某MPV車型側面碰撞的B柱安全設計與優化

龐毅 陳錫文 陳釗

摘 ?要：某MPV車型在側面碰撞MDB50試驗中，為了減小B柱腰線位置的侵入位移和侵入速度，使B柱的變形為有利于保護乘員的模式，通過采用熱成形且屈服強度達到1500MPa的超高強鋼為B柱加強板，并優化B柱加強板腰線位置截面和內焊U型板及下部位置開減弱孔的方式，來解決B柱中部位置侵入變形過大的問題。該車型優化后在C-NCAP的側碰試驗中結果為滿分，證明了B柱優化分析的正確性，為MPV車型B柱的安全設計提供了一種有效的方法。

關鍵詞：側面碰撞;B柱加強板;B柱變形模式;優化設計

中圖分類號：U467 ? ? 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1005-2550（2020）05-0090-06

Abstract： In order to reduce the deformation and velocity intrusion of B pillar waist position and to get a better protection occupant deformation model in a MPV side crash test MDB50， it brought an idea by using methods to solve the problem of large deformation at B pillar middle position. The results of vehicle side impact test in C-NCAP is full marks， which proved the correctness of B pillar optimization analysis and provided an effective way for the safety design of MPV B pillar.

Key Words： Side Impact; B Pillar Reinforcement Panel; B Pillar Deformation Mode; Optimization Design

1 ? ?引言

汽車安全法規C-NCAP的側面碰撞試驗MDB50，可變形移動壁障以50km/h的速度側面碰撞車輛，如下圖1所示。當壁障側面碰撞車輛時，B柱和門檻是兩條主要傳力路徑，B柱的抗彎剛度對側碰的結構耐撞性能非常重要[1]。而側面碰撞試驗考慮影響乘員安全的因素很多，如車輛側面結構侵入速度、侵入量、侵入形態、車門內飾系統的剛度、側面約束系統以及乘員座椅等[2]。在某MV的汽車側圍環境中，如圖2所示，滿足一定抗彎剛度和有較好變形模式的B柱結構可以有效地減少B柱腰線位置的侵入速度和侵入位移，增大車內乘員的緩沖空間，實現對乘員更好的安全保護。

側面碰撞研究的開始階段，是通過碰撞試驗來進行。最初對B柱的安全設計是通過側碰試驗的研究形成的“S”變形模式，要點是通過B柱下部的較大變形撞座椅來推開假人，減輕乘員和車身的碰撞接觸。隨著對不同車型B柱變形模式的研究增多，malkusson等，對某轎車B柱的側碰分析得出變形模式較好的為的“鐘擺式”[3]。國內對B柱的變形模式的研究，有湖南大學的張維剛在某轎車開發時總結的下部變形類似于“L”[4]，如下圖3所示為不同車型較好的B柱變形模式匯總。

2 ? ?問題分析

2.1 ? 問題說明

某MPV側面安全碰撞試驗中，由于B柱的抗彎剛度不足，腰線位置侵入變形過大，導致B柱變形模式為中部彎折，如圖4所示，中部正對著乘員的胸部位置，對乘員造成很大損傷。

按照以往車型累積的經驗，B柱腰線位置的動態最大侵入位移一般在140mm左右，侵入速度為7.5m/s，B柱頂部的侵入位移小于30mm。在可變形移動壁障以50km/h的速度側面碰撞車輛的試驗中，B柱內板腰線的動態最大侵入位移為210mm，侵入速度為10.2m/s，B柱頂部的侵入位移為26mm。B柱中部腰線彎折嚴重，腰線位置侵入速度和頂部傾入位移遠達不到車身結構的安全指標要求。

2.2 ? 理論分析

在側面碰撞中，人體腹腔內部器官的損傷對生命的威脅程度較胸部低，而且侵入速度對假人胸部的變形影響較腹部更加顯著[5]。因此，從乘員損傷防護的角度出發，首先應該減小車體側圍在人體正常坐姿狀況下胸部位置處的變形和侵入速度[6]。

以某車型的側面碰撞試驗作為示意圖，分析得到簡化的B柱內板動態力學平衡模型，如圖5為某車型B柱的動態變形錄像截圖，呈“S”型。一般情況下，移動壁障碰撞側面碰撞B柱，車頂受力變形相對其它位置較小故簡化為剛接，示意如圖6，根據達朗貝爾原理[7]得到B柱結構動態受力平衡如式1所示：

其中，F1 是移動壁障施加在B柱上的力，F2 是假人肩部和胸部在B柱的反作用力，F3 是座椅施加的反力，F4 是地板和底部橫梁的反力。該MPV中胸部肋骨變形較大，故需要降低 F2 的值，由式1可知，F1 一定的情況下，減小 F2 ，即增大 F3 和 F4 的值。

由牛頓第二定律得式2，為了增大力的值，可以減小質量和增大該處的加速度值，即開孔或者拼焊較弱的鋼材來增大該位置的侵入。

側面結構對侵入速度可接受的范圍一般在7～10m/s之間，但相關文獻表明控制側面結構的侵入速度在8m/s以下能較好地滿足側面碰撞乘員安全性能的要求[8]。因此在該MPV車型側面安全設計時，強化B柱中上部結構，將B柱內板腰線處侵入速度的優化目標定在7m/s以下，最大動態侵入位移控制在140mm以內，而弱化B柱下部結構，增大下部的變形侵入。

3 ? ?優化B柱解決問題

3.1 ? 提高B柱強度

國際鋼鐵協會把屈服強度小于210MPa的鋼板歸為軟鋼，屈服強度在210MPa～550MPa之間的稱為高強度鋼，屈服強度大于550MPa以上的為超高強度鋼[9]。一般情況下，高強度鋼板隨著強度的提高，其沖壓成形性能降低、強度越高、成形難度越大，尤其是當強度超過1000MPa時，車身B柱加強板等一些形狀復雜的零件用常規的冷沖壓工藝幾乎無法成形[10]。

通過采用熱成形高強度鋼板的新技術，可以成形強度高達1500MPa的沖壓件。與冷沖壓成形相比，熱沖壓成形的B柱加強板具有成形后板料回彈量很小、零件的貼膜性好、尺寸精度高等優點，如圖7所示為熱成形高強度鋼Br1500HS在不同應變率下的材料曲線。

在MPV車型的開發中，通過改變側面碰撞中主要受力結構B柱加強板的材料，采用熱成形超高強度的鋼板，使B柱的整體抗彎剛度和抗拉強度得到較大提高，進而降低B柱內板的侵入速度和位移量。

3.2 ? 優化B柱截面

在側面碰撞試驗中，B柱腰線位置的侵入變形最嚴重，故要在該關鍵位置優化截面形狀。關鍵截面的特性參數包括截面材料使用面積S，截面慣性距Iy和Iz，截面扭轉常量，截面所包圍的總面積等。優化B柱腰線截面時，垂直切割B柱腰線位置形成一個切割面，如圖8所示，使用局部坐標系yoz，B柱位置斷面面積為A，取微面積dA，S為遍及整個斷面面積A的積分，主要反映截面所用材料的多少。Iy和Iz分別為定義對局部坐標系中y軸和z軸的慣性矩，主要反映截面的抗彎性能，Iy和Iz越大，截面的抗彎性能越好。扭轉常數為扭轉慣性矩，即單位長度扭轉角，其主要反映截面的抗扭性能，扭轉常數越大，抗扭性能越好[11]。

（5）

使用仿真軟件，輸入截面尺寸和材料厚度，可以得到如表1所示的截面轉動慣量和扭轉常數的具體數值，優化前后的截面形狀對比如圖7所示，優化后B柱腰線位置截面沿X方向尺寸加大，轉動慣量和扭轉常數等參數變大，較大提高了B柱腰線位置的抗彎剛度和抗扭性能。

3.3 ? 修正B柱變形模式

3.3.1 弱化B柱加強板下部

游國忠，陳曉東，等通過拓撲優化方法在B柱給定的空間中確定最優的材料分布，采用形狀優化方法對B柱進行細節改進，設計理想的B柱形狀，從而降低關鍵區域的變形量[12]。為了使熱成形B柱的材料梯度分布趨于合理，朱敏，等以某轎車為例，基于響應面數值優化方法，采用部件碰撞仿真分析，對熱成形B柱加強板的材料性能梯度分布進行了優化，得出B柱下部屈服強度最弱的結論[13]。

根據以上的分析，為弱化B柱下部結構，通過在MPV車型的B柱加強板下部開孔，減弱下部的局部強度后的變形試驗結果如圖10所示，侵入速度通過在B柱內板位置的加速度傳感器用1000Hz濾波積分一次后得到，如圖11侵入速度優化后的侵入明顯比優化前的有較大增加，表明弱化B柱下部結構得到較好效果。

3.3.2 強化B柱加強板中上部

為了局部提高B柱中上部位置的抗彎剛度，通過在B柱加強板上部加筋，中部內焊U形板，較大提升了B柱中上部位的抗彎性能。圖12為優化前T1階段和優化后T2階段的B柱腰線位置侵入位移對比，其中最大侵入位移由210mm減小到135mm，圖13的最大侵入速度由10.2m/s減小到6.5m/s。

B柱腰線位置的變形CAE對比如圖14所示，試驗后的B柱的變形如圖15所示，仿真和試驗結果一致，侵入變形明顯減小，中部彎折得到較大改善。

在側面碰撞試驗中，圖16為B柱的動態變形模式錄像截屏，中上部位侵入變形小，下部侵入變形大，整個B柱結構變形是比較好的，類似于“L”的變形模式， 這有利于保護乘員的安全。

4 ? ?試驗結果對比

在汽車碰撞安全性能的評價法規中，前排假人的肋骨變形量不大于為4分，變形量超過為0分， ? ? ? ? ? ? ?的前排假人總分為16分[14]。表2為優化前T1階段和優化后T2階段的整車側面碰撞試驗結果，從假人的各部位傷害值結果來看，優化前的得分為12分，優化后的試驗結果為滿分16分，說明該MPV車型的B柱安全優化設計是有效的。

5 ? ?結論

分析兩次整車碰撞試驗的結果，B柱腰線的侵入速度和侵入位移明顯減小，變形為中上部小，下部大的較好的類似于“L”的有利模式，而且假人胸部肋骨變形量由優化前的46.9mm減小到22.3mm，說明B柱的安全設計效果明顯，解決了B柱腰線侵入變形大的問題，提升了對乘員的側面安全保護性能。

歸納該MPV車型的設計要點，有以下四點：

a、B柱加強板結構采用熱成形的超高強度鋼材，較大提高了B柱結構的強度;

b、優化B柱加強板腰線位置截面并在上部布置加強筋，增加上部抗彎剛度的同時，可以有效減少鈑金數量和材料厚度;

c、在B柱加強板下部位置開減弱孔，開孔后更利于減弱B柱下部的強度，有減重和改善B柱結構變形雙重效果;

d、熱成形超高強鋼B柱加強板結構的設計和分析，均在仿真的指導下進行，仿真和試驗有很高的一致性，給設計提供了理論依據，縮短了開發周期，節省了大量的人力成本。

參考文獻：

[1]張金換等編著. 汽車碰撞安全性設計[M] . 北京：清華大學出版社，2010.

[2]Schmitt，K等著，曹立波等譯. 汽車與運動損傷生物力學[M]. 北京： 機械工業出版社，2012.

[3]Malkusson R，Karlsson P. Simulation Method for Establishing and Satisfying Side Impact Design Requirements[ J] . SAE Paper，19982358.

[4]張維剛. 汽車碰撞安全性設計與改進[博士學位論文] . 長沙：湖南大學，2002，13～14.

[5]U duma K，Wu J P，Bilkhu S，et al. Door Interior Trim Safety Enhancement Strategies for the SID-Ⅱs Dummy[ J] . SAE Paper，2005010284.

[6]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[J]. 中國機械工程，2010，23（21），2887～2892.

[7]孫訓方等編著. 材料力學Ⅱ[M] . 北京：高等教育出版社，2009.

[8]張學榮，蘇清祖. 側面碰撞乘員損傷影響因素分析[J]. 汽車工程，2008，3（2），146 ～150.

[9]林忠欽. 汽車覆蓋件沖壓成形仿真[M]. 北京：機械工業出版社 ，2004，11.

[10]谷諍巍，單忠德，徐虹等. 汽車高強度鋼板沖壓件熱成形技術研究[J]. 模具工業，2009，35（4）， 27～29.

[11]宋凱，成愛國等。基于蟻群算法面向設計的車身關鍵截面生成方法[J].中國機械工程，2010， 21（19），2383～2389.

[12]游國忠，陳曉東，程勇，朱西產，蘇清祖. 轎車B柱的優化及對側面碰撞安全性的影響[J]. 汽車工程，2006，28（11），972～975.

[13]朱敏，姬 琳，葉 輝. 考慮側碰的汽車B 柱加強板材料性能梯度優化[J]. 吉林大學學報（工學版）， 2011，41（5），1210～1215.

[14]中國汽車技術研究中心. C-NCAP管理規則2012版[Z] . ?2012，7：26～30.