基于熱成形技術和耐撞性汽車B柱輕量化設計

張思婉，申 超

（1.鄭州鐵路職業技術學院，河南 鄭州 450002；2.中船重工集團公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015）

1 引言

隨著節能環保法規越來越嚴格，汽車輕量化成為新的發展趨勢之一，高強鋼應用是重要的輕量化方法之一。零件厚度減薄，可以節約材料，降低成本的同時，實現汽車車身的輕量化[1]。

近年來熱成形鋼在整個車身重量中的比例越來越高，應用也越來越廣泛，在采用熱成形鋼板后，零部件的重量得到大幅度下降，最大降幅可達到25%，極大地推動了車身輕量化。

但是在使用高強熱成形鋼替換時，不能盲目降低零件厚度，在零件減薄的同時還需要保障車身的安全性能。國內外學者對此進行了一定研究：文獻[2]采用激光拼焊技術，對某車型B柱零件進行設計，實現減重；文獻[3]采用超高強度鋼板對B柱原用材料進行替換，在提升安全性的同時，實現輕量化的設計目標；文獻[4]基于碰撞分析軟件，對不同材料B柱的側碰安全性進行對比分析，以獲取最優的設計；文獻[5]針對某車型B柱進行升級改造，并基于C-NACP工況進行星級評價驗證。

針對B柱進行熱成形鋼輕量化設計；根據高強鋼減薄強度等效經典公式，從能量角度推導出新的強度等效公式，并根據工程應用對公式進行合理修正；基于修正后的強度等效公式，對汽車B柱進行熱成形鋼特換設計，對零件的成形性和吸能特性進行對比分析，根據分析結果對成本和輕量化效果進行驗證，以驗證方案的可行性。

2 修正強度等效減薄公式

2.1 強度等效公式

根據車身原結構零件確定替換為高強鋼構件時的壁厚，需要用到強度等效公式[6]。在強度等效公式推導時，通過板殼理論的應力公式，并約束構件的最高應力不得超過許用應力[σ]，假設替換前后構件的安全系數保持不變，得到高強鋼強度等效減薄經典公式為：

當構件處于簡單拉壓狀態時，板厚的計算可以取式（1）的下限，當構件處于純彎曲狀態時，板厚的計算可以取式（1）的上限。一般構件都處于復雜應力狀態，為保障構件安全，計算時一般會取公式上限。

2.2 修正強度等效公式

材料的許用應力可以表示為：

式中：σs—材料的屈服強度；K—材料的安全系數。

在強度等效式（1）推導時，認為替換前后兩種鋼材的安全系數是相等的。

但是，高強鋼的屈服強度和抗拉強度相對增加，材料的延伸率下降，疲勞性能等材料參數也發生了變化。

根據板殼理論公式，薄板單元在外力不變的情況下，薄板內最大應力與板料厚度關系可以表示為：

當薄板處于簡單拉壓狀態時，板內最大應力與板厚成反比；當薄板處于純彎曲狀態時，板內最大應力與板厚的平方成反比。根據最大拉應力強度理論，則：

式中：α=K1/K0—兩種材料的安全系數比值；K1—替換后的高強鋼材料安全系數；K0—替換前的材料安全系數。

式（4）與式（1）相比，增加了反應材料安全系數的參數。對于高強度鋼，影響安全系數的材料參數主要有：板厚偏差、屈服強度偏差和彈性模量偏差等。高強鋼的安全系數K：

強度越高的鋼材，在屈服強度和抗拉強度材料參數的控制上相對較差，偏差值較大；其次是材料的強度越高，在零件成形制造和焊接組裝時，殘余應力越大[7]；成形回彈問題也一直是高強鋼面臨的主要問題，回彈直接導致結構幾何尺寸偏差較大；最后是高強鋼的延伸率相對較低，沒有明顯的屈服平臺，塑性儲備較小。

按經驗法，則公式（4）的上限為：

3 B柱輕量化設計

B柱是汽車側面位置重要的承載零件，當汽車發生側面碰撞時，B柱起到吸收能量保護乘員的作用；同時B柱內側安裝有安全帶等重要零部件。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，保證加工質量[8]。數模，如圖1所示。

圖1 B柱零件形狀圖Fig.1 B-Pillar Bart Shape Diagram

該B 柱原用材料為DP590，厚度為2.2mm，替換材料為熱成形鋼1500HS，抗拉強度為1500MPa，根據式（7）可知，厚度范圍為（1.5～1.8）mm。對零件進行可制造分析，第一序模面設計、工序、拉延筋等設計，如圖2 所示。分別選取1.5mm、1.55mm、1.6mm、1.65mm、1.7mm、1.75mm、1.8mm等厚度材料進行成形性分析，以成形結果、最大減薄率、最大回彈量作為判斷方案是否有效的依據[9]，分析結果，如表1所示。

圖2 第一序模面設計Fig.2 First Order Surface Design

表1 不同厚度材料分析結果Tab.1 Analysis Result of Different Thickness Material

對比試驗結果，在7個試驗中，試驗1、2、3三個試驗成形后沒有發生破裂，屬于有效數據。其他均發生破裂，屬于無效數據。

4 汽車B柱側面碰撞安全性分析

4.1 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[10-11]，B 柱原始設計材料為DP600，厚度為2.2mm，側面碰撞模型，如圖3所示。碰撞仿真時間設定為150ms。

圖3 側面碰撞數值分析模型Fig.3 Side Impact Numerical Analysis Model

4.2 側面碰撞B柱變形分析

側面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Fig.4 Side Vehicle Collision Energy Curve

由圖可知，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4.11kJ，而整個碰撞過程中的總能量大約為91.5kJ，車體通過碰撞變形吸收50.23kJ，動能下降至54.34kJ，沙漏能最大值約占總能量的4.49%，符合5%的要求，仿真結果是可靠的。整個過程中側面力的變化，如圖5所示。

圖5 側面碰撞力曲線Fig.5 Side Impact Force Curve

由圖可知，整個過程中側面碰撞力先增加后減小，其中在（22～62）ms，基本維持在定值，在60ms 時，力達到最大值200.1kN，之后力值逐漸減小，達到90ms時趨于0，整個過程結束。

4.3 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側面碰撞變形測試方法及駕駛員在車身中的相對位置，在B柱對應位置選取測量點[12-13]，如圖6所示。為達到五星級安全性標準，各測點侵入量侵入速度限值，如表2 所示。分別對應不同的測試指標。

表2 B柱側面碰撞CAE性能目標Tab.2 B-Pillar Side Impact CAE Performance Target

圖6 測量點選擇Fig.6 Measurement Point Selection

（2）側面碰撞B柱侵入量分析

B柱7個測點侵入量的時間歷程曲線，如圖7所示。

圖7 侵入量-時間歷程曲線Fig.7 Intrusion Amount-Time History Curve

由B柱上不同位置測試點的侵入量變化曲線可知，從碰撞開始，B柱上7個測試點的侵入量不斷變大，即B柱在側碰力的作用下向內側乘員處變形，在60ms左右各個測試點的侵入量達到最大值，然后由于移動壁障產生反彈，側碰力降低，B柱也由于自身的回彈變形和側碰力的降低而恢復一定的變形量，侵入量減小，但是評價側碰性能的指標還是最大侵入量。測點P7不為直接碰撞處，且結構變形量少，故其侵入變形在所有測量點中最小。

（3）側面碰撞B柱侵入速度分析

B柱7個測點侵入速度的時間歷程曲線，如圖8所示。

圖8 侵入速度-時間曲線Fig.8 Intrusion Velocity-Time Curve

由B柱上7個測試點的侵入速度變化曲線可知，侵入速度隨著碰撞的進行，由于B柱本身具有一定的剛度和強度，曲線振蕩下行，在40ms左右B侵入速度達到最大值，然后由于碰撞反彈，速度逐漸降低為零，進而反向運動至碰撞結束。

（4）側面碰撞B柱性能總結

將基于原始材料設計的B柱側碰仿真結果歸納，如表3所示。

表3 B柱側碰結果性能Tab.3 B Column Side Impact Result Performance

由表中結果可知，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，并且從數值上看，在保證側碰安全性的基礎上，B柱還有優化的空間。

4.4 B柱輕量化方案安全性分析

將六種優化方案得的側碰性能指標歸納，如表4、表5所示。

表4 侵入量性能指標對比（mm）Tab.4 Comparison of Invasive Performance Indicator（mm）

表5 侵入速度性能指標對比（m/s）Tab.5 Comparison of Intrusion Speed Performance Indicator（m/s）

根據表4和表5對比可知，方案1的部分指標不滿足五星標準的性能指標要求，因此該方案無效，方案2和方案3均能滿足要求，各個方案減重效果，如表6所示。

表6 各方案輕量化效果對比Tab.6 Comparison of Light Weight Effect of Each Program

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，根據可制造性分析和安全性分析結果方案數據進行模具設計，在實際生產過程中很少出現沖壓開裂的情況，生產能夠穩定的進行，保證了B柱的生產質量，大大提高了生產效率。側圍及B柱，如圖9所示。

圖9 側圍總成Fig.9 Side Wall Assembly

將試生產后的零件進行裝車，利用汽車碰撞臺架，根據CNCAP 測試標準[14-16]，對側碰安全性進行分析，檢測B 柱的安全性，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，試驗后車輛變形，如圖10所示。仿真與試驗測試結果的最大侵入量和侵入速度對比，如表7、表8所示。

表7 最大侵入量對比（mm）Tab.7 Comparison of Maximum Intrusion

表8 最大侵入速度對比（m/s）Tab.8 Comparison of Maximum Intrusion Speed（m/s）

圖10 轎車側面碰撞試驗結果Fig.10 Side Impact Test Result

由表中對比可知，試驗測試結果滿足設計目標要求，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 結論

針對汽車B柱進行熱成形鋼輕量化設計，結果可知：

（1）根據強度等效原則，并補充了安全系數因子，考慮替換前后鋼材料在材料參數因素、殘余應力、尺寸偏差和屈強比因素的影響，修正了車身零件的材料強度等效減薄公式，保障了高強鋼減薄應用的安全性；

（2）根據B柱的結構和功能特點，根據修正強度等效原則，對1500HS材料進行厚度設計，實現零件的材料-工藝-性能的最佳匹配，保證成形性和安全性的前提下，在不增加成本的基礎上，實現材料厚度由2.2mm降低到1.6mm，重量由原來的4.5kg降至3.2kg，輕量化減重達27.3%；

（3）基于C-NACP側面碰撞分析工況，進行仿真和試驗測試，結果表明優化前后均可以滿足五星標準限值要求；同時試驗與仿真誤差4%以內，表明分析結果的可靠性。