汽車側面碰撞安全性B柱結構優化設計

周棟亮

（泰州技師學院，江蘇 泰州 225300）

0 引言

汽車結構安全性的保障在很大程度上取決于B柱設計，當汽車側面遭受碰撞時，B柱在保護乘員和吸能方面起著較大作用[1]。因此，汽車的B柱設計顯得尤為重要。一般情況下，為了滿足汽車結構安全性要求，以汽車B柱剛度和強度作為主要限定指標，所以選取加工材料的屈服強度較高，導致加工難度增加[2]。另外，從汽車燃油性能方面考慮設計問題，還應該將輕量化添加至設計要求中[3]。以往提出的汽車B柱側面設計方案，未能達到輕量化、安全性要求[4，5]。為了滿足這些汽車B柱結構設計要求，本文嘗試探索提出一種補丁板結構設計方案。

1 汽車B柱結構

汽車前車門和后車門之間的位置布設B柱，作為汽車結構中的主要承力構件，當外界施加一定沖力時，需要保證前門可以打開。該部位集高度調節器、安全帶收卷器、后車門鉸鏈、前車門鎖扣為一體，這些裝置均安裝在此處，因而對結構機械剛度和強度要求較高，并且對于裝置安裝空間布設要求也很高。一般情況下，汽車B柱外觀呈現曲面狀態，根據車身的整體外形打造[6]。B柱零件結構與其他零件結構差異性較大，不僅截面變化復雜，成形深度偏大，而且成型件上部高度與下部高度差較大，圓角半徑偏小[7]。

從當前掌握的研究資料來看，從改善B柱結構強度角度出發，對其結構設計方案進行優化，能夠達到提高側面碰撞安全性[8,9]。目前，尚未形成較為完善的設計方案，本研究嘗試對此展開探究。

2 汽車B柱結構優化設計

2.1 B柱側面碰撞安全性分析

為了獲取B柱結構優化設計參考依據，本研究通過創建B柱側面碰撞仿真模型，對B柱側面碰撞安全性進行仿真分析，從而確定側面碰撞特性。本次仿真實驗中，選擇LSTC公司的模型材料參數為標準，搭建B柱試驗臺架，在剛性墻壁面加以固定。其中，B柱材料厚度為1.3 mm，材質為DP780。設置3種碰撞工況，以碰撞初始速度為變量加以設置，各組仿真實驗工況碰撞初始速度分別為60 km/h、50 km/h、40 km/h，探究B柱結構側面耐撞性能受撞擊速度和B柱厚度的影響。利用Hypermesh軟件劃分網格，模擬汽車B柱碰撞，生成K個文件，形成碰撞仿真模型。在模型中設置5個測點，編號依次為D1、D2、D3、D4、D5，測點部署如圖1所示。

圖1 仿真模型測點部署方案

側面碰撞仿真時間設定為50 ms，利用仿真模型模擬不同工況下的側面碰撞侵入速度、侵入量。

關于侵入量的模擬仿真結果顯示，碰撞期間各個測點的侵入量的變化形式基本相同，變形幅度最大的測點是D2，最小的測點為D5，除此之外，按照D3、D4、D1的順序排列。侵入車內的先后順序為D1、D2、D3、D4、D5。碰撞期間，各個測點侵入車內的過程存在一定差異。測點D4和測點D5的變形過程相同，先向車外凸起，而后逐步侵入車內，而其他3個測點則是直接侵入車內。當B柱碰撞初始速度逐漸增加時，5個測點的侵入量均隨之增加。

關于侵入速度的模擬仿真結果顯示，碰撞期間各測點的侵入速度變化形式基本相同，測點D3首先產生峰值，測點D5最后產生峰值，其他測點的按照D4、D2、D1順序排列。碰撞過程中，產生侵入速度的測點先后順序為D1、D2、D3、D4、D5。當碰撞初始速度逐漸增加時，5個測點的侵入速度均隨之增加。

對B柱碰撞整體侵入量加以模擬仿真。從仿真結果來看，侵入量最大的測點為D2，侵入速度最大的測點為D3，侵入量與侵入速度最小測點相同，均為D5。

2.2 B柱結構補丁板優化設計

采用增加補丁板的方式，對B柱變形關鍵區域采取局部強化處理。之所以不對其他區域采取強化處理的原因是其他區域的變形問題不嚴重，為了達到輕量化設計目的，因而對局部采取強化處理[10]。根據模擬仿真結果可知，B柱的碰撞變形關鍵區域為D2，此位置受碰撞影響產生的變形較大。所以，以D2點為中心采取局部強化。位于D2下方的區域不需要增加補丁板，此區域受門檻梁作用，強度較大。另外，模擬結果顯示D4以上區域發生的變形較小，可以忽略不計。由此可以界定補丁板的布設范圍。B柱外板材料為DP780，厚度1.2 mm，增加補丁板材料為DP780，厚度為1.0 mm，將補丁板與B柱外板焊接在一起，注意避開D2安裝孔。同時，去除B柱加強板。除此之外，B柱其他結構保持不變。如圖2所示為B柱結構優化設計模型。

圖2 B柱結構優化設計模型

2.3 B柱結構輕量化設計

本優化設計方案采取局部增加補丁板的方法優化原來的B柱結構，在重量控制方面體現一定優勢。兩種B柱結構設計方案不同，B柱材料保持不變的情況下，采用不同的加強板材料，增加區域不同，且材料的厚度不同，導致B柱重量存在較大差異。如表1所示為不同B柱結構的輕量化設計。

表1 不同B柱結構的輕量化設計

原設計方案選擇DP780作為B柱材料，厚度為1.3 mm，采用整體加強的處理方法，在整個側面增加加強板。其中，選取的加強板材料為DP590，材料厚度為1.2 mm。本文提出的增加補丁板方案選擇DP780作為B柱材料，厚度為1.2 mm，采用局部加強的處理方法，在關鍵處增加加強板。其中，選取的加強板材料為DP780，材料厚度為1.0 mm。測量兩種材料應用下的B柱重量，增加補丁板方案應用下的B柱重量為2.9 kg，原設計方案應用下的B柱重量為4.1 kg。由此看來，本文提出的增加補丁板在輕量化設計方面體現了一定優勢，達到了預期優化設計目標。如果該設計方案在實踐應用中可以有效控制侵入量，在原設計方案基礎上，降低B柱碰撞侵入量，那么認為該優化設計方案可靠。

3 應用測試分析

3.1 應用案例

為了驗證本文設計的增加補丁板優化方案可靠，以某型轎車側面碰撞為例，搭建模擬仿真模型。以乘車人胸部位置碰撞安全保護不達標作為B柱結構優化設計要求，采用逆向推理分析法，構建三維數學模型。接下來，分別開展碰撞試驗測試與模擬仿真測試。設定碰撞初始速度為50 km/h，選擇A點、B點、C點、D點、E點5個位置作為測點，分別開展碰撞試驗測試與模擬仿真測試，對比測試結果，判斷模擬仿真結果可靠性。如果偏差控制在±5%以內，則認為仿真模擬結果可靠，那么運用仿真模擬方法統計的不同加強方法應用下的侵入量可以作為分析數據支撐。

3.2 汽車B柱結構設計

針對本案例中的轎車乘員胸部位置變形問題，經過計算分析，找到B柱結構需要加強剛度的位置，在此處增加補丁板，選擇DP780作為B柱材料，厚度為1.2 mm，采用局部加強的處理方法，在需要加強剛度的位置焊接補丁板。其中，補丁板的加強板材料為DP780，材料厚度為1.0 mm。如圖3所示為轎車B柱結構設計。

圖3 轎車B柱結構設計

3.3 應用測試分析

3.3.1 改進后作業入侵量的試驗與仿真測試

按照應用方案，對B柱結構優化設計方案的應用開展試驗與仿真測試，測量5個測點碰撞期間產生的入侵量，模擬測試結果與試驗測試結果如表2所示。

表2 改進后作業入侵量的試驗與仿真測試結果

表2統計結果顯示，模擬測試結果與試驗測試結果的最大偏差為-4.39%，該數值在偏差允許范圍之內。因此，本研究搭建的模擬仿真模型可以作為側面碰撞模擬測試工具，根據測試結果能夠有效判斷B柱結構優化設計可靠性。

3.3.2 不同速度作業下的侵入量最大值測試

本次模擬仿真測試設定的3種工況以初始碰撞速度作為變量，分別為40 km/h、50 km/h、60 km/h。如表3所示為不同速度作業下的侵入量最大值測試結果。

表3 不同速度作業下的侵入量最大值測試結果

表3中模擬測試結果顯示，3種工況中補丁板加強方案應用下的侵入量最大值較原設計加強方案應用下的侵入量最大值有所下降。補丁板加強方案在3種工況應用下的侵入量最大值下降最為顯著的測點相同，均為D點，40 km/h、50 km/h、60 km/h工況的下降幅度分別為23.57%、18.60%、18.60%。由此判斷，本文設計的補丁板加強方案能夠有效降低B柱結構遭受碰撞后產生的侵入量。

4 結語

本文圍繞汽車側面碰撞安全性提升問題展開探究，以汽車B柱結構作為優化設計對象，通過加強B柱結構剛度，使其碰撞安全性得以提升。在原來B柱結構設計方案基礎上，減小材料厚度，更換加強材料，采用局部加強的方式，將加強材料焊接在碰撞安全性防護關鍵位置，形成補丁板加強方案。應用結果顯示，本研究設計的補丁板加強方案能夠有效降低汽車側面碰撞期間B柱侵入量。