè)計的困難程度大大增加，汽車側(cè)圍結(jié)構(gòu)抗撞性及乘員約束系統(tǒng)設(shè)計也受到了更高的挑戰(zhàn)。汽車側(cè)面碰撞設(shè)計水平的提高成為車輛被動安全領(lǐng)域必不可少的工作[3]，B 柱作為重要的抗側(cè)碰結(jié)構(gòu)，對車身側(cè)圍的強(qiáng)度和剛度有很大的影響[4-5]。本文旨在確保安全性能的前提下，對車身側(cè)圍B 柱進(jìn)行側(cè)面抗撞性設(shè)計[6]，有效實現(xiàn)側(cè)碰安全，以提高車身剛度、減少乘員艙變形，優(yōu)化設(shè)計方案以滿足碰撞法規(guī)要求，為實車試驗提供參考。

1 多材料分段式車身側(cè)圍設(shè)計方案

1.1 多材料分段式側(cè)圍設(shè)計

由于B 柱位于車身側(cè)圍中，首先對車身側(cè)圍進(jìn)行整體設(shè)計。車身側(cè)圍主要由側(cè)圍外板、內(nèi)板、外板加強(qiáng)板及車身附件安裝部位的局部加強(qiáng)板構(gòu)成，其強(qiáng)度和剛度主要由其使用的材料和所采用的結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定。因此，各部件材料選擇及各部件間的配合結(jié)構(gòu)是保證剛度和強(qiáng)度的重要影響因素。以車身側(cè)圍B柱設(shè)計為目標(biāo)，基于合適材料用于合適部位、合適位置配合合適工藝的設(shè)計理念，綜合考慮車身的各項性能、質(zhì)量和成本后進(jìn)行設(shè)計，整體車身側(cè)圍設(shè)計方案。

根據(jù)設(shè)計方案，外覆蓋件摒棄傳統(tǒng)鋼材而改用塑料件，對鈑金側(cè)圍的外觀品質(zhì)不再有較高要求，如同側(cè)圍外板加強(qiáng)板總成一樣，對側(cè)圍外板進(jìn)行合理的分段，將其分為A 柱外板、A 柱上邊梁外板、B 柱外板、門楣外板、C/D 柱外板上下段等，各部件通過自沖鉚接和熱熔自攻鉚接連接成為一個整體。

1.2 側(cè)圍B 柱結(jié)構(gòu)設(shè)計

B 柱主要包括外板、外板加強(qiáng)板和內(nèi)板等。設(shè)計時，三層板之間相互形成腔體結(jié)構(gòu)，既能保證B 柱的抗壓剛度和屈服強(qiáng)度，又有利于在碰撞過程中B 柱分段變形吸收更多的能量。由于側(cè)面幾乎沒有緩沖吸能空間，因此，中段抵抗向車內(nèi)變形的彎曲剛度要足夠大；同時，為防止因局部進(jìn)入塑性變形階段而產(chǎn)生塑性鉸，通常采取加強(qiáng)措施。由于前排座椅安全帶、后門鉸鏈以及限位器均安裝在B 柱上，所以在安裝部位應(yīng)增加相應(yīng)的加強(qiáng)板以保證B 柱的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，B 柱外板加強(qiáng)板、鉸鏈加強(qiáng)板的作用就在于此。

此外，還應(yīng)考慮B 柱受到撞擊后的變形模式，以求盡量減少其向車內(nèi)的侵入量并將變形位置放置至對人體傷害最輕的位置。理想的B 柱變形模式呈倒“S”型。新的設(shè)計要求是實現(xiàn)側(cè)碰力的有效傳遞，保證良好的車身變形空間。

將設(shè)計的B 柱與整車總成連接成為一個“籠式”框架結(jié)構(gòu)，并且每部分做成了“H”形結(jié)構(gòu)，便于實現(xiàn)碰撞載荷分流。

2 整車側(cè)面碰撞模型的建立

2.1 側(cè)面碰撞模型建立的流程

按照《C-NCAP 管理規(guī)則（2018 年版）》規(guī)定的側(cè)面碰撞要求，建立車身有限元模型，再通過與動力總成、底盤進(jìn)行集成，完成整車側(cè)面碰撞有限元模型的搭建，具體流程圖如圖1 所示。

圖1 側(cè)面碰撞CAE 分析流程圖

2.2 車身有限元模型的建立

2.2.1 材料參數(shù)設(shè)置

有限元分析計算中材料的正確選擇是保證部件性能的主要條件之一，且能夠提高側(cè)碰仿真模型的可靠性。下表所示為部分材料類型及力學(xué)屬性，賦予模型中每個零部件正確的材料參數(shù)。

2.2.2 整車側(cè)面碰撞有限元模型的建立

整車側(cè)碰仿真模型的計算環(huán)境在LS-DYNA 中進(jìn)行，由于汽車碰撞過程是結(jié)構(gòu)的復(fù)雜變形過程，涉及結(jié)構(gòu)的大位移、大變形和大轉(zhuǎn)動，所以進(jìn)行汽車碰撞模擬時，采用非線性有限元方法。在碰撞模擬中，顯式算法具有明顯的計算優(yōu)勢，它包括單元的單點積分、時間積分的中心差分法、時間步長控制等一些基本方程和概念。

單元內(nèi)任意點的坐標(biāo)用節(jié)點坐標(biāo)插值表示為：

式中φj為參數(shù)坐標(biāo)（ξ，η，ζ）表示的形函數(shù)；m 為該單元的節(jié)點數(shù)；xji為節(jié)點j 的i（i=1，2，3）方向坐標(biāo)。

式（1）用矩陣表示為：

對于n 個單元，虛功原理的變分列式得：

將式（2）代入式（3），得到矩陣表達(dá)式為：

將式（4）進(jìn)行單元計算并組集后，可寫為：

考慮到δxT的任意性，有

式中M為總體質(zhì)量矩陣；x¨為總體節(jié)點加速度矢量；P 為總體載荷矢量，包括節(jié)點載荷、面力、體力；ft為單元應(yīng)力場等效節(jié)點力矢量的組集，即

當(dāng)按時間步長求解運動方程式（5）時，需要計算∫VBTσdV。此時，根據(jù)ε˙與單元速度場x˙1，x˙2，x˙3的關(guān)系，即

材料種類及力學(xué)屬性

由式（1）可推出m 個節(jié)點的速度分量為：

所以，根據(jù)式（6）-（8）求出ε˙，進(jìn)而求出σ，并在單元形心處（ξ=η=ζ=0）采用單點高斯積分，計算出∫VBTσdV。

結(jié)合模型的網(wǎng)格尺寸，設(shè)置時間步長為9e-7s，選取殼單元網(wǎng)格積分類型為單點積分，沙漏系數(shù)設(shè)置為0.1。

3 整車側(cè)碰仿真分析

3.1 側(cè)面碰撞模型精度驗證

經(jīng)LS-DYNA 軟件計算結(jié)束后，將結(jié)果導(dǎo)入到后處理軟件Hyperview和Hypergraph 中進(jìn)行抗撞性能分析。當(dāng)MDB 與試驗車接觸時，總能量將轉(zhuǎn)化為試驗車和移動變形壁障的動能、試驗車和移動變形壁障之間開始發(fā)生彈性變形和塑性變形產(chǎn)生的內(nèi)能、系統(tǒng)產(chǎn)生的沙漏能等。圖2 為整車在側(cè)面碰撞過程中的能量變化曲線。從圖中可以看出，整個碰撞過程中能量曲線平滑無尖角，側(cè)面碰撞開始后，總能量和沙漏能波動都很小，各種能量變化平穩(wěn)，無突變現(xiàn)象，且在60ms 后趨于穩(wěn)定。0～5ms 內(nèi)各種能量沒有發(fā)生變化，5ms 時MDB 和整車模型開始接觸；5～50ms 內(nèi)，內(nèi)能逐漸增加，隨之動能相應(yīng)逐漸減少；50～80ms 內(nèi)，內(nèi)能和動能均出現(xiàn)回落現(xiàn)象，說明部分車身側(cè)圍和MDB 的變形部件開始反彈，在60ms 左右達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，此時，大部分動能已經(jīng)被汽車吸收。其中，沙漏能比率（沙漏能與總能的比值）是校驗?zāi)Ｐ褪欠窈侠淼闹匾笜?biāo)。圖3 沙漏能比率變化曲線顯示沙漏能所占比例不足1%（低于5%），說明該整車側(cè)碰模型并未出現(xiàn)過多沙漏模態(tài)，沙漏控制效果很好。從能量轉(zhuǎn)換角度來說，該過程符合能量守恒定律。

由此說明，在有限元分析過程中，網(wǎng)格的建立、模型的匹配及各種求解參數(shù)的設(shè)置都是合理的，可以判定有限元模型的穩(wěn)定性和有效性符合要求。

3.2 B 柱侵入量和侵入速度

在車身模型中將碰撞側(cè)與非碰撞側(cè)的B 柱外板加強(qiáng)板（以下簡稱“B 柱”）各選取12 個點依次對應(yīng)假人的頭部（Head）、肩部（Beltline）、胸部（Rib）、H 點、門檻梁位置，如圖4 所示。通常，兩側(cè)相應(yīng)位置測點之間會設(shè)置剛度很小的拉壓彈簧（1e-10N/mm）。

在碰撞過程中，拉壓彈簧不斷伸縮，其數(shù)值變化可以準(zhǔn)確表達(dá)兩側(cè)B 柱的距離，即碰撞側(cè)B 柱侵入量變化情況，如圖5 所示。從圖10 中可知，碰撞側(cè)12 個不同測點的侵入量隨著時間的變化逐漸增加，在58ms 前后達(dá)到最高，之后隨著部件的回彈，侵入量有所減小，最后趨于穩(wěn)定。

圖2 能量變化曲線

圖3 沙漏能比率變化曲線

B 柱侵入速度常用來評價假人不同部位的損傷程度，如胸部肋骨的粘性指標(biāo)（肋骨形變量與其形變速度的相乘數(shù)值）。相關(guān)研究表明，肋骨的形變量與B 柱侵入量成正比，而肋骨的形變速度與B 柱侵入速度呈正相關(guān)。因此，除考慮B 柱Y 方向的侵入量外，其侵入速度也是側(cè)碰仿真中的重要輸出結(jié)果。

圖4 碰撞側(cè)B 柱測點

從圖6 所示的碰撞側(cè)B 柱侵入速度變化曲線中可以看出，侵入速度在15ms 左右達(dá)到峰值，隨后逐漸減小。其中，B 柱上部分點的侵入速度曲線出現(xiàn)負(fù)速度值，這是因為B 柱上部和車頂橫梁的連接強(qiáng)度較弱，使得B 柱上端發(fā)生翹曲，而不是內(nèi)凹，所以出現(xiàn)了相反方向的速度。《C-NCAP 管理規(guī)則（2018 年版）》中有規(guī)定假人不同部位的各項損傷指標(biāo)值[1]，因此，在仿真分析前期設(shè)定了各評價指標(biāo)目標(biāo)值，即B 柱最大侵入量為130mm，最大侵入速度為7.0m/s。將后處理分析結(jié)果與前期設(shè)定的B 柱目標(biāo)值對比，發(fā)現(xiàn)：部分測點不滿足設(shè)計要求，特別是B 柱中段侵入量和侵入速度遠(yuǎn)超出設(shè)定限值。

3.3 B 柱改進(jìn)

B 柱作為重要的抗側(cè)碰結(jié)構(gòu)，其抗彎強(qiáng)度的提高主要靠提高各截面慣性矩和相關(guān)材料的強(qiáng)度來實現(xiàn)。根據(jù)B 柱變形模式（折彎點在高度方向上的位置、各關(guān)鍵區(qū)域的侵入量和侵入速度）改進(jìn)優(yōu)化截面特性，從有利改善傷害值的角度看，B 柱在下端折彎為佳。因此，對B 柱做如下改進(jìn)。

（1） 材料改進(jìn)。原B 柱外板加強(qiáng)板材料為高強(qiáng)度鋼板HC420/780DP，經(jīng)CAE 分析需做調(diào)整，提出選擇熱成型高強(qiáng)度鋼板BR1500 和碳纖維兩種方案。綜合考慮生產(chǎn)工藝、成本等因素，選擇熱成型高強(qiáng)度鋼板BR1500 作為B 柱外板加強(qiáng)板的材料，厚度也由1.8mm 減為1.5mm。（2）結(jié)構(gòu)改進(jìn)。原兩個B 柱內(nèi)板改成一個件（即貫穿件），上面搭接上邊梁，下面和鉸鏈加強(qiáng)板一起延伸到門檻梁，在大幅提升各截面慣性矩的同時，增強(qiáng)搭接處的剛度；原內(nèi)板下段和門檻梁搭接位置向內(nèi)變形甚至出現(xiàn)斷裂的風(fēng)險，所以將原有內(nèi)板上下分段取消，改為一個整體以便提升整體性能。

圖5 碰撞側(cè)B 柱侵入量變化曲線

圖6 碰撞側(cè)B 柱侵入速度變化曲線

4 結(jié)論

基于側(cè)面碰撞安全的要求，在對側(cè)圍外板進(jìn)行合理分段的基礎(chǔ)上，重點進(jìn)行了對側(cè)碰起關(guān)鍵作用的B 柱進(jìn)行設(shè)計，建立了多材料分段式側(cè)圍數(shù)模，以便后期CAE 分析優(yōu)化。

（1）基于側(cè)面碰撞過程、力的傳遞路徑、主要影響因素等方面，對目標(biāo)車型的側(cè)圍B 柱進(jìn)行分段式設(shè)計。（2）按照我國側(cè)碰法規(guī)要求，搭建整車側(cè)面碰撞有限元模型，求解后進(jìn)行側(cè)面碰撞形式下車身的抗撞性能分析。（3）針對安全性能存在的缺陷，通過改變結(jié)構(gòu)形式、選擇合理的材料和厚度對B 柱進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后B 柱的最大浸入量和最大浸入速度均比改進(jìn)前有較大改善，且各指標(biāo)均滿足設(shè)計要求。