基于熱成形技術(shù)的B柱優(yōu)化設(shè)計(jì)

陳詩雨，李紅，湯湧

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110005）

關(guān)鍵字：熱成形；B柱；汽車輕量化

前言

汽車輕量化技術(shù)作為降低油耗、減少排放的重要途徑之一，已成為汽車技術(shù)研究的重點(diǎn)[1,2]。汽車車身設(shè)計(jì)在實(shí)現(xiàn)輕量化的同時(shí)，必須保證安全性能。熱成形零件因其具有較高的強(qiáng)度，在保證安全性能的同時(shí)，可以達(dá)到減重的效果，目前已有廣泛的應(yīng)用[2-4]。本研究在原有的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，通過熱成形B柱代替原設(shè)計(jì)方案的冷成形B柱，同時(shí)優(yōu)化加強(qiáng)板，探究安全性能和輕量化效果。

1 熱成形技術(shù)

熱成形技術(shù)是將鋼板置于加熱爐中加熱一定時(shí)間，使其奧氏體化，而后轉(zhuǎn)移到帶有冷卻系統(tǒng)的模具中沖壓成形、模內(nèi)淬火，最終得到組織為馬氏體，抗拉強(qiáng)度可達(dá) 1500MPa的超高強(qiáng)度零件[5,6]。

通過對(duì)近年來歐洲車身年會(huì)各車型用材情況的調(diào)研，車身上應(yīng)用熱成形的零件主要有A柱、B柱、頂蓋側(cè)邊梁、車門防撞梁、中通道加強(qiáng)件等零件。

2 B柱設(shè)計(jì)方案

在乘用車發(fā)生側(cè)面碰撞過程中，車身B柱是重要的承載部件。B柱的變形模式和能量吸收對(duì)其侵入量和侵入速度有重要影響，并最終對(duì)乘員的安全性有重要影響[7,8]。

2.1 冷成形B柱方案

2.1.1 冷成形B柱方案的結(jié)構(gòu)與材料情況

圖1 冷成形方案B柱及加強(qiáng)板

根據(jù)車型結(jié)構(gòu)要求，設(shè)計(jì)了B柱和B柱加強(qiáng)板，其結(jié)構(gòu)及材料等情況如圖1所示。所應(yīng)用材料的力學(xué)性能如表1所示。B柱和加強(qiáng)板均通過冷沖壓方式成形。

表1 材料力學(xué)性能

2.1.2 基于冷成形B柱方案的50公里/小時(shí)側(cè)面移動(dòng)壁障碰撞仿真分析

通過 CAE進(jìn)行側(cè)面移動(dòng)壁障碰撞仿真分析，根據(jù)E-NCAP要求，初始速度為50公里/小時(shí)，采用1300kg壁障，移動(dòng)壁障X向中心在前排R點(diǎn)后250mm處。對(duì)應(yīng)分析位置的示意圖如圖2所示，B柱處最大相對(duì)侵入量及最大侵入速度情況如表2-表3所示，分析結(jié)果超出目標(biāo)值。

圖2 50公里/小時(shí)側(cè)碰對(duì)應(yīng)分析點(diǎn)的示意圖

表2 50公里/小時(shí)側(cè)碰冷成形方案B柱處最大相對(duì)侵入量

表3 50公里/小時(shí)側(cè)碰冷成形方案B柱處最大侵入速度

2.1.3 基于冷成形B柱方案的32公里/小時(shí)75°側(cè)面剛性柱碰撞分析

通過 CAE進(jìn)行側(cè)面剛性柱碰仿真分析，根據(jù) E-NCAP要求，以32公里/小時(shí)為初始速度，速度方向與車輛中心線成75°的角度撞擊柱壁障。障礙柱的中心位置與頭部中心點(diǎn)位置X方向重合，障礙柱的高度要超過車身的最高點(diǎn)，直徑為254mm，材料屬性設(shè)置為剛體，自由度全約束。對(duì)應(yīng)分析位置的示意圖如圖3所示，B柱處最大相對(duì)侵入量及最大侵入速度分析結(jié)果如表4-表5所示，分析結(jié)果超出目標(biāo)值。

圖3 32公里/小時(shí)側(cè)面柱碰對(duì)應(yīng)分析點(diǎn)的示意圖

表4 32公里/小時(shí)柱碰冷成形方案B柱處最大相對(duì)侵入量

表5 32公里/小時(shí)柱碰冷成形方案B柱處最大侵入速度

2.2 熱成形B柱方案

2.2.1 熱成形B柱方案的結(jié)構(gòu)與材料情況

針對(duì)分析結(jié)果超出目標(biāo)值的問題，提出修改方案，現(xiàn)將B柱材料由HC340LA更改為HC950/1300HS，通過熱沖壓成形，并對(duì)加強(qiáng)板的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，不改變加強(qiáng)板材料，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)及材料情況如圖4所示。HC950/1300HS鋼板經(jīng)熱成形后的力學(xué)性能如表6所示，其強(qiáng)度高于原冷成形方案B柱材料HC340LA。

圖4 熱成形B柱方案

表6 HC950/1300HS經(jīng)熱成形后的力學(xué)性能

2.2.2 基于熱成形B柱方案的50公里/小時(shí)側(cè)面移動(dòng)壁障碰撞仿真分析

對(duì)熱成形B柱方案進(jìn)行50公里/小時(shí)側(cè)面移動(dòng)壁障碰撞仿真分析。將冷成形B柱方案與熱成形B柱方案的B柱處的最大相對(duì)侵入量及最大侵入速度結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如表7-8所示。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在50公里/小時(shí)側(cè)面移動(dòng)壁障碰撞仿真分析中，熱成形方案B柱處的最大相對(duì)侵入量減少、最大侵入速度降低，大幅減少了側(cè)碰時(shí)乘員受到傷害的可能性。

表7 50公里/小時(shí)側(cè)碰B柱處最大相對(duì)侵入量對(duì)比

表8 50公里/小時(shí)側(cè)碰B柱處最大侵入速度對(duì)比

2.2.3 基于熱成形B柱方案的32公里/小時(shí)75°側(cè)面剛性柱碰撞仿真分析

對(duì)熱成形B柱方案進(jìn)行32公里/小時(shí)75°側(cè)面剛性柱碰撞仿真分析，將冷成形B柱方案與熱成形B柱方案的B柱處的最大相對(duì)侵入量及最大侵入速度結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如表9-10所示。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，32公里/小時(shí)75°側(cè)面剛性柱碰撞仿真分析中，采用熱成形技術(shù)后，B柱處最大相對(duì)侵入量減少、最大侵入速度降低，降低側(cè)面剛性柱碰時(shí)對(duì)乘員傷害的可能性。

2.3 熱成形B柱方案減重情況

表9 32公里/小時(shí)柱碰B柱處最大相對(duì)侵入量對(duì)比

表10 32公里/小時(shí)柱碰B柱處最大侵入速度對(duì)比

冷成形方案中B柱與B柱加強(qiáng)板的總重量為9.231kg，采用熱成形后 B柱與加強(qiáng)板的總重量為 6.045kg，減重3.186kg，減重比例達(dá) 34.51%。考慮到左右對(duì)稱，熱成形 B柱方案較原方案單臺(tái)減重6.372kg，同時(shí)焊接工序也比原方案簡單，減少生產(chǎn)時(shí)間。

3 結(jié)論

（1）本研究應(yīng)用熱成形B柱代替原方案的冷成形B柱，并優(yōu)化B柱加強(qiáng)板，在50公里/小時(shí)側(cè)面移動(dòng)壁障碰撞和32公里/小時(shí)75°側(cè)面剛性柱碰撞仿真分析中，B柱侵入量減少、侵入速度降低。

（2）熱成形 B柱與加強(qiáng)板的總重量較原冷成形方案減重3.186kg，減重比例達(dá)34.51%。

本研究表明熱成形技術(shù)的應(yīng)用在提高碰撞安全性能及實(shí)現(xiàn)車身輕量化方面有著較大的作用。