基于臺架試驗與模擬的轎車B柱耐撞性與輕量化研究*

高新華，徐有忠，王其東

(1.合肥工業大學機械與汽車工程學院，合肥 230009； 2.奇瑞汽車股份有限公司產品開發管理中心，蕪湖 241009；3.奇瑞汽車股份有限公司汽車工程技術研發總院，蕪湖 241009)

前言

由于安全法規和市場對汽車碰撞安全的要求不斷提高，傳統車身的質量有可能越來越大，但同時，車輛輕量化又是改善車輛燃油經濟性的重要措施[1]，因此，在車身設計和改進時如何兼顧耐撞性和輕量化這兩個相互矛盾的要求已成為當今汽車行業研究的熱點問題[2]。

在轎車側面碰撞中，側圍結構的侵入量、侵入速度和侵入形態是直接影響乘員安全的主要因素[3-4]。四門轎車的側圍結構主要包括側圍總成(含A、B、C柱總成和門檻梁總成)、前后車門(含防撞桿)等部件，而B柱是側面碰撞中的主要受力部件。因此B柱變形模式的好壞在整個碰撞過程中顯得至關重要[2]。文獻[1]中以線性和二次響應面的形式采用全局近似對B柱進行優化，在不降低安全性能的情況下，使B柱總質量減輕了25%。文獻[5]中通過建立B柱簡化模型，采用拓撲和形狀優化相結合的方法對B柱內板進行優化改進，減小了B柱腰線處的侵入速度。文獻[2]中通過在B柱上使用拼焊板結構來獲得理想的B柱變形模型——“鐘擺式”變形模式[6]，同時結合正交試驗設計和多目標遺傳算法對拼焊板的相關參數(焊縫的位置、板材的厚度)進行優化。文獻[7]中通過對B柱上下邊界施加整車模型的位移曲線和對移動壁障賦加速度曲線，建立了B柱側面碰撞的簡化模型，采用正交試驗法設計出了不含加強板的B柱結構，使質量減輕了25%。

文獻[7]～文獻[10]中對應用熱成形高強度鋼板來提升車身側面耐撞性進行了研究，結果表明采用熱成形高強度材料，不僅能有效減輕質量，而且相關零部件具有優異的承載能力和耐碰撞沖擊性能。

文獻[11]中構建了B柱總成簡化模型，進行沖擊仿真與試驗對比，研究材料應變率、沖壓成形效應和網格單元大小對于仿真精度的影響。該模型對B柱兩端按固定約束處理，與汽車碰撞的實際工況有一定差異。

顯然文獻[1]、文獻[2]、文獻[5]和文獻[7]中構建的優化模型能有效指導邊界條件相對確定的設計與優化。當前，由于新材料(如超高強度鋼等)、新工藝(如熱成形、激光拼焊、輥壓和局部硬化等)的推廣應用，如何建立與之適應的B柱沖擊仿真模型，并在綜合考慮耐撞性和輕量化的前提下，進行B柱優化設計，是須進一步研究的問題。

本文中基于文獻[12]中的研究成果——B柱臺架沖擊試驗與模擬方法，建立B柱沖擊試驗仿真模型，研究該模型與整車側碰仿真模型的關聯，研究工程開發中對于不同材料、工藝與板料厚度組合在一起的B柱設計方案的優化選擇。

1 B柱沖擊試驗臺架與仿真

1.1 B柱沖擊試驗臺架

B柱總成通常主要由側圍外板、B柱本體、B柱上加強板、B柱下加強板、B柱內板、B柱內板下連接板等組成。其中側圍外板所用的材料及其厚度取決于模具設計與成形工藝，可變范圍很小，故B柱輕量化設計主要研究B柱本體等部分，如圖1所示。

文獻[12]中搭建了如圖2所示的B柱碰撞簡化測試臺架，該試驗裝置類似于三點抗彎試驗，所不同的是，該試驗設備中的撞擊落錘采用的是大小兩個落錘，主要是用來模擬IIHS(美國高速公路安全保險協會)整車側碰試驗中移動小車前部上、下兩個蜂窩鋁可變形移動壁障(moving deformable barrier, MDB)。實際上，更關鍵的是模擬沖擊載荷，故試驗中的兩個撞擊落錘用兩個形狀不一的剛性體代替，且兩個落錘之間的相對位置保持固定，這些數據(載荷、形狀和位置參數)都是經過多次整車試驗后進行收集整理，并經過簡化測試驗證的。

1.2 B柱沖擊仿真

根據以上臺架試驗，建立了對應的有限元模擬測試模型(圖3)，其中兩側約束5個自由度，僅釋放Z向平動自由度，結合GB20071—2006中的MDB與文獻[12]中IIHS的MDB形狀的差異，對于大小落錘的相對位置做了適當調整(中心距縮為375mm，高度差減為30mm)，大錘寬度增大為250mm，并采用LS-DYNA[13]軟件進行求解。

仿真時，沖擊落錘接觸瞬間的初始速度定義為30km/h，沖擊落錘加載為160kg，以達到與MDB同樣的B柱沖擊能量。仿真的主要參數為B柱總成的吸收能量、上下部支撐點的落錘反彈力和B柱8個關鍵點的入侵量。圖4為某車型B柱的沖擊仿真結果。

2 B柱沖擊仿真與整車碰撞的關聯

為驗證上述仿真模型的正確性，采用了一種間接的方法：先建立整車側碰仿真模型，進行側碰仿真，將其結果與實車側碰的試驗結果相比較，如果整車側碰仿真模型正確，則可以用來檢驗B柱有限元模擬測試模型的正確性。

2.1 整車仿真與整車碰撞對標

GB20071—2006要求：(950±20)kg的可變形移動壁障小車以(50±1)km/h的速度撞擊目標被測車的駕駛員側。針對某新開發車型，建立了整車側碰仿真模型(圖5)，按此條件進行碰撞仿真。

在碰撞中B柱與座椅發生接觸的點(如1、2點等)、側門與假人可能進行接觸的點(如前門分別對應假人腹部和盆骨的3、4點等)及相關重要位置(包括B柱下部和座椅安裝點)布置傳感器，對侵入量和侵入速度等變量進行測量(圖6)。

圖7為整車側碰仿真模擬與實車碰撞的結果對比，通過現場觀察，整車變形和MDB變形都較吻合。

圖8為整車實車側碰試驗與仿真模擬參數結果對比，包括MDB小車的加速度曲線對比、車身1～4點的侵入量和侵入速度對比，可以看出，仿真和試驗結果吻合較好，證明了仿真模型的正確性。

2.2 B柱沖擊仿真與整車碰撞仿真對標

為驗證B柱沖擊仿真模型的正確性，將該模型的仿真結果與使用整車模型的仿真結果進行比對。從B柱上選取8個具有代表性的點，通過提取這些點的侵入量(最大位移)、侵入速度和變形后的重合度，可得對比結果如圖9～圖11所示。

圖9為B柱關鍵點侵入量對比。以模擬中B柱上相同點的侵入量曲線為上下偏差，求其平均值得到一條虛擬曲線。經測量，兩條測試曲線分別位于虛擬曲線±5mm之內，符合正常偏差值。圖10中所示的整車侵入速度為相對未變形側的相對速度，因此速度從零起始，簡化測試中的速度為絕對速度，因為試驗中B柱上下端進行了約束，因此其絕對速度與整車測試中的相對速度等價，所以兩個速度具有可比性。經過對比分析這兩組速度曲線，發現兩組曲線經過侵入速度再次為零的時刻完全吻合，符合工程要求。可見，所建立的基于臺架試驗條件的B柱沖擊仿真模型是正確的。

3 B柱總成設計方案選優

整車開發中B柱附近關聯件較多，可變因素復雜，受篇幅所限，本文中不考慮截面變化和造型更改等因素，僅對相同設計空間條件約束下，B柱材料、厚度和焊接工藝方式等不同組合方案進行分析。

3.1 B柱設計方案分析

結合現有技術與加工工藝，對B柱初始設計方案提出以下6種基于熱成形技術的改進設計方案，表1給出了基礎模型和各方案的B柱本體(含加強板)的材料、厚度和質量等參數。

表1 B柱本體(含加強板)設計方案BOM表

圖12為從左到右依次使用熱成形技術的B柱本體(含加強板)設計方案與表1相對應。方案1為直接的熱成形板，方案2為局部硬化的熱成形板，方案3為局部添加加強板的熱成形板，方案4為不等料厚的熱成形板，方案5為不等料厚和局部硬化結合的熱成形板，方案6為拼焊連接的熱成形板。下面分別對這些方案的特點進行分析。

方案1 使用一塊獨立的本體替代原先多塊板的組合，該設計可以減少零件和模具的數量，也能簡化焊接等工藝。

方案2 在加工同一個零件時，將熱成形板加熱爐進行分區，根據設計產品對強度要求不同，調節分區加熱爐的溫度，從而使加工出來的一個零件上不同區域擁有不同的強度。通常情況下，不同強度的區域最小間隔為20mm(加熱爐最小分區為20mm)。

方案3 設計的獨特之處在于加強板與本體共用一套模具。具體的加工方法是，先將B柱本體與加強板下料，在未進行沖壓前將兩塊板料預先焊接，再進行沖壓。需要注意的是，該方案中的板料需要帶鍍層的，因為一旦沖壓之后，本體與加強板就不能分開無法進行電泳及涂裝，如果沒有鍍層很容易銹蝕。該方案不但節省模具，而且由于用同一模具沖壓，兩個零件的配合也非常好，不會存在異響等問題。

方案4 特點在于同一個零件不同區域可以擁有不相同的料厚，以滿足性能的要求。需要注意的是，該方案中不等料厚區域的設計應盡量保持上下對稱，這樣可以更有效地提高材料的利用率。

方案5 這是一個輕量化效果較好的方案，因此被很多高端車型采用，當然其設計和加工難度也相應高很多。

方案6 目前較為常見的一種設計方案，因其容易設計和加工，備受很多主機廠青睞。

除了上述介紹的幾種設計方案外，還有局部添加襯板與拼焊連接結合的熱成形B柱(本體與加強結構)優化設計等組合式方案，因其具有一定的重復性，不一一贅述。

3.2 改進設計方案仿真分析

為在以上改進設計方案中選出最優方案，應用前文介紹的仿真模型，對B柱的耐撞性與輕量化進行比較。方案中熱成形材料與帶鍍層熱成形材料特性相同。

表1中BTR165[14](市場標準代號：22MnB5)、USIBOR[14](市場標準代號：USIBOR1500P)、M5、M4、M3、SFT均為熱成形材料，其熱成形后材料特性如表2所示。BTR165與USIBOR強度特性一致，其區別在于USIBOR是帶鍍層的，M5、M4、M3、SFT材料強度不同是由于加熱爐溫度不同形成的。

表2 材料主要特性對比

表3示出原方案和改進設計方案的B柱總成(包括本體、加強板與內板，不含側圍外板)質量以及吸收能量、侵入量、落錘(上部與下部)最大反彈力的仿真結果。

表3 原方案與改進設計方案性能對比

通過表3可以看出，所有設計方案中，不等料厚與局部硬化結合的方案5是輕量化效果最好的方案，該方案使結構質量減輕了18%以上。

圖13為方案5的安全性能仿真結果。通過對比各方面性能可以發現：改進方案的吸收能量都控制與原方案基本一致；而在關鍵點侵入量方面，改進方案都要優于原方案的結果；落錘反彈力都控制在原方案±1kN以內，因此改進方案的安全性能結果都不低于原方案。

綜合考慮耐碰撞性和輕量化要求，不等料厚與局部硬化結合是B柱的最優設計方案。

3.3 改進設計方案驗證

將設計方案5應用于某款新車型中，先后進行了多項測試，包括按GB20071—2006中國側碰安全法規試驗、2012版C-NCAP整車側面碰撞驗證和歐洲E-NCAP側面柱碰試驗。在這些試驗中，整車側面(包括B柱)變形、侵入量、侵入速度總體都比較理想，試驗假人各項傷害值均處于高性能限值區間。目前該產品已通過GB20071—2006認證試驗，表現優秀。

4 結論

利用經過驗證的整車碰撞仿真模型，驗證了基于臺架試驗條件的B柱仿真模型的正確性，提出了

應用該模型在綜合考慮耐撞性與輕量化基礎上，進行轎車B柱設計方案優化選擇的方法。將此方法應用于新車型開發，結果表明不僅能減輕質量，而且產品在相關整車側面碰撞試驗中表現優良。

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