賈麗剛，勞兵，呂俊成，林智桂，羅覃月

(上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545007)

熱成型技術(shù)在提高汽車偏置碰性能中的應(yīng)用

賈麗剛，勞兵，呂俊成，林智桂，羅覃月

(上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545007)

為了提高某車型的偏置碰性能，采用LS-DYNA分析軟件，對(duì)該車型偏置碰性能進(jìn)行仿真優(yōu)化。 在保證周邊車身零件的搭接關(guān)系不變的前提下，在前縱梁Kickdown區(qū)域使用熱成型板。結(jié)果顯示：前隔板侵入量減小，保證了車內(nèi)乘員在偏置碰中的生存空間，提高了車身偏置碰安全性能。

熱成型；偏置碰；仿真分析；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

0 引言

隨著中國(guó)成為全球最大的汽車生產(chǎn)和消費(fèi)市場(chǎng)，道路交通安全形勢(shì)日趨嚴(yán)峻，從實(shí)際事故形態(tài)看：2008—2012年，中國(guó)正面碰撞、側(cè)面碰撞和追尾碰撞事故多發(fā)，致死人數(shù)所占比例分別為28.7%、20.9%和13.1%，正面碰撞的事故致死率最高[1]。從C-NCAP 2014年匯總數(shù)據(jù)看：100%正碰得分率84.6%、40%偏置得分率82.1%、側(cè)碰得分率97.7%、鞭打96.9%，正面偏置碰撞的得分率為C-NCAP 4種碰撞形態(tài)中得分率最低的，因此提高汽車偏置碰性能對(duì)減少交通事故中人員的傷害具有重要意義[2]。

偏置碰主要考察車身的安全結(jié)構(gòu)，其中一個(gè)重要的指標(biāo)為前隔板的侵入，嚴(yán)重的侵入會(huì)造成乘員的致命傷害。文中研究的某車型由于總布置原因，前縱梁Kickdown區(qū)域截面偏小，造成偏置碰中前隔板侵入過(guò)大，不滿足安全目標(biāo)的要求。作者利用碰撞分析軟件LS-DYNA,對(duì)某車型偏置碰性能進(jìn)行仿真，在保證周邊零件不更改的前提下，通過(guò)在前縱梁Kickdown區(qū)域使用熱成型板，使前隔板侵入達(dá)到偏置碰設(shè)計(jì)目標(biāo)。

1 鋼板熱成型技術(shù)介紹

1.1 鋼板熱成型技術(shù)

鋼板熱成型新技術(shù)是一種將特殊的高強(qiáng)度鋼板加熱到奧氏體溫度范圍, 快速移動(dòng)到模具, 快速?zèng)_壓, 在壓機(jī)保壓狀態(tài)下通過(guò)模具(而不是空氣) 對(duì)零件進(jìn)行淬火冷卻(并要保證一定的冷卻速度) ,最后獲得超高強(qiáng)度沖壓件(組織為馬氏體,強(qiáng)度在1 500 MPa左右甚至更高) 的新型成型工藝[3]，如圖 1所示。

1.2 熱成型技術(shù)在汽車應(yīng)用上的優(yōu)勢(shì)

熱成型技術(shù)在汽車應(yīng)用上的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾方面：

(1)輕量化方面。由于熱成型板強(qiáng)度很高，可以有效減少相應(yīng)區(qū)域加強(qiáng)板數(shù)量，實(shí)現(xiàn)更大程度的車身輕量化。

(2)結(jié)構(gòu)方面?？梢缘玫匠邚?qiáng)度的車身零件，提高車身局部區(qū)域的耐撞性能。

(3)沖壓成型性方面。熱成型件的強(qiáng)度在1 500 MPa 左右?guī)缀鯖](méi)有回彈，零件成形性相對(duì)較好，尺寸精度高。

2 偏置碰性能仿真分析

2.1 模型描述

(1)該車型正面40%偏置碰撞分析模型，總質(zhì)量1 180 kg,其中整備質(zhì)量950 kg，假人配重230 kg，計(jì)算求解器軟件為L(zhǎng)S-DYNA，鈑金件網(wǎng)格單元類型為Shell，單元尺寸10 mm，按實(shí)車情況賦材料，其中車身鈑金件材料類型為MAT24。有限元模型如圖 2所示。

(2)該模型按照C-NCAP要求，整車碰撞速度為64 km/h,碰撞計(jì)算時(shí)間100 ms,設(shè)置壁障離地面高度為200 mm，壁障右表面相對(duì)汽車中心面偏置10%整車寬度。

2.2 仿真結(jié)果可靠性分析

該偏置碰仿真模型碰撞過(guò)程中沙漏能、內(nèi)能、動(dòng)能、總能量變化曲線如圖3所示。可以看出：總能量186.7 kJ，整個(gè)碰撞過(guò)程比較平穩(wěn)，模型的沙漏能占的比例小于5%。該模型質(zhì)量增加百分比小于1.3%。一般情況下，模型的沙漏能控制在5%以內(nèi)，質(zhì)量增加控制在3%以內(nèi)，模型的計(jì)算精度滿足要求。

2.3 仿真結(jié)果

在偏置碰結(jié)構(gòu)分析中，主要從車身的加速度和駕駛艙侵入量?jī)煞矫孢M(jìn)行考核。

(1)偏置碰原狀態(tài)分析結(jié)果匯總見(jiàn)如表 1，前隔板區(qū)域侵入量過(guò)大，不滿足設(shè)計(jì)要求。

表1 原狀態(tài)偏置碰結(jié)果匯總

(2)車身加速度曲線如圖4所示，車身加速度峰值左側(cè)40.5g、右側(cè)35.8g，在目標(biāo)范圍內(nèi)，加速度曲線滿足要求。

(3)原狀態(tài)車身變形如圖5—6所示。

2.4 問(wèn)題分析

從仿真分析結(jié)果看，整車的回彈時(shí)刻為90.8 ms，車身加速度峰值左側(cè)40.5g、右側(cè)35.8g，都在目標(biāo)范圍內(nèi)，加速度曲線趨勢(shì)滿足要求，說(shuō)明整車的剛度基本可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。但前圍板侵入量、腳踏板安裝點(diǎn)侵入量、擱腳板侵入量、左側(cè)門框變形都超出了設(shè)計(jì)目標(biāo)，實(shí)際中會(huì)因?yàn)榍芭撉秩脒^(guò)大，造成嚴(yán)重的乘員傷害，需進(jìn)一步優(yōu)化。

從仿真結(jié)果和設(shè)計(jì)上看，出現(xiàn)以上問(wèn)題的原因主要有以下幾方面：

(1)輪罩加強(qiáng)版由于受制動(dòng)踏板的限制，截面很小，如圖 7所示，無(wú)法很好地傳遞大梁根部傳遞過(guò)來(lái)的載荷，碰撞中受力過(guò)大折彎。

(2)前縱梁Kickdown區(qū)域截面過(guò)小，如圖 8所示，截面D-D在高度方向尺寸僅有42 mm,遠(yuǎn)低于對(duì)標(biāo)車型，導(dǎo)致Kickdown區(qū)域的抗彎能力不足，在碰撞中折彎過(guò)大,直接造成前隔板侵入過(guò)大，如圖 9所示。

3 改進(jìn)方案及試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 改進(jìn)方案

針對(duì)目前出現(xiàn)的問(wèn)題，解決的方向主要從增加截面和提升材料牌號(hào)兩方面進(jìn)行。但由于該車型是在項(xiàng)目的后期提出提升安全水平的，如果更改相關(guān)區(qū)域的截面尺寸，涉及周邊零件搭接關(guān)系的更改和總布置的調(diào)整，無(wú)法滿足項(xiàng)目時(shí)間節(jié)點(diǎn)，所以只能從提升材料的牌號(hào)方向出發(fā)。綜合考慮不改變周邊零件搭接關(guān)系和材料提升后的成型性問(wèn)題，提出將Kickdown區(qū)域的加強(qiáng)板由材料B280VK、厚度1.6 mm改為熱成型板B1500HS、厚度1.6 mm，如圖 10所示。該方案可以同時(shí)保證不影響周邊零件的搭接和零件成型性的要求，并且熱成型板超高的強(qiáng)度可以取消該區(qū)域(如圖 10所示)中a、b兩個(gè)副車架安裝點(diǎn)加強(qiáng)板的使用，同時(shí)達(dá)到減重的目的。

3.2 改進(jìn)分析結(jié)果

改進(jìn)后的結(jié)果對(duì)比如表 2所示，可以看出：前隔板區(qū)域的侵入得到很大改善，基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求，前縱梁Kickdown區(qū)域的折彎角由28°下降到23°，如圖 11所示。

表2 優(yōu)化方案結(jié)果對(duì)比

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)優(yōu)化方案對(duì)實(shí)車進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)后前縱梁Kickdown區(qū)域變形很小，見(jiàn)圖 12。試驗(yàn)后前隔板侵入也滿足要求，見(jiàn)圖 13— 14，整車偏置碰安全水平基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

前縱梁Kickdown區(qū)域的剛度直接影響偏置碰中前隔板的侵入，文中在對(duì)熱成型板技術(shù)在汽車上應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合仿真分析，提出了在Kickdown區(qū)域使用熱成型板的優(yōu)化方案，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證滿足設(shè)計(jì)要求。文中通過(guò)系統(tǒng)研究得出以下結(jié)論：

(1)前縱梁Kickdown區(qū)域的剛度直接影響偏置碰中前隔板的侵入，提升該區(qū)域的剛度則偏置碰性能提高明顯。此車型通過(guò)在Kickdown區(qū)域使用熱成型板，前縱梁Kickdown區(qū)域的折彎角由28°下降到23°，前隔板侵入減小20%。

(2)由于熱成型板的強(qiáng)度很高，可以節(jié)省部分安裝支架，達(dá)到減重節(jié)能的目標(biāo)，該車型Kickdown區(qū)域使用熱成型板后減重1.1 kg。

(3)在安全性能提升的車型開(kāi)發(fā)中，可以僅通過(guò)局部更換熱成型板達(dá)到性能要求，可以最大限度減少對(duì)工藝、工裝的影響。

【1】中國(guó)汽車技術(shù)研究中心.中國(guó)汽車安全發(fā)展報(bào)告(2014)[R].社會(huì)科學(xué)文獻(xiàn)出版社,2014.

【2】中國(guó)汽車技術(shù)研究中心.C-NCAP年鑒(2015)[M].杭州：世界汽車雜志社,2015.

【3】徐偉力,艾健,羅愛(ài)輝.鋼板熱沖壓新技術(shù)介紹[J].塑料工程學(xué)報(bào),2009(4):39-43.

【4】馬寧，胡平，郭威．高強(qiáng)度鋼板熱成型成套技術(shù)及裝備[J]．汽車與配件，2009(45)：28-30．

【5】胡平，于宏元，盈亮,等．基于側(cè)面碰撞的熱成型高強(qiáng)度零件開(kāi)發(fā)[J]．汽車技術(shù)，2013(1):57-61.

【6】席艷秋，胡建新，豆忠穎,等．淺談B柱熱成型在車輛節(jié)能方面的設(shè)計(jì)應(yīng)用[J]．汽車零部件，2012(11)：106-108.

【7】鄧本波，魯后國(guó)，唐程光．汽車熱壓成型板研究與應(yīng)用[J]．汽車技術(shù)，2012(12):62-64.

Application of Hot Forming Technology in the Improving Offset Crash Performance of Vehicle

JIA Ligang, LAO Bing, LV Juncheng, LIN Zhigui,LUO Qinyue
(SAIC GM Wuling Automobile Co., Ltd., Liuzhou Guangxi 545007，China)

In order to improve the performance of a vehicle front offset crash, numerical simulation optimization of the performance of a vehicle offset crash was done using LS-DYNA software. Under the premise of body component connected relation unchanged around Kickdown region, the hot forming steels were used in the Kickdown region of front rail. The result shows that firewall intrusion is reduced and the occupant living space is kept in the front offset crash, improving the safety performance of vehicle in front offset crash.

Hot forming; Offset crash; Simulation analysis; Structure optimization

2016-03-22

賈麗剛(1982—)，碩士研究生，工程師，主要研究方向?yàn)槠嚤粍?dòng)安全性能集成開(kāi)發(fā)、汽車碰撞安全仿真與試驗(yàn)。E-mail：jialigang1128@126.com。

U467.+7

A

1674-1986(2016)06-009-05