基于熱成形的變截面B柱優化設計

李紅　李陽　董江海

摘 要：文章基于輕量化的需求，以基礎熱沖壓成形B柱為對象，采用變截面熱成形技術，進行不同截面厚度設計，并進行零件級別仿真分析，得到優化方案，最后進行整車驗證分析，滿足使用性能，并且實現輕量化。關鍵詞：變截面熱成形;B柱;優化設計中圖分類號：U462.1? 文獻標識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）01-64-03

Abstract： Based on the demand of lightweight， this paper takes the basic hot stamping B-pillar as the object， adopts the variable section hot forming technology to design different cross-sectional thickness， and carries out simulation analysis on part level to obtain the optimization scheme. Finally， the vehicle is verified， and the design meets the service performance and realized lightweight.Keywords： Variable section hot forming; B-pillar; Optimization designCLC NO.： U462.1? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）01-64-03

前言

為了保證整個車身的強度和剛度，車身結構件對材料的強度有著較高的要求。汽車車身設計在實現輕量化的同時，必須保證安全性能。熱成形零件因其具有較高的強度，在保證安全性能的同時，可以達到減重的效果，因此得到了廣泛應用。

近年來，變截面熱成形技術也在車身上得到了應用，主要用于A柱、B柱、中通道等部位。該項技術首次應用于2011款奧迪A6的前擋板加強橫梁和新福克斯的B柱，其中新福克斯B柱原設計為雙層熱成形零件，通過變截面技術應用，合成一層零件，在碰撞安全性能不降低的情況下，其質量大幅度下降，為汽車輕量化帶來可觀的收益。

在乘用車發生側面碰撞過程中，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其入侵量和入侵速度有重要影響，并最終對乘員的安全性有重要影響[1，2]。針對于側面碰撞時B柱不同區域的變形不同的特點，可以設計成變厚度，從而減重。

本文主要論述了將普通熱成形B柱優化為變截面熱成形B柱的設計過程。

1 benchmark分析

調研近年來euro car body會議資料，共有11款車型應用了變截面熱成形B柱。具體車型如表1所示;福克斯B柱的厚度分布如圖1所示。

根據以上競品調研分析可見，變截面熱成形B柱在轎車、SUV等車型中均有應用，厚度區間為1.2mm-2.9mm，分區形式為3段至多段，過渡區寬度及每個區間的寬度無明顯規律，總體上呈現出中間厚、兩邊薄的分布特征。分析側面碰撞法規實驗，實驗發生時，壁障撞到車上，B柱和門檻將載荷傳遞到車身頂部橫梁和下部底板及車門防撞梁等零件上。為減小碰撞對人體胸部以上與車身接觸的可能性，較少傷害，所以B柱設計為中間強，兩邊稍稍弱些;這樣能夠保證在碰撞過程中，上下兩個部位先變形吸收能量，從而能夠保證B柱不斷裂，降低人員受傷的風險。

2 搭建模型

根據文獻[3]研究的成果。建立了B柱簡化側碰仿真模型。簡化模型采用上、下兩個沖擊錘，主要用來模擬美國高速公路安全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。進而模擬沖擊載荷，沖擊錘模型設置為剛性體，沖擊錘上、下兩中心相對位置保持固定，大小沖擊錘中心距設置為375mm，高度差30mm。B柱簡化模型兩側約束5個自由度，放開Z向平動自由度，仿真時沖擊落錘接觸瞬間初始速度定義為30km/h，沖擊錘加載質量為160kg，在B柱內側位置取11個測量點，輸出其測量點的侵入量及侵入速度。如圖2所示。

3 方案制定

原基礎B柱設計為1500MPa熱成形材料，厚度為1.6mm。制定變截面方案時，結合基礎模型變形情況及現有技術與加工工藝，制定了20種不同厚度及不同分界位置方案，見表2。利用前面搭建的B柱碰撞仿真模型進行了計算，得到侵入量結果，用于橫向對比。

仿真的相關參數（關注點）為B柱11個關鍵點的入侵量。但是為了簡化分析，根據以往經驗關注點6在實車側碰過程中侵入量最大，在實際仿真中主要關注點6的入侵量。所以本次分析中，也只采用了點6的侵入量。表3給出了基礎模型和方案的模型質量參數及侵入量。

根據模擬結果，綜合考慮成本、工藝，選取方案15作為最終方案。其中一區的厚度t=1.3mm，長度L=504mm;二區厚度t=1.6mm，長度L=503mm;三區厚度t=1.4mm，長度L=303mm。三個區域的強度均為1500MPa。每段過渡區的長度為L=40mm，過渡區均勻過渡。具體信息見圖3。

4 整車碰撞驗證

將設計方案15帶入整車模型進行碰撞對比分析。圖4為在碰撞過程中的關注點，表3與表4為差厚板B柱與原熱成形B柱測量點侵入量與侵入速度的對比，由表3、表4可知，更改后的差厚板B柱與原熱成形B柱相比結果變化不大，滿足性能要求。

5 結論

根據上述分析，優化設計方案雖較原方案性能略有降低，但滿足目標性能要求。優化設計方案，較原方案重量降低9.32%。相比于鋁合金、碳纖維等輕量化材料，無需改變生產線、連接方式等，性比價比高，可實施性強，是汽車輕量化不可或缺的選擇。

參照文獻

[1] 趙娣，陳曉磊.汽車B柱輕量化設計及碰撞分析[J].上海汽車， 2014（1）：25-27.

[2] 魯后國，李鐵柱，闞洪貴.基于仿真分析的汽車B柱側面碰撞性能設計[J].機械設計與制造， 2017（7）：220-222.

[3] 高新華，徐有忠，王其東.基于臺架試驗與模擬的轎車B柱耐撞性與輕量化研究[J].汽車工程， 2014（8）：957-962.