某車型側面碰撞B柱結構優(yōu)化仿真研究

陳昊，伍思旺，朱鈺，段大祿，賈麗剛，凡沙沙，莫默

上汽通用五菱汽車股份有限公司技術中心，廣西柳州 545005

0 引言

在2001-2015 年交通事故統(tǒng)計的11211宗轎車碰撞事故里，發(fā)生側面碰撞的概率是27%。對美國交通事故中受重傷的24000名人員進行調查發(fā)現(xiàn)，有67%的受重傷人員是因為汽車間發(fā)生了側面碰撞[1]。車身的側面結構是比較薄弱的部位，且不像車身前端有比較多的吸能裝置，一旦發(fā)生側面碰撞，很容易造成乘員受重傷[2]。B柱加強板作為汽車側面碰撞的主要受力吸能部件，其性能設計在汽車側面耐撞性研究中至關重要[3]。

如果B柱強度過大，不能吸收足夠的能量，碰撞速度過大，車內乘員的安全性就會大幅度降低；如果B柱強度過低，整車變形就會增大，壓縮車內乘員安全空間，對乘員安全性也不利。張維剛等[4]引入假人的側碰仿真試驗研究，也證明了合理的B柱變形模式能夠有效減小假人的傷害值。

本文對某車型進行整車建模，運用熱成型材料，對一體式、分體式和變厚度式3種B柱加強板設計進行50 km/h側面碰撞的仿真和結果分析，最終發(fā)現(xiàn)變厚度式（variable-thickness rolled blanks，VRB）B柱加強板安全性最高。

1 有限元模型簡述

試驗車網(wǎng)格數(shù)量約為225萬個（只對車體結構進行評估，不帶假人），整車質量為1172 kg，運用HyperWorks軟件進行建模，并將LS-DYNA作為仿真分析工具分析有限元邊界條件基于2020-2024 Latin-NCAP 50MDB 的測試內容。

仿真的邊界條件設置如下：移動變形避障的縱向中垂面對齊車輛上通過碰撞側前排座椅的R點，初始速度設置為50 km/h。Latin-NCAP 50MDB 碰撞示意如圖1所示。

圖1 Latin-NCAP 50MDB碰撞示意

2 不同B柱設計的仿真分析

B柱加強板是側面碰撞中B柱最為重要的零件，其變形和吸能可直接影響汽車側面碰撞的安全性。

B柱的折彎變形位置對乘員傷害影響巨大。B柱上方折彎嚴重會增加乘員頭部損傷；B柱中間折彎嚴重，對乘員胸部和腹部不利；只有B柱加強板在最下端折彎變形最好，在吸能的同時可以盡可能減少乘員受到的損傷[5]，如圖2所示。

圖2 B柱加強板折彎位置

B柱加強板的設計可以直接影響B(tài)柱折彎變形的位置。以某車型為例，初始階段B柱加強板設計為一體式。

2.1 一體式B柱加強板

一體式B柱加強板指的是B柱加強板只有一塊整體結構且每個地方厚度一致，這也是目前最為普遍的B柱加強板設計，如圖3所示。

圖3 一體式B柱加強板

從安全性的角度考慮，發(fā)生側面碰撞時移動變形避障會直接擠壓B柱中間位置，如果B柱上中下強度一樣，中間就會出現(xiàn)嚴重的折彎變形，乘員損傷會增加。以某車型為例，采用2.2 mm熱成型一體式B柱加強板，經(jīng)過側面碰撞后B柱加強板變形，如圖4所示。

圖4 一體式B柱加強板變形

一體式B柱加強板Y向侵入量見表1。

表1 一體式B柱加強板Y向侵入量

可以發(fā)現(xiàn)，2.2 mm熱成型一體式B柱加強板不能滿足需求，必須將中間的折彎位置改善到下方，對B柱下端進行弱化，將一體式B柱加強板變更為上下強度不一致的分體式設計。

2.2 分體式B柱加強板

分體式B柱加強板就是B柱采用上下兩塊加強板，為了弱化B柱下端，一般B柱下端的加強板材料和結構要比B柱上端的弱，這樣才可以保證側面碰撞時B柱下端有折彎的趨勢，如圖5所示。

圖5 分體式B柱加強板

以某車型為例，采用2.2 mm B柱上加強板和2.0 mm B340590DP B柱下加強板，經(jīng)過側面碰撞后B柱加強板變形，如圖6所示。

圖6 分體式B柱加強板變形

分體式B柱加強板Y向侵入量見表2。

表2 分體式B柱加強板Y向侵入量

經(jīng)過結果調整后，B柱的折彎位置已經(jīng)被誘導到了B柱下方，但是B柱上下搭接位置碰撞過程中容易出現(xiàn)焊點失效，實車碰撞性能無法跟分析需求保持一致，而且由于B柱下方較弱，會導致B柱整體的Y向侵入量過大，造成乘員損傷嚴重。如果可以將B柱上中下三層的結構強度按分析需求設計出來，就可以解決這個問題。

2.3 VRB式B柱加強板

VRB是中國寶武鋼鐵集團有限公司開發(fā)的與德國Mubea柔性軋制板（tailor-rolled blanks）類似的技術，通過軋鋼機實施柔性軋制，實現(xiàn)間距實時調整變化，借助于特殊設計的軋機的壓下厚度自動控制系統(tǒng)（液壓AGC），控制軋輥的位置，使其間距能實時地調整變化，從而使軋制出的薄板在沿著鋼板軋制方向上具有預先定制的變厚度分布。寶鋼采用VRB技術，變厚度鋼板的厚薄差可達50%，在保證性能的基礎上又可以實現(xiàn)減重的目標，其工藝流程如圖7所示。

圖7 VRB工藝流程

對于側面碰撞來說，最合理的B柱強度需求為中間高、兩邊低。以某車型為例，采用1.4～2.2 VRB式B柱加強板，如圖8所示。

圖8 VRB式B柱加強板

經(jīng)過側面碰撞后B柱加強板變形，如圖9所示。

圖9 VRB式B柱加強板變形

VRB式B柱加強板Y向侵入量見表3。

表3 VRB式B柱加強板Y向侵入量

采用VRB式B柱加強板，側面碰撞的變形已經(jīng)基本可以滿足需求，從節(jié)約成本的角度出發(fā),整個B柱加強板的重量也減輕了40%左右，在安全性能和輕量化方面表現(xiàn)最佳。

3 結論

綜上所述，VRB式B柱加強板相對傳統(tǒng)的分體式和一體式在重量及碰撞性能上均有較大的優(yōu)勢，是未來汽車B柱最好的設計之一。

某車型最終選擇VRB式B柱加強板，成功通過2020-2024 Latin-NCAP 50MDB測試。