基于側碰多工況的汽車B柱結構設計

崔克天，周丹鳳

基于側碰多工況的汽車B柱結構設計

崔克天，周丹鳳*

（宜賓凱翼汽車有限公司，四川 宜賓 644000）

文章旨在對汽車B柱結構多維度優化設計，應對實際道路中側面碰撞工況復雜、發生概率高和風險大的問題。通過解讀國內現行被動安全側面碰撞相關法規標準，歸納各工況要求及特點，總結各側面碰撞B柱設計要點，提出B柱變形模式設計思路。結合某運動型多用途汽車（SUV）車型實際開發案例，綜合考慮所有側面工況要求設計B柱兼容性，提出經濟有效的設計方案并分析驗證全面有效。該設計方案可為后續車型B柱結構設計開發提供參考。

側面碰撞；變形模式；汽車B柱；SUV；結構設計

從整車來看，汽車側面結構的設計對乘員保護更為關鍵。因為汽車側面碰撞對乘員來說更直接，且無緩沖區域，外界沖擊直接作用于車身側面結構傳遞至乘員。根據國外相關機構調查統計，汽車側面碰撞事故大約占汽車碰撞事故總數的22.9%，導致的死亡人數約占汽車碰撞事故死亡人數的27.9%[1]，可見來自側面的危險對車內乘員威脅更大。汽車側面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 柱是車內乘員免受外界傷害的有利屏障[2]。因此，B柱的設計需滿足一定的強度要求，起到有效抵抗外力侵入的作用。同時，又要考慮整車輕量化設計，故B柱設計需從多維度考慮。本文歸納B柱相關工況特點，總結各工況對B柱的要求，參考“S”型設計理念，綜合考慮B柱結構優化設計，最終得到滿足多目標要求的汽車輕量化B柱結構。

據調查數據顯示，近年交通事故、死亡人數及直接經濟損失無明顯浮動，交通傷亡情況并沒有隨著汽車行業技術的發展而降低，反而還略有提升[3]。雖然數據居高不下與汽車銷量逐年增加，數據統計基數增大有直接關系，但從客觀數據來看安全問題仍然不容小覷。安全是汽車領域最重要、最關鍵的問題，同時也是老百姓最為關注的問題。最新中國汽車消費人群研究報告顯示，汽車安全性能穩居消費者重點關注top10問題之首[4]。

汽車安全技術在新發展形勢下呈現兩個重點趨勢：1）技術更新，縱深發展。工況更嚴格、更貼近實際交通事故；2）廣泛融合，橫向拓展。提出多場景融合安全新視角。但從本質來講都是對人的保護，現在各傳統被動安全工況要求越來越嚴格。針對車身結構要求更高，尤其是車身骨架要求更強。對于側面碰撞工況來說，汽車B柱設計的挑戰越來越大，要兼顧輕量化要求就必須合理匹配不同部位的剛強度。

1 B柱結構及相關工況對比

作為車身骨架的重要組成部分，B柱是支撐車身頂蓋及側面結構的主要承力構件，是上車體的“頂梁柱”，布置于汽車前車門和后車門之間。該部位還安裝有安全帶高度調節器、安全帶卷收器、后車門鉸鏈、前車門鎖扣等關鍵部件，因而該部件需要滿足整體剛度和強度要求，及局部剛度和強度要求，并且對于裝置安裝空間布設要求也很高。

從整體剛強度考慮，與汽車B柱強相關的安全工況主要為國家強制法規及行業評價標準兩個維度。中華人民共和國國家標準（GB）、中國新車評價規程（China-New Car Assessment Program, C-NCAP）[5]和中國保險汽車安全指數（China Insurance Automotive Safety Index, C-IASI）規程[6]是國內三大主流標準，GB為強制標準，C-NCAP和C-IASI為影響力較大的行業標準。以上現行標準與汽車B柱相關的工況有《汽車側面碰撞的乘員保護》（GB 20071－2006）[7]、《乘用車頂部抗壓強度》（GB 26134－2010 ）[8]、C-NCAP 2021版側碰、C-NCAP 2021版柱碰、C-IASI 2020版側碰和C-IASI 2020版車頂抗壓。其中，GB 20071－2006、C-NCAP 2021版側碰、C-IASI 2020版側碰主要考察B柱中下部結構設計匹配；GB 26134－2010 和C-IASI 2020版車頂抗壓主要考察B柱上部結構設計；C-NCAP 2021版柱碰更側重考察門檻及地板的支撐作用，本文不做詳述，具體工況說明如表1所示。

表1 工況定義說明

工況（1）GB 20071－2006側碰（2）C-NCAP側碰（3）C-IASI側碰（4）C-NCAP POLE（5）GB 26134－2010 &C-IASI車頂抗壓 壁障重量/kg9501 4001 500 試驗速度50 km/h（90°）50 km/h（90°）50 km/h（90°）32 km/h（75°）≤3 mm/s 壁障類型MDBAE-MDBMDB ⅡHS245 mm pole剛性壓板 假人類型ES-250% WS & SID ⅡsSID Ⅱs50% WS 壁障高度/mm300350379 工況圖示

注：MDB全稱Mobile Deformable Barrier，即移動變形壁障；AE-MDB全稱Advanced European Mobile Deformable Barrier，即側面移動可變形壁障。

如表1所示，工況（1）壁障質量較小，碰撞能量相對較低，該工況是必須滿足的強制法規要求，是車身結構設計的最基本要求，符合該法規要求是車輛上市銷售的條件之一；工況（2）壁障質量和壁障高度較工況（1）更大，壁障模擬真實車頭型面，兩側斜角設計，中間區域有凸出的一條尺寸較小相對靠下的蜂窩鋁結構，模擬正常車輛的防撞橫梁結構，更貼近實際車輛側面撞擊場景，碰撞速度和角度均為90°；工況（3）壁障質量最大、高度更高、剛度更大，雖碰撞速度和角度與工況（1）、工況（2）相同，但碰撞位置更靠上，模擬大型運動型多用途汽車（Sport Utility Vehicle, SUV）的撞擊，對B柱的壓力更大；工況（4）碰撞區域為前門靠后位置，碰撞方向與車身成75°夾角，對門檻及地板傳遞路徑及支撐性挑戰更大，B柱在該碰撞中會參與變形，但不作為主角存在，故后面不對該工況做深度剖析；工況（5）與美標的翻滾工況考察類似，考察翻車時車內乘員生存空間的保持情況，車頂抗壓工況主要考察車輛上車體框架的抗壓性能，B柱起到了關鍵的向支撐作用，是車頂抗壓的核心部件。

2 整車B柱設計及案例解析

國內外專家和學者針對B柱結構工藝及優化方法等做了大量研究，變截面優化設計匹配不同位置的剛度設計[9]；側圍前門框一體化成型設計，在保證側圍剛度的同時減少零部件數量[10]；復合材料碳釬維材料B柱應用的案例研究，提升側圍強度及輕量化設計[11]；XU等[12]結合激光拼焊技術和近似模型理論對車門內板和Ｂ柱外板進行多標優化設計，改善整車側碰安全性能。但若能綜合B柱所有相關工況全面考慮，進行B柱優化設計，則能設計出更合理的結構，對乘員側面的保護考慮更為全面。

表2 壁障與某車型B柱的相對高度

工況（1）GB 20071－2006側碰（2）C-NCAP側碰（3）C-IASI側碰（4）C-NCAP POLE（5）GB 26134－2010 壁障高度/mm300350379 壁障與某車型B柱的相對高度

由表2可以看出，不同法規標準壁障與某車型B柱的相對高度有所差異，B柱設計的關注區域有所差異，工況（1）－工況（3）壁障均接觸B柱中下部，但高度依次升高，壁障質量依次加重，碰撞能量依次加大；工況（4）幾乎不與B柱重合；工況（5）對B柱中上部設計中的抗彎性能有所考慮。

2.1 B柱變形模式

對于側碰而言，通常考察B柱的侵入量和侵入速度，反應碰撞過程中車體變形對生存空間和乘員沖擊的影響。在B柱選取關鍵點作為侵入量和侵入速度的監測點并編號，測點對應位置及說明如圖1和表3所示。

對于側碰而言，不同車型B柱的侵入量不盡相同，但變形模式大體可歸類為四種，如圖2所示。不同的變形模式對應不同的B柱結構設計思路。在實際車型開發中圖2(a)、圖2(b)、圖2(d)均可接受，根據側碰目標的差異控制具體侵入情況。但圖2(b)是不允許出現的變形模式，如碰撞過程中出現B柱中部折彎對控制B柱侵入量極為不利，對乘員損傷威脅較大。

圖1 B柱測點位置示意圖

表3 測點位置說明

編號考察項 B1左B柱內板-車頂處 B2左B柱內板-WS假人上肋骨處 B3左B柱內板-WS假人中肋骨處 B4左B柱內板-WS假人下肋骨處 B5左B柱內板-WS假人腹部處 B6左B柱內板-WS假人盆骨處 B7左B柱內板-門檻處

圖2 B柱變形模式示意圖

2.2 某車型不同工況下B柱的表現

選用某款大型SUV車型作為驗證對象，針對側面結構進行GB和C-NCAP優化，B柱本體結構采用熱成型材料抵抗外界沖擊，滿足GB 20071－2006和C-NCAP 2021版側碰結構要求，具體結果如圖3所示，侵入速度及侵入量均滿足目標要求，且有一定余量。

以該結構進行C-IASI工況驗算分析結果則存在較大風險，在仿真分析中靠近腰線高度位置出現B柱內側中部失效斷裂現象，從而導致結果較差，如圖4所示。首先，B柱因失效抵抗外力能力下降，侵入量較大；其次，B柱出現失效斷裂會被認為有威脅乘員損傷的較大風險，對試驗結果評判極為不利。由于C-IASI壁障高度較高，剛度較大，壁障上部撞擊位置為B柱中部造型弧度較大位置。如表2的C-IASI側碰工況所示，該位置被撞擊出現變形后承載力將會迅速下降，所以針對GB和C-NCAP側碰的優化設計不能兼顧C-IASI的要求。

如圖5所示，該方案同步驗證了車頂抗壓表現，結果滿足GB大于等于1.5倍車重的要求，但未達到C-IASI車頂抗壓大于等于4.5倍車重的要求。

2.3 原因分析及重新設計

C-IASI基礎模型的結果就是如圖2(b)所示的變形模式，對生存空間及車內乘員的沖擊極為不利。對于C-IASI側碰來說要做到圖2(a)和圖2(d)的變形模式比較困難，要求B柱整體強度較高，抵抗B柱整體侵入在目標范圍內。提升結構強度可以通過材料或厚度，但這必然會帶來整車成本和重量的增加。故解決C-IASI側碰工況B柱侵入問題更為經濟的設計方案應為圖2(c)“S”型變形模式。合理匹配整體B柱的強弱分布，參考乘員軀干相對位置進行結構優化設計，B柱根部B7點適當弱化，誘導產生變形卸載沖擊力，在弱化的同時需要關注變形部件的應變情況，避免出現材料失效斷裂問題。同時，對中部彎曲弧度位置加強，避免向折彎，加強方案適當向上延伸，提升上部支撐能力可兼顧車頂抗壓要求。參考以上設計思路，結合基礎車型結構形式對B柱進行適應性調整，方案變化如圖6所示。

圖6 B柱優化方案展示

優化后同時滿足上述所有工況的目標要求，如圖7－圖9所示。后續車型可參考該優化案例進行設計開發。

圖7 優化后C-NCAP側碰結果

圖8 優化后C-IASI側碰結果

3 總結與展望

本文歸納汽車側面B柱涉及工況及目標要求，總結了B柱結構設計思路和方法。以某SUV車身B柱為驗證對象，綜合考慮側面碰撞和車頂抗壓工況，對結構開展優化設計，優化變形模式及侵入量和侵入速度指標，最終獲得滿足所有B柱相關側面工況要求的B柱結構車身骨架，提高整車側面結構耐撞擊安全性能．仿真優化方案凍結后開展整車試驗也得到了滿意的結果。進一步證實了B柱結構設計的合理性和有效性，為后期整車側面結構設計提供經濟全面的設計方案。

[1] 程川泰,王軍年,褚宏森,等.改善乘員側向被動安全的自傾斜式汽車座椅設計與響應試驗[J].機械設計, 2020,37(7):1-7.

[2] 王登封,蔡珂芳,張帥,等.基于激光拼焊技術的汽車Ｂ柱結構優化設計[J].北京理工大學學報,2018,38 (7):692-708.

[3] 楊帥,張金換,錢占偉,等.汽車安全多領域融合的研究與展望[J].汽車安全與節能學報,2022,13(1):29-47.

[4] 周丹鳳,石向南.基于LS-DYNA的THOR 50%假人胸部傷害研究[J].汽車實用技術,2023,48(15):121-126.

[5] 中國汽車技術研究中心有限公司.C-NCAP管理規則(2021版)[M].天津:中國汽車技術研究中心有限公司,2021.

[6] 中國汽車工程研究院有限公司.中國汽車保險指數(2020版)[M].重慶:中國汽車工程研究院有限公司, 2020.

[7] 中華人民共和國工業和信息化部.汽車側面碰撞的乘員保護:GB 20071－2006[S].北京:中國標準出版社,2006.

[8] 中華人民共和國工業和信息化部.乘用車頂部抗壓強度:GB 26134－2010[S].北京:中國標準出版社, 2010.

[9] 謝暉,周詩琪,王品健,等.基于側碰工況的某電動汽車B柱多目標變截面優化設計[J].塑性工程學報,2020, 27(11):18-25.

[10] 錢得柱,聶晶,戴建新,等.超高強度一體式側圍加強板熱成形工藝與側碰安全性分析[J].機械設計,2022,39 (2):173-179.

[11] 楊中磊,寧慧銘,胡寧,等.CFRP-TRB超混雜復合汽車B柱結構的優化設計[J].重慶大學學報,2020,43(8): 23-31.

[12] XU F X,SUN G Y,LI G Y, et al.Crashworthiness Design of Multi-component Tailor-welded Blank(TWB) Stru- ctures[J].Structural and Multidisciplinary Optimization, 2013,48(3):653-667.

Structure Design of Automobile B-pillar Based on Multi-work Condition in Side Impact

CUI Ketian, ZHOU Danfeng*

( Yibin Cowin Automobile Company Limited, Yibin 644000, China )

The study of multidimensional optimization B-pillar aims to deal with the problems of complex, high probability and high risk side impact in actual road. Based on the interpretation of relevant regulations and standards of passive safety about side impact in China, the requirements and characteristics of working conditions are summarized, to conclude the characteristic of B-pillar design in side impact, and come up with the design idea of B-pillar deformation mode. Combined with the actual development case of an sport utility vehicle (SUV) mode, the B-pillar compatibility is designed considering all the requirements of side working conditions, proposed an economical and effective design plans with validated. The design idea can provide reference for the design of B-pillar structure to other vehicles.

Side impact; Deformation mode; Automobile B-pillar; SUV; Structure design

U467.14

A

1671-7988(2023)20-65-06

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.020.013

崔克天（1978－），博士研究生，工程師，研究方向為發動機研發，E-mail:cuiketian@newcowin.com。

周丹鳳（1984－），高級工程師，研究方向為碰撞安全，E-mail:zhoudanfeng@newcowin.com。