提高車輛小偏置碰撞安全性的A柱結(jié)構(gòu)研究

摘要：基于中國保險汽車安全指數(shù)25%偏置碰撞工況，對某新能源汽車A柱的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案進行了研究。對比分析了基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、復(fù)合車身解決方案（Composite Body Solutions， CBS）膠塊增強結(jié)構(gòu)、熱氣脹形管梁增強結(jié)構(gòu)對碰撞安全性的影響，介紹了CBS膠塊和熱氣脹形的制造工藝，并對熱氣脹形工藝進行了仿真分析，對比分析2種增強結(jié)構(gòu)的工裝投入和單件成本。研究發(fā)現(xiàn)，在均能實現(xiàn)小偏置碰撞安全性優(yōu)秀等級的前提下，1 500 MPa熱氣脹管梁方案在單件成本及輕量化方面比CBS膠塊方案更具優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：碰撞安全性 小偏置碰 車身A柱 熱氣脹形 CBS膠塊

中圖分類號：TH162 " 文獻標(biāo)志碼：B " DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20230355

Research on the A-Pillar Structure to Improve the Safety

of Automobile Small Offset Collision

Liu Duojia1， Qian Meilin1， Chen Haiqin1， Li Can1， Zhao Kunmin1，2

（1. Hozon New Energy Automobile Co.， Ltd.， Jiaxing 318000; 2. Dalian University of Technology， Dalian 116024）

Abstract： Based on the 25% offset collision condition defined by the China Insurance Research Institute， this paper studies the structural design scheme of the A-pillar of a new energy vehicle. The effect on the crash safety of the basic structure， CBS rubber block reinforced structure， and hot blow forming tube reinforced structure are evaluated and compared. The manufacturing process of CBS rubber block and tube hot blow forming are introduced， and the hot blow forming process is simulated and analyzed. The tooling capital investment and unit cost of the two reinforced structures are further analyzed. The study shows that in the case of achieving an excellent level of small offset collision safety， the 1 500 MPa tube hot blow forming scheme has more advantages than the CBS rubber block scheme in terms of unit cost and light weight.

Key words： Crash safety， Small offset collision， Auto body A-pillar， Hot blow forming， CBS rubber block

1 前言

美國公路安全保險協(xié)會（Insurance Institute for Highway Safety， IIHS）于2012年率先推出了應(yīng)對汽車前端局部碰撞交通事故的25%小偏置碰測試[1]，中國保險行業(yè)協(xié)會在2020年正式將25%小偏置碰撞引入測評[2]，各大主機廠也隨之將小偏置碰撞安全性列入車身設(shè)計開發(fā)的性能目標(biāo)[3-4]。

小偏置碰撞的評價分為假人傷害、車身結(jié)構(gòu)、約束系統(tǒng)和假人運動4個方面，單項評價和整體評價分為優(yōu)秀（G）、良好（A）、一般（M）和較差（P） 4個等級。車身結(jié)構(gòu)是小偏置碰撞的基礎(chǔ)，良好的車身結(jié)構(gòu)設(shè)計匹配更好的約束系統(tǒng)可以最大程度減少假人傷害，采用乘員艙上10個關(guān)鍵位置的侵入量來評定車身結(jié)構(gòu)等級。

針對小偏置碰撞，前機艙要盡量充分變形以吸收大部分沖擊能量，而乘員艙結(jié)構(gòu)要足夠強以承受前機艙傳遞的載荷，變形應(yīng)盡量小以保證乘員的安全。賈麗剛等[5]在車架前端增加結(jié)構(gòu)導(dǎo)向件、上縱梁區(qū)域增加結(jié)構(gòu)吸能并提高駕駛艙區(qū)域剛度，崔瑩瑩等[6]利用環(huán)狀車身和橫向邊梁引導(dǎo)車身側(cè)滑，方柘林等[7]將上縱梁構(gòu)成環(huán)形結(jié)構(gòu)并組成大接觸面以充分吸能，劉輝暉等[8]基于傳統(tǒng)的前機艙、乘員艙和上車體結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了局部改進和加強方案。

乘員艙在小偏置碰撞工況下的主要承載結(jié)構(gòu)是A柱和門檻梁，其中A柱結(jié)構(gòu)主要影響乘員艙上部變形，門檻梁主要影響乘員艙下部變形。Lanzerath等[9]用管梁熱氣脹形工藝制造出1 500 MPa的A柱，Hamasaki等[10]用機器人驅(qū)動管梁三維彎曲的同時邊感應(yīng)加熱邊噴水淬火的工藝制造出超高強度的A柱加強梁，李彥云等[11]將2 000 MPa熱成形鋼用于A柱上內(nèi)板和上加強板，李超等[12]將2 000 MPa管梁熱氣脹形工藝用于A柱，程超等[13]對管件熱氣脹形工藝進行了深入研究，F(xiàn)unada[14]直接熱氣脹形出法蘭邊，劉業(yè)鵬等[3]采用復(fù)合車身解決方案（Composite Body Solutions， CBS）實現(xiàn)了小偏置碰撞的優(yōu)秀等級。

研究能夠達到小偏置碰撞優(yōu)秀等級的車身A柱結(jié)構(gòu)，在傳統(tǒng)內(nèi)外板沖焊結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出CBS膠塊增強方案和熱氣脹形管梁增強方案，綜合對比分析2種設(shè)計方案的性能、質(zhì)量、單件成本和工裝投入，介紹CBS膠塊制造工藝和管梁熱氣脹形工藝。

2 設(shè)計方案

小偏置碰撞工況試驗如圖1所示，車輛以64.4 km/h的時速及25%的重疊率（駕駛員側(cè)）正面撞擊固定剛性壁障。小偏置壁障（Small Overlag Barrier，SOB）與車前寬度方向25%重疊。

圖2所示為車輛在小偏置碰撞工況下的移動和變形過程[7]，除前機艙壓潰變形外，車輛還發(fā)生了側(cè)向移動。車輛碰撞前的動能與碰撞后的動能和勢能之間的關(guān)系為：

[12mv20=12mv2x+12mv2y+Ec+Eo] （1）

式中：v0為車輛的初始速度，vx、vy分別為車輛離開避障時刻的x方向和y方向的速度，Ec為前機艙吸收能量，Eo為乘員艙吸收能量。

由圖3所示的傳力路徑可以看出，A柱和門檻梁是乘員艙的主要承載結(jié)構(gòu)，既要吸收一定的沖擊能量，又要有足夠的強度來抵制過量變形以保障乘員安全。增大A柱的型腔可以有效提高結(jié)構(gòu)的剛度和強度，但是型腔截面尺寸又是影響視野盲區(qū)的重要因素，因此A柱的結(jié)構(gòu)設(shè)計具有較大挑戰(zhàn)。

圖4所示為某電動轎跑車A柱的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，型腔由2件熱沖壓件點焊而成，其中上加強板為1.2 mm厚的1 500 MPa硼鋼，內(nèi)板為1.8 mm厚的1 800 MPa硼鋼。在第1輪碰撞摸底試驗中，該車身結(jié)構(gòu)在小偏置碰撞工況下的表現(xiàn)為良好，乘員艙上部的侵入量沒有達到優(yōu)秀級別的要求，需要進一步加強。

圖5所示為用CBS膠塊增強的A柱結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，其中的CBS是由工程塑料PA6、玻璃纖維GF35和熱膨脹結(jié)構(gòu)粘膠結(jié)合而成的工程化骨架。當(dāng)車身通過涂裝被烘烤時，CBS膠塊發(fā)泡并硬化，最終填充整個腔體，起到增加作用。原始CBS膠塊的截面尺寸見圖5。

同時考慮熱氣脹形管梁增強方案，結(jié)構(gòu)設(shè)計和截面尺寸如圖6所示。管梁采用1.6 mm厚的1 500 MPa硼鋼，通過電阻加熱、充氣脹形、模具淬火的工藝加工而成。

上述2種增強方案的材料、厚度、零件數(shù)量、成形方式及連接工藝如表1所示。

3 制造工藝

3.1 CBS膠塊制造工藝

復(fù)合車身解決方案（Composite Body Solutions，CBS）中骨架通常采用強度較高的工程塑料PA6添加玻纖GF35，結(jié)合可膨脹粘合劑采用雙組分注射成型工藝生產(chǎn)，過程如圖7所示。

一般通過卡接方式將CBS膠塊在焊裝車間預(yù)定位于車身骨架處，當(dāng)車身過涂裝烘烤時，CBS發(fā)泡填充膠粘整個腔體并硬化，有效增強空腔各方向的性能，起到提高結(jié)構(gòu)強度和抗折彎的作用，如圖8所示。

CBS發(fā)泡硬化后的力學(xué)性能如圖9所示，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線受溫度影響較大，強度隨溫度升高而降低。0～23 范圍內(nèi)的性能變化有限，整個變形區(qū)間彈性占大部分，彈性模量約為12.4 GPa，比鋼的彈性模量小很多。

3.2 熱氣脹形工藝

管件熱氣脹成形是指管件在熱態(tài)下向管內(nèi)充高壓惰性氣體實現(xiàn)快速脹形，首先通過爐內(nèi)或者感應(yīng)加熱將管件加熱至一定溫度，如將B1500HS 硼鋼加熱至奧氏體化溫度，以提高材料的變形能力、降低材料的變形抗力，然后利用高壓氣體的壓力使坯料發(fā)生變形，并在保壓下模內(nèi)冷卻淬火，從而獲得超高強度和尺寸精度的管件[13]。其主要工藝流程如下：高頻或激光焊管、管件預(yù)彎曲或模具內(nèi)預(yù)成形、爐內(nèi)或感應(yīng)加熱、熱態(tài)管坯轉(zhuǎn)移至模內(nèi)、快速合模、充氣脹形、模具水冷淬火、激光切割。毛坯管梁采用Ф30 mm、長度為520 mm、厚度為1.6 mm的1 500 MPa硼鋼22MnB5，具體工藝參數(shù)如表2所示。

使用Autoform軟件對預(yù)成形和熱氣脹形進行有限元仿真分析，仿真模型包括上模、下模和管坯3個部分，為簡化模型，選用片體進行建模，上、下模具設(shè)置為剛體，管坯設(shè)置為可變形體，網(wǎng)格類型為三角形網(wǎng)格及自適應(yīng)網(wǎng)格劃分，單元類型為彈塑性殼單元，接觸類型為面-面接觸。從減薄量和成形極限圖判斷，預(yù)成形和脹形過程均滿足要求，沒有開裂和起皺風(fēng)險，如圖10所示。

通過優(yōu)化氣體壓力和增壓速率，零件成形截面的貼模情況良好，保壓淬火后零件尺寸精度較高。最終的馬氏體轉(zhuǎn)化程度、 維氏硬度分布和抗拉強度均滿足要求，如圖11所示。

B1500HS和B1800HS這2種硼鋼經(jīng)過熱成形（包括熱沖壓和熱氣脹）、模具淬火后的材料性能如圖12所示。為清晰對比2種材料的強度差異，只呈現(xiàn)了準(zhǔn)靜態(tài)下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，需與不同應(yīng)變率對應(yīng)的曲線共同輸入碰撞仿真模型。

4 碰撞仿真及試驗

依據(jù)中國保險汽車安全指數(shù)2020版C-IASI規(guī)程，對該車型進行25%小偏置碰撞分析，采用LS-DYNA_R7.1.2版本求解器，模型用基本尺寸為8 mm的網(wǎng)格劃分，單元數(shù)量為419萬個，節(jié)點數(shù)量為381萬個，最小單元為3 mm，最大翹曲角度為15°，SHELL單元采用10號單元公式。對沙漏較嚴重的零件，采用類型16的全積分單元；對于厚度小于1.5 mm的零件，厚度方向采用3個積分點；厚度大于等于1.5 mm的零件，厚度方向采用5個積分點。彈塑性材料采用MAT24號材料模式，考慮應(yīng)變率材料曲線。對于動力總成、制動盤等碰撞過程中幾乎不產(chǎn)生變形的部分以及壁障模型采用MAT20號剛體材料。圖13展示了該車型發(fā)生小偏置碰撞0.15 s后車身的變形情況，圖14所示模型中沙漏能和質(zhì)量增加比例小于5%，曲線平滑未見突出，能量模式滿足要求，仿真模型基本可靠，可用于初步方案優(yōu)化。通過仿真對比分析，選擇1 500 MPa熱氣脹管梁能夠滿足碰撞要求，來選擇1 800 MPa或者2 000 MPa的管梁，以適當(dāng)降低成形性及氫脆斷裂風(fēng)險。

數(shù)值仿真分析與實際碰撞結(jié)果總會存在差異，車身結(jié)構(gòu)設(shè)計最終要通過試驗驗證。將不同開發(fā)階段的工程樣車送到國家級碰撞試驗中心進行驗證，圖15所示為該車型發(fā)生小偏置碰撞的變形情況，2種增強結(jié)構(gòu)的車身變形情況十分接近，故用1幅圖代表。

仔細觀察車身變形情況可以看出基礎(chǔ)A柱結(jié)構(gòu)有一定折彎，會導(dǎo)致乘員艙關(guān)鍵位置的侵入量偏高，達不到優(yōu)秀等級。3種A柱方案對應(yīng)的乘員艙10個測量點的侵入量匯總?cè)绫?所示，從表中數(shù)據(jù)可以看出，基礎(chǔ)A柱方案下的乘員艙下部侵入量基本達到優(yōu)秀等級，但是乘員艙上部4個測量點的侵入量均未達到優(yōu)秀等級，導(dǎo)致整個車身的等級為良好。2種增強A柱方案均有效提高了乘員艙的抗變形能力，10個測量點的侵入量都滿足優(yōu)秀級別的要求。如圖16所示將不同設(shè)計方案的侵入量繪入小偏置碰安全級別測評圖上，更能直觀看出增強方案的貢獻。

5 可行性分析

針對CBS膠塊及熱氣脹形管梁方案進行零件綜合成本對比分析，預(yù)估費用如表4所示。熱氣脹形管梁的一次性工裝費用比CBS膠塊高，開發(fā)周期長，單車費用降低30元，質(zhì)量減輕15%。雖然一次性工裝費用有所增加，但當(dāng)產(chǎn)銷量達到32 000臺時，2種方案成本平衡。根據(jù)車型生命周期20萬輛計算，熱氣脹形方案可為該車型降本504萬元，具有可觀的降本效益及輕量化效果。

6 結(jié)束語

對某新能源汽車的A柱結(jié)構(gòu)進行了研究，對比分析了CBS膠塊增強結(jié)構(gòu)和1 500 MPa熱氣脹形管梁增強結(jié)構(gòu)的性能、質(zhì)量、成本和設(shè)備投入，發(fā)現(xiàn)2種方案均能實現(xiàn)小偏置碰撞安全性優(yōu)秀等級，熱氣脹管梁方案在單件成本及輕量化方面比CBS膠塊方案更具優(yōu)勢，質(zhì)量降低0.09 kg（15%），單車成本減少30元（41%），車型生命周期內(nèi)除去一次性工裝投入的額外費用，可為項目降本504萬元。

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作者簡介：劉多加（1983—），男，學(xué)士學(xué)位，中級工程師，研究方向為車身設(shè)計。

通訊作者：趙坤民（1971—），男，博士學(xué)位，高級工程師，研究方向為車身設(shè)計與制造。

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目（51775160）。

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