應用正交試驗法汽車B 柱輕量化設計分析

陳滿秀，陳德林

（1.柳州鐵道職業(yè)技術學院，廣西 柳州 545616；2.開封大學機械與汽車工程學院，河南 開封 475004）

1 引言

B 柱位于汽車側(cè)面，前門和后門之間，上端連接上邊梁，下端與門檻梁連接，是重要的支撐承載件。在車輛發(fā)生側(cè)面碰撞時，B柱是重要的承載和吸能部件，對乘員保護起到重要的作用。B 柱內(nèi)側(cè)安裝有安全帶，在發(fā)生緊急情況時，起到保護乘員的作用[1]。因此，B 柱必須具備一定的強度和剛度，同時零件的形狀必須與整車一致。輕量化是汽車設計的內(nèi)容，對B 柱進行輕量化設計，既要保證零件的承載吸能要求，又要保證零件的質(zhì)量最小。激光拼焊是重要的輕量化設計方法，這里采用激光拼焊技術對B 柱進行設計。

學者對此進行了一定的研究：文獻[2]采用高強鋼替換方式，對B 柱進行輕量化設計，實現(xiàn)減重10%的輕量化目標；文獻[3]采用熱成形鋼對B 柱進行工藝優(yōu)化，實現(xiàn)輕量化設計；文獻[4]采用仿真的方法對B 柱的碰撞安全吸能特性進行分析；文獻[5]采用試驗方法對結(jié)構(gòu)優(yōu)化的B 柱進行特性分析，在保證特性的前提下，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化實現(xiàn)輕量化3%。

根據(jù)B 柱的結(jié)構(gòu)特點，對B 柱進行三維建模分析；根據(jù)B 柱在車輛側(cè)面碰撞中的結(jié)構(gòu)形態(tài)，搭建B 柱側(cè)面碰撞仿真分析模型；根據(jù)側(cè)面碰撞分析結(jié)果，基于正交試驗法對B 柱材料和厚度進行設計，并根據(jù)乘員的相對位置對激光拼焊的焊縫進行設計，根據(jù)側(cè)面碰撞的侵入量和侵入速度對比，選出最優(yōu)設計方案；基于側(cè)面碰撞分析模型，對優(yōu)化前后的安全性進行對比分析，以檢驗分析的可靠性。

2 B 柱安全性分析

2.1 分析模型

B 柱的結(jié)構(gòu)形態(tài)必須與汽車側(cè)面的結(jié)構(gòu)保持一致，因此為曲面形式，模型如圖所示。B 柱在發(fā)生側(cè)面碰撞時，能夠吸收一部分能量，保證傳遞到乘員的能力不至于過大而造成成員損傷；同時，保證一定的空間，保護乘員各部位損傷最小[6]。這里對B 柱的安全性分析，選取側(cè)面碰撞，為模擬真實的碰撞工況，搭建B 柱安裝支架，模擬真實碰撞的分析工況。

在CATIA 內(nèi)建立B 柱和安裝支架模型，選用LSTC 的臺車模型，根據(jù)三者的相對位置進行組裝，側(cè)面碰撞仿真模型，如圖1所示。在Hypermesh 內(nèi)對模型進行網(wǎng)格劃分，B 柱采用的材料為DP590，厚度為2.2mm。根據(jù)C-NACP2018 側(cè)面碰撞的有關規(guī)定[7]，臺車的運行速度為50km/h。設置好相關參數(shù)后，生成LS-DYNA軟件仿真用的K 文件。

圖1 仿真分析模型Fig.1 Simulation Analysis Model

2.2 碰撞結(jié)果分析

根據(jù)乘員與B 柱的相對位置，如圖2（a）所示。在B 柱表面由下向上均勻選取5 個位置作為測量點，進行側(cè)面碰撞侵入量的觀察，如圖2（b）所示。側(cè)面碰撞仿真時間長度設置為150ms。分析結(jié)果，如圖3 所示。

圖2 測量點選取Fig.2 Measurement Point Selection

圖3 分析結(jié)果Fig.3 Analysis Result

由圖中的分析結(jié)果可知，D2 點的進入量最大，D3 點次之，下側(cè)三個點直接侵入到車輛內(nèi)部，有可能對人體造成傷害。因此，對B 柱進行輕量化設計時，要保證下端具有足夠的強度，滿足安全性的要求，而上端則可適當減輕重量，實現(xiàn)輕量化設計目標。

3 B 柱激光拼焊設計

原材料為DP590，在輕量化設計中，B 柱下部（A 區(qū)）需要使用高強度級別的材料來保證保護乘員的安全，選定DP590、DP780、DP980 三種材料，厚度選定 1.6mm、1.8mm、2.0mm；B 柱上部（B 區(qū)）可以使用稍低強度級別的材料，選定DP450、DP590、DP780 三種材料，厚度選定1.4mm、1.6mm、1.8mm。以四因素三水平設計正交試驗，得到的正交試驗表，如表1 所示。按照試驗設計的參數(shù)設置拼焊材料仿真分別進行計算。

表1 拼焊材料正交試驗表Tab.1 Orthogonal Test Table of Tailor Welded Materials

采用Autoform 成形分析軟件，對激光拼焊B 柱零件的成形性進行分析，分析結(jié)果主要考慮三方面的因素：成形結(jié)果有無破裂等、材料的最大減薄率及Z向最大回彈量。經(jīng)過計算可以得到的結(jié)果，如表2 所示。

表2 拼焊材料正交試驗結(jié)果表Tab.2 Orthogonal Test Result of Tailor Welded Materials

觀察對比試驗結(jié)果，在9 個試驗中，試驗1、2、4 三個試驗成形后沒有發(fā)生破裂，屬于拼焊有效數(shù)據(jù)。其他均發(fā)生破裂，屬于無效數(shù)據(jù)。分析結(jié)果可知，零件下部可以使用DP780，上部可以使用DP590，差厚要小于0.6mm。

以試驗4 為基礎，找出焊縫的最佳位置。焊縫選取位置區(qū)域較寬，中心線為距離B 柱底端為460mm，如圖4 所示。在可選取的范圍內(nèi)每隔40mm 可以選取5 條拼焊線，分別為距離底部540mm，500mm，460mm，420mm，380mm。采用Autoform 對零件的成形性進行分析，經(jīng)過計算后，可以得到的結(jié)果，如圖5 所示。

圖4 焊縫結(jié)構(gòu)設計Fig.4 Weld Structure Design

圖5 危險區(qū)域最大減薄率Fig.5 Maximum Reduction Rate of Hazardous Area

隨拼焊線向底部移動，危險區(qū)域的最大減薄率并不是線性增減，而是在距離380mm 的拼焊線位置出現(xiàn)最小值22.1%，如圖5 所示。則，在可選取范圍內(nèi)將焊縫位置確定為距離底端380mm的位置。

4 B 柱輕量化設計分析

4.1 方案設計

根據(jù)B 柱可制造性分析結(jié)果可知，B 柱采用激光拼焊板結(jié)構(gòu)可以將高強鋼DP780 應用到該結(jié)構(gòu)上，并且在保證成形性能的基礎上，厚度也可以降低，零部件重量得以降低，實現(xiàn)車身零部件的輕量化設計[9-10]。根據(jù)B 柱成形分析結(jié)果，拼焊板結(jié)構(gòu)B 柱下部材料A 區(qū)用DP780，上部材料B 區(qū)采用DP590，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(qū)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(qū)的厚度，因此B 柱優(yōu)化方案設計，如表3 所示。

表3 B 柱優(yōu)化設計方案Tab.3 B-column Optimization Design

4.2 側(cè)面碰撞仿真分析

同前文的仿真方法，在B 柱表面由下向上均勻選取5 個位置作為測量點，獲取6 種方案的侵入量和侵入速度，如表4、表5所示。側(cè)面碰撞仿真時間長度設置為150ms。根據(jù)C-NACP 的五星標準設定侵入量和侵入速度的目標值。

表4 侵入量最大值Tab.4 Maximum Intrusion

表5 侵入速度最大值Tab.5 Maximum Intrusion Speed

由表5 中數(shù)據(jù)可知，方案5 為在保證側(cè)碰性能的前提下，B柱厚度可以減小的最大值。而方案6 的側(cè)碰結(jié)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(jié)構(gòu)，下部材料為DP780，厚度為1.8mm，上部材料為DP590，厚度為1.6mm。

4.3 優(yōu)化后方案對比分析

對比分析原方案設計和輕量化設計后侵入量變化，如圖6所示。

圖6 兩種方案侵入量對比Fig.6 Comparison of the Intrusion of the two Schemes

由圖6 可以看到，不同結(jié)構(gòu)類型的B 柱在汽車側(cè)面碰撞中各測量點侵入量變化趨勢相似，取B 柱最上頂點作為參考點，測量B 柱各測點的相對位移。各測量點侵入量均按照D1、D2、D3、D4和D5的順序由大到小排列。在拼焊仿真過程中，前50ms，D1 點侵入量變化較D2點小，50ms 之后，D1點侵入量在D2點侵入量之上。

選擇三種不同的侵入速度40km/h、50km/h、60km/h，兩種方案，不同速度下的侵入量最大值對比，如表6 所示。

表6 不同速度侵入量最大值對比Tab.6 Comparison of Maximum Speed Intrusion of Different Speeds

通過表中的6 組不同工況B 柱進行側(cè)面碰撞仿真侵入量最大值比較，獲得了側(cè)面碰撞中優(yōu)化結(jié)構(gòu)對于B 柱性能影響的規(guī)律，為B 柱結(jié)構(gòu)設計提供了研究基礎和設計依據(jù)。由表中侵入量最大值數(shù)據(jù)可以看出，在不同速度下，拼焊結(jié)構(gòu)在減小B 柱侵入量最大減小量發(fā)生在40km/h 的測點4 附近，侵入量減小約為25%。隨著速度的增加侵入量減小比率有所減小。通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的拼焊結(jié)構(gòu)中彎折發(fā)生在D2 和D4 所在的主體結(jié)構(gòu)附近，對應人體H 點和胸部，通過測量B 柱變形情況，考慮對人體的危害程度。由此可以看出，改進后的拼焊結(jié)構(gòu)，對人體胸部的傷害可以得到有效的降低。

根據(jù)對碰撞初始速度50km/h 的方案對比，可以看到采用激光拼焊結(jié)構(gòu)的B 柱重量減輕23.1%，各位置測量點的侵入量最高減少18.6%（D4 位置）。因此，采用激光拼焊結(jié)構(gòu)的B 柱設計是一種較好的B 柱結(jié)構(gòu)方式，可在滿足結(jié)構(gòu)耐撞性的要求下實現(xiàn)輕量化設計需求。

5 結(jié)論

搭建B 柱側(cè)面碰撞分析模型，基于激光拼焊技術和零件的可制造性，對B 柱進行激光拼焊設計，并對安全性進行分析，結(jié)果可知：

（1）對B 柱進行輕量化設計時，要保證下端具有足夠的強度，滿足安全性的要求，而上端則可適當減輕重量，實現(xiàn)輕量化設計目標；

（2）隨拼焊線向底部移動，危險區(qū)域的最大減薄率并不是線性增減，而是在距離380mm 的拼焊線位置出現(xiàn)最小值22.1%。則，在可選取范圍內(nèi)將焊縫位置確定為距離底端380mm 的位置；

（3）該B 柱選擇拼焊板結(jié)構(gòu)，下部材料為DP780，厚度為1.8mm，上部材料為DP590，厚度為1.6mm；

（4）采用激光拼焊結(jié)構(gòu)的B 柱重量減輕23.1%，各位置測量點的侵入量最高減少18.6%（D4 位置）。因此，采用激光拼焊結(jié)構(gòu)的B 柱設計是一種較好的B 柱結(jié)構(gòu)方式，可在滿足結(jié)構(gòu)耐撞性的要求下實現(xiàn)輕量化設計需求。