基于可制造性的汽車B柱輕量化設計分析*

王 濤

(安陽工學院 機械工程學院，河南 安陽 455000)

0 引 言

汽車的輕量化設計必須以不損失相關性能為前提。由于強度較高，高強鋼材料主要應用于車身結構件和安全件[1]。B柱是汽車側面最重要的承載結構件，其零件尺寸較大，零件不同部位的承載力具有較大差異，不同材料的激光拼焊很好地滿足了這種需求。激光拼焊B柱設計實現了材料、加工工藝、零件性能的統一，既保證了零件的性能不損失，也保證了零件實現輕量化設計[2]。

本文將以汽車B柱為研究對象，在保證可制造性和碰撞安全性滿足要求的前提下，采用激光拼焊技術對其進行輕量化設計。

1 B柱可制造性分析

B柱是汽車側面位置重要的承載零件，同時B柱內側安裝有安全帶等重要零部件，因此B柱必須具備足夠的強度，同時形狀必須與汽車側面曲線保持一致，這就要求B柱所用材料必須具備較高的強度，同時也要有良好的成形性能[3]。

本文將零件模型以IGS格式導入Autoform軟件中，在此基礎上構建工藝補充面及壓料面。由于臺階處拉延深度較深，臺階又分布在產品內側，進料困難，需要添加工藝補充面，并采用大圓弧過渡，以免拉深時開裂。工藝補充面必須保證切邊強度及過渡光順[4]。筆者在此基礎上偏置出壓邊圈、凸模、凹模，建立有限元模型。

本零件采用異形原料，原設計選用DP600牌號，板料厚度為2.2 mm，長寬方向分別為1 485 mm×650 mm，摩擦系數取0.15，單位壓邊力為F=500 kN，計算精確度按常規進行計算[5]。通過設置各項參數后提交計算，進行有限元模擬分析，可以得到FLD圖、成形性能、變薄率、材料厚度、主次應變等分析結果。

仿真分析獲得成形后零件的厚度、減薄率和Z向回彈量分布云圖如圖1所示。

圖1 成形后零件厚度、減薄率和Z向回彈量分布云圖

由圖1可知：零件成形后網格應變分布接近成形極限曲線FLC，在部分區域有破裂趨勢；最大減薄出現在底端側壁處，最大減薄率為19.6%；Z向回彈量最大最小值分別為2.48和-2.45。

筆者以成形極限圖FLD作為判斷成形發生破裂的標準，并以最大減薄率判斷成形性能的好壞，最大減薄率越小則成形性能越好。

2 輕量化方案設計

2.1 拼焊線初始位置設計

考慮側面碰撞侵入量和侵入速度對乘員的傷害影響，并參照乘員在車內的位置[6]，需要在B柱零件上部使用較高強度材料。零件下部門檻位置需使用較低強度材料，在側面碰撞中起到吸能作用，對上部碰撞產生緩沖[7-8]。

焊縫設計如圖2所示。

圖2 焊縫位置設計

由圖2可知：在保證乘員頭部胸部安全的前提下，需要使B柱上部具有高強度和剛度，焊縫須布置在乘員腰部以下，即距離底端540 mm以下；B柱底部寬，并且有較大的凸臺設計，焊縫須避讓此凸臺，布置在距離底部380 mm以上；初始焊縫位置選取藍距離B柱底端460 mm處。

2.2 拼焊材料選定

原材料為DP600，在輕量化設計中，B柱上部(A區)需要使用高強度級別的3種材料：DP600、DP800、DP1000，厚度選定1.6 mm、1.8 mm、2.0 mm；B柱下部(B區)使用稍低強度級別的材料：DP500、DP600、DP800，厚度選定1.4 mm、1.6 mm、1.8 mm。

以四因素三水平設計正交試驗，得到的零件拼焊材料正交試驗方案如表1所示。

表1 拼焊材料正交試驗方案

本研究按照表1試驗設計參數，設置拼焊材料進行仿真建模，分別進行計算。

經過計算分析，各方案可制造性分析結果如表2所示。

表2 各方案可制造性分析結果

由表2分析結果對比可知：在9個試驗中，試驗1、2、4成形后沒有發生破裂，屬于拼焊有效數據，其他均發生破裂，屬于無效數據；試驗7、8、9中，B柱零件上部選取DP1000時，成形均發生破裂；試驗4、5、6中，零件上部選取DP800時，只有在下部選取DP500(試驗4)，并且拼焊材料無差厚時才可以成功完成沖壓。當上部使用DP800、下部使用DP600時(試驗5)，差厚達到了0.6 mm，不能成形此零件，且開裂部位在焊縫位置；試驗1、2、3中，上部使用DP500時，下部使用DP500和DP600都能成形該零件，下部使用DP800時，不能成形。

由此可知：零件上部可以使用DP800，下部可以使用DP600，差厚要小于0.6 mm。

2.3 焊縫位置確定

本研究以試驗4為基礎，找出焊縫的最佳位置。前文提到焊縫選取位置區域較寬，中心線為距離B柱底端為460 mm。在可選取的范圍內每隔40 mm選取5條拼焊線，分別為距離底部540 mm、500 mm、460 mm、4 200 mm、380 mm。隨拼焊線向底部移動，危險區域的最大減薄率并不是線性增減，而是在距離380 mm拼焊線位置出現最小值22.1%。

危險區域最大減薄率η與距離底部距離d之間的關系如圖3所示。

圖3 危險區域最大減薄率與距離底部距離的關系

由圖3可知：在可選取范圍內，將焊縫位置確定為距離底端380 mm的位置。

2.4 拼焊材料厚度確定

從表2數據可以知道，零件上部選取DP800時，只有在下部選取DP500(試驗4)，并且拼焊材料無差厚時才可以成功完成沖壓。當上部使用DP800、下部使用DP600時(試驗5)，差厚達到了0.6 mm，不能成形此零件，且開裂部位在焊縫位置。

在差厚小于0.6 mm的前提下，對試驗5進行細致的拼焊材料厚度設計如表3所示。

表3 拼焊材料厚度設計

由表3可知：基于上部為DP800、下部為DP600拼焊材料時，當拼焊材料厚度差在0.2 mm、0.4 mm時均可以成形。

3 汽車B柱側面碰撞安全性分析

3.1 側面碰撞仿真模型

以某轎車為研究對象，按照法規要求，基于VPG建立側面碰撞模型[9-10]，B柱原始設計材料為DP600，厚度為2.2 mm，碰撞仿真時間設定為150 ms。

3.2 側面碰撞B柱變形分析

本研究采用模型進行分析，獲得側面整車碰撞中能量變化曲線如圖4所示。

圖4 側面整車碰撞能量變化曲線

由圖4可知：整個過程中能量變化平穩，碰撞前后系統的總能量保持平衡。沙漏能的最大值為4.11 kJ，而整個碰撞過程中的總能量大約為91.5 kJ，車體通過碰撞變形吸收50.23 kJ，動能下降至54.34 kJ，沙漏能最大值約占總能量的4.49%，符合5%的要求，可見仿真結果是可靠的。

3.3 側面碰撞B柱侵入速度及侵入量分析

(1)側面碰撞性能指標。根據C-NCAP整車側面碰撞變形測試分析方法[11-12]，在B柱對應位置選取測量點，如圖5所示。

圖5 B柱側面碰撞測點選取

(2)側面碰撞B柱性能。以材料為DP600，厚度為2.2 mm，對B柱進行側碰仿真分析。

選取C-NCAP 側面碰撞工況，碰撞速度為50 km/h，B柱側碰結果性能如表4所示。

表4 B柱側碰結果性能

由表4可知：基于原始設計材料及厚度的B柱側碰性能都滿足目標要求；從數值上看，在保證側碰安全性的基礎上，B柱還有優化空間。

4 B柱輕量化方案側碰安全性分析

4.1 B柱輕量化設計方案

根據B柱可制造性分析結果可知：B柱采用激光拼焊板結構可以將高強鋼DP800應用到該結構上，并且在保證成形性能的基礎上，厚度也可以降低，實現車身零部件的輕量化設計。根據B柱成形分析結果，拼焊板結構B柱上部材料A區用DP800，下部材料B區采用DP600，并且由于要保證人的頭部和胸部等關鍵位置，上部材料A區還需要一定的剛度和安全性，厚度應該不小于下部材料B區的厚度。

因此，B柱優化設計方案如表5所示。

表5 B柱優化設計方案

4.2 B柱輕量化方案安全性分析

本研究將6種優化方案分別進行側面碰撞分析，可得到B柱各測點的側碰侵入量和侵入速度性能指標，分別如表(6～7)所示。

表6 B柱侵入量性能指標對比

表7 B柱侵入速度性能指標對比

各方案減重效果及側碰安全性評級結果如表8所示。

表8 各方案減重效果及側碰安全性評級結果

由表(6～8)中數據對比可知：方案5在保證側碰性能達到5星的前提下，B柱厚度可以減小的值最大；方案6的側碰結果不理想，侵入量和侵入速度都超出了設計目標值。

因此，該B柱選擇拼焊板結構，上部材料為DP800，厚度為1.8 mm，下部材料為DP600，厚度為1.6 mm。

4.3 B柱輕量化效果分析

經過優化，汽車B柱的質量從4.449 kg減小到3.50 kg，減重21.3%。可見在汽車B柱上采用激光拼焊技術，能夠提高B柱在側面碰撞中的安全性能，減輕B柱的質量，有效平衡耐撞性和輕量化的雙重要求。

5 B柱輕量化方案實施效果檢測

該車型B柱從設計到試模，再到最后批量生產經歷了1.5年的時間；并且根據可制造性分析和安全性分析數據進行了模具設計，在實際生產過程中很少出現沖壓開裂的情況。

5.1 型面公差

試模過程中，根據可制造性分析結果，實時調整沖壓工藝參數(壓邊力、模具間隙、涂油量等)[13]，在檢具上對零件的型面公差進行檢測，測點選取如圖6所示。

圖6 檢測點選取

B柱檢具檢測結果如表9所示。

表9 B柱檢具檢測結果

5.2 最大減薄率

對試生產的B柱進行厚度測量，B柱零件的最大減薄率如表10所示。

表10 B柱最大減薄率

由表(9～10)可知：通過調整沖壓工藝參數，B柱產品經檢測后，型面合格率100%，最大減薄率21.1%，符合主機廠設計要求。

5.3 側碰安全性分析

本研究將試生產后的零件進行裝車，利用汽車碰撞臺架，根據C-NCAP測試標準[14-18]，對側碰安全性進行分析，選取與仿真過程相同的檢測點，獲取最大侵入量和侵入速度值。仿真與試驗測試結果的最大侵入量和侵入速度對比，如表11所示。

表11 最大侵入量和侵入速度對比

由表11可知：試驗測試結果滿足設計目標，滿足五星的標準；并且試驗值和仿真值基本一致，最大誤差控制在4%以內，滿足碰撞法規要求，表明分析結果是可靠的。

6 結束語

本文以汽車B柱為研究對象，在保證可制造性和碰撞安全性滿足要求的前提下，對其進行了輕量化設計，主要結果如下：

(1)將材料優化為拼焊板材料，針對拼焊材料、焊縫位置以及厚度，對零件優化設計，結果表明：上部材料可以選用DP800牌號，下部可以選用DP600牌號，厚度差須在0.4 mm以內；

(2)通過不同焊縫位置對成形性能影響的仿真模擬，確定焊縫位置距離底端380 mm處最優；

(3)在B柱在側面碰撞中，以侵入量和侵入速度為評價目標，最終確定材料組合為DP800/DP600，厚度為1.8 mm/1.6 mm，質量減重21.3%；

(4)B柱試生產后的產品型面合格率100%，最大減薄率21.1%，符合主機廠設計要求；

(5)側面碰撞測試結果滿足五星的標準；仿真與實驗結果基本一致，誤差在4%以內，分析模型和結果可靠。