無中頂橫梁車身B柱結構設計

王洪利 李萬莉

摘 ?要：本文對無中頂橫梁車身B柱加強板總成結構設計進行了研究。分析了市場變化對車身設計的影響。研究了B柱加強板總成結構特點，針對6種設計方案進行成本重量、結構、工藝等對比分析。進而通過CAE仿真分析，改進結構設計。最后根據設碰撞安全法規對結構設計進行優化，論證設計可行性。本文研究的無中頂橫梁車身B柱加強板結構設計，滿足碰撞法規要求;結構設計合理;車身強度和扭轉剛度以及吸能潰縮形式良好。

關鍵詞：無中頂橫梁車身;B柱加強板;CAE仿真

中圖分類號：U463 ? ? ?文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1005-2550（2021）03-0100-06

Structure Design of B-pillar of Car Body Without Middle Roof Crossbeam

WANG Hong-li1， LI Wan-li2

（1.Shanghai Weilai Automobile Co.， Ltd.， 201800， Shanghai ， China;

2.Tongji University， Shanghai 201800， China ）

Abstract： Based on a project of Steel and Al mixed BIW structure， which is no CTR ROOF BOWL， I studied how to design a reasonable B PLR REINF ASM. Comparison the cost、weight、feasibility、process plant to choose the reasonable one from the 6 proposals. Thirdly， CAE support run the side impact and roof crash， and structure optimization support by CAE topology. Finally， develop a reasonable B PLR REINF ASM matched the NCAP & regulations structure.

Key Words： ?No CTR ROOF BOWL; B PLR REINF; ?CAE Topology

王洪利

畢業于江蘇科技大學，學士學位，現就職于上海蔚來汽車有限公司，任車身內外飾部上車身經理。

1 ? ?引言

1.1 ? 選題的背景及意義

隨著我國經濟蓬勃發展。汽車總量大幅提升使得車身安全變得更加重要。我國的也在逐步完善自己的新車評價方式。

CNACP中對正碰，側碰和40%偏置碰和頂壓的示意簡圖如下：

伴隨新能源的快速發展，新材料應用比例逐年增加。碳纖維和鋁尤為明顯。碳纖維是一種含碳量在95%以上，具有高強度和高模量的新型纖維材料[1]。鋁材以優良的機械性能和高效的材料可回收性，在汽車行業廣泛認可，成為汽車制造的重要選材之一，其整車占比大幅提升[2]。

鋁材具有重量輕、強度高、耐腐蝕性好的特點。達到同樣的力學性能指標，鋁比鋼輕47%[3]。

同時由于用戶需求導向，車身結構從金屬頂蓋到玻璃天窗進而發展到整個玻璃天幕的轉變，相應產生了一種沒有中頂橫梁的車身設計。在設計和安全目標上，在面對車身碰撞和頂壓時，相對于有中頂橫梁車身都更加嚴苛。本文所研究車型性能定義目標為中保研側碰5星。也就意味著要求碰撞發生后B柱結構的侵入量距離H點的XZ平面距離>=125mm。

2 ? ?經典B柱設計和法規介紹

2.1 ? 經典B柱加強板總成結構

B柱加強板是BIW中部最重要的性能和功能零件之一。其設計輸入如下：第一，造型和PKG限制;第二，電子電器內外飾安裝功能和門蓋需求輸入;第三，碰撞性能需求。簡列如圖3。

2.2 側碰和頂壓法規介紹

和B柱相關的法規有側碰和頂壓兩大類。B柱在側碰和頂壓中所扮演的角色是不一樣的。側碰中，B柱是保護乘員艙內人員在側碰發生時不被傷害的基礎;頂壓發生時，B柱的主要作用是在發生車頂受壓或者翻滾時防護乘員艙內人員的頭部生存空間不被擠壓。

2.2.1 側碰法規介紹

C-NACP采用變形移動壁障側碰試驗來部分評價車內乘員安全性。在側碰法規當中相對嚴苛度的IIHS，和C-NACP的不同主要體現如下：

2.2.2 頂壓法規介紹

車頂強度試驗為準靜態測試。通過剛性壓板位移量127mm范圍內測得的峰值載荷與整備質量之比來評價頂壓等級。中保研和IIHS的頂壓評價方式一致，如圖5：

2.3 ? 車身結構相應的設計思路

針對法規和性能需求B柱傳力方式的設計已經趨于成熟，B柱上部整體結構穩定不變形保證乘客頭部生存空間，B柱下部通門檻結構一起潰縮吸收能量保護大腿和軀干生存空間。下圖為馬自達Euro-Car Body側碰傳力方式設計，和IIHS中對B柱結構變形的評價方式。

3 ? ?無中頂橫梁B柱設計

3.1 ? 市場需求對應設計新挑戰

B柱在安全性能之外的設計輸入主要來自三方面：1-更大的視野和采光空間;2-更大的頭部肩部Z/Y向空間;3-車身輕量化。

3.1.1 更大的視野、采光、頭部空間的影響

B柱的內外限制在軸距以及內外造型確認之后就基本定型了，更多的乘客需求空間就需要從結構本身入手。壓縮B柱Y向斷面同時取消中頂橫梁的車身結構因此產生。B柱截面對比如下：

3.1.2 更輕的車身重量對結構的要求

輕量化是汽車行業不變的主題，由此催生了鋁材的大面積應用。1992年，美國鋁業協會的一份報告稱，整車鋼改為鋁，平均用鋁量將達到454kg[4]。

新能源汽車出于對電池的保護將門檻由鋼改為鋁擠出可以降重16Kg。鋼鋁混合的產生對B柱結構設計和材料選型以及連接方式提出了更大的挑戰。

3.2 ? 無中頂橫梁B柱設計

B柱設計都是在滿足功能/安全/空間的基礎上，設計成本和重量最優的車身結構。無中頂橫梁的難點在于如何分解優化碰撞中的能量傳遞，設計潰縮位置。以及克服鋼鋁混合車身中的連接挑戰。

3.2.1 材料選擇對應的結構設計

在有限斷面空間的前提下，B柱的材料需要選擇屈服強度非常高，并且連接和成型良好的零件材料。基于設計經驗以及競品的研究數據。進而開發了幾種設計思路，如圖8。

方案一，等厚板方案在各OEM大范圍使用，工藝成熟質量品控穩定。吸能效果不滿足性能需求，輕量化效果不明顯。

方案二，連續可變料厚TRB板可以大幅提升輕量化能力，并滿足性能需求。然而在進行SPR鋼鋁（側圍外板）連接時，不具備量產可行性（TRB的厚度超過了1.6mm）。SPR-自穿刺鉚接技術作為汽車白車身的主要連接方法之一，它可實現同種或異種材料的多層搭接[5] 。SPR連接鋼鋁的可行性實驗圖如下。

方案三，連續可變料厚TRB板并在B柱下采用軟區。方案三在方案二基礎上輕量化優勢更加明顯。下部的軟區工藝可以明顯提升側碰中的吸能潰縮能力。然而基于CAE模擬中TRB料厚仍大于1.6mm，超出SPR連接熱成型的能力。

方案四，單一料厚熱成型/同時增加補丁板/再配合B柱下部軟區方案。料厚配比為B柱加強板1.2+補丁板2.0mm。補丁板方案近些年比較流行，是在未加熱前的主結構板料上焊接一個補丁結構，然后在加熱后整體送入熱成型模具內成型。方案四在滿足輕量化需求的前提下達到了功能和性能目標。

方案五，單一料厚熱成型/同時增加TRB補丁板/再配合B柱下部軟區方案。方案五是方案四的性能進階方案。CAE模擬中其輕量化效果和性能結果比方案四更進一步。不過此方案對模具工藝和焊接工藝要求極為苛刻，同時成本很高。

方案六，TRB熱成型本體/同時增加單一料厚補丁板/再配合B柱下部軟區方案。方案六也是方案四的性能進階方案。CAE模擬中其輕量化效果和性能結果比方案四更進一步。不過此方案的B柱本體料厚仍大于1.6mm不符合量產熱成型SPR范圍。

綜合6種方案的性能和功能情況以及成本參考，方案四-單一料厚熱成型，同時增加補丁板，再配合B柱下部軟區方案作為CAE虛擬驗證的基礎。

4 ? ?B柱性能仿真分析

CAE仿真模擬的基礎是建立一個結構設計可行的3D模型。之后將3D參數化建模的CATIA模型導入LS-DYNA的Mseh模型中。模型優化校準并輸入性能參數，連接參數等形成性能仿真模擬的基礎。

4.1 ? 基于模擬結果的結構優化和材料選型

初次計算結果顯示B柱結構有三部分需要優化。1-在B柱下靠近門檻位置吸能潰縮不充分;2-在B柱加強板中間出現彎折;3-B柱上端和CANT RAIL的連接以及傳力不理想。如圖11，所示：

4.1.1 下B柱吸能區/中上部連接及結構優化

基于側碰結果分析，B柱下部軟區在側碰發生時吸能不夠充分，需要將軟區的分界位置升高到B柱下鉸鏈區域，讓其變形更徹底。

和B柱下部的方式不同，B柱上的結構理念是穩定的B柱整體抵抗側碰變形，進而保證乘員艙內人員的生存空間。CAE模擬結果顯示B柱上部的受力沒有良好的傳遞給CANT RAIL，導致中部彎折。建議延長B柱內板的patch長度，提升整體結構剛度，讓壁障撞擊位置的力可以傳遞給CANT RAIL使B柱上部整體抵抗側碰不潰縮。優化后的結構如下圖12所示：

基于優化后的結構重新建模再次仿真的結果滿足法規性能5星的標準。

5 ? ?結論

本文初步探討有無中頂橫梁的B柱結構的不同設計理念。從空間布置，顧客需求，車身碰撞，以及輕量化等方面考量對B柱設計的影響。研討了6種設計方案，通過對選中的一種結構進行CAE有限元模擬，總結優化了一種滿足大批量生產的B結構方案。

方案四，單一料厚熱成型/同時增加補丁板/再配合B柱下部軟區方案。料厚配比為B柱加強板1.2+補丁板2.0mm。本方案在輕量化的前提下，滿足安全和功能需求的同時克服了鋼鋁連接的難點。無中頂橫梁的B柱結構的應用對車內人員空間和視野以及整車透光度帶來的巨大進步。

參考文獻：

[1]于東民. 玻璃纖維/碳纖維芳綸紙蜂窩板銑削試驗研究[D]. 集美大學，2015.

[2]劉艷華. 汽車車身用6000系鋁合金板材的研究：[碩士學位論文] .東北大學，2004.

[3]崔風歧.鋁合金汽車—_21世紀汽車工業的驕子[J]，輕金屬，1995，（7）：51—55.

[4]彭曉東.輕合金在汽車上的應用[J].機械工程材料，1999，23（2）：1-4.

[5]申仲達.鋁合金車身自沖鉚工藝與力學性能研究：[碩士學位論文] .合肥工業大學，2018.