陳詩雨,李紅,湯湧
(華晨汽車工程研究院,遼寧 沈陽 110005)
關(guān)鍵字:熱成形;B柱;汽車輕量化
汽車輕量化技術(shù)作為降低油耗、減少排放的重要途徑之一,已成為汽車技術(shù)研究的重點(diǎn)[1,2]。汽車車身設(shè)計(jì)在實(shí)現(xiàn)輕量化的同時(shí),必須保證安全性能。熱成形零件因其具有較高的強(qiáng)度,在保證安全性能的同時(shí),可以達(dá)到減重的效果,目前已有廣泛的應(yīng)用[2-4]。本研究在原有的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上,通過熱成形B柱代替原設(shè)計(jì)方案的冷成形B柱,同時(shí)優(yōu)化加強(qiáng)板,探究安全性能和輕量化效果。
熱成形技術(shù)是將鋼板置于加熱爐中加熱一定時(shí)間,使其奧氏體化,而后轉(zhuǎn)移到帶有冷卻系統(tǒng)的模具中沖壓成形、模內(nèi)淬火,最終得到組織為馬氏體,抗拉強(qiáng)度可達(dá) 1500MPa的超高強(qiáng)度零件[5,6]。
通過對近年來歐洲車身年會各車型用材情況的調(diào)研,車身上應(yīng)用熱成形的零件主要有A柱、B柱、頂蓋側(cè)邊梁、車門防撞梁、中通道加強(qiáng)件等零件。
在乘用車發(fā)生側(cè)面碰撞過程中,車身B柱是重要的承載部件。B柱的變形模式和能量吸收對其侵入量和侵入速度有重要影響,并最終對乘員的安全性有重要影響[7,8]。
2.1.1 冷成形B柱方案的結(jié)構(gòu)與材料情況
圖1 冷成形方案B柱及加強(qiáng)板
根據(jù)車型結(jié)構(gòu)要求,設(shè)計(jì)了B柱和B柱加強(qiáng)板,其結(jié)構(gòu)及材料等情況如圖1所示。所應(yīng)用材料的力學(xué)性能如表1所示。B柱和加強(qiáng)板均通過冷沖壓方式成形。
表1 材料力學(xué)性能
2.1.2 基于冷成形B柱方案的50公里/小時(shí)側(cè)面移動(dòng)壁障碰撞仿真分析
通過 CAE進(jìn)行側(cè)面移動(dòng)壁障碰撞仿真分析,根據(jù)E-NCAP要求,初始速度為50公里/小時(shí),采用1300kg壁障,移動(dòng)壁障X向中心在前排R點(diǎn)后250mm處。對應(yīng)分析位置的示意圖如圖2所示,B柱處最大相對侵入量及最大侵入速度情況如表2-表3所示,分析結(jié)果超出目標(biāo)值。
圖2 50公里/小時(shí)側(cè)碰對應(yīng)分析點(diǎn)的示意圖
表2 50公里/小時(shí)側(cè)碰冷成形方案B柱處最大相對侵入量
表3 50公里/小時(shí)側(cè)碰冷成形方案B柱處最大侵入速度
2.1.3 基于冷成形B柱方案的32公里/小時(shí)75°側(cè)面剛性柱碰撞分析
通過 CAE進(jìn)行側(cè)面剛性柱碰仿真分析,根據(jù) E-NCAP要求,以32公里/小時(shí)為初始速度,速度方向與車輛中心線成75°的角度撞擊柱壁障。障礙柱的中心位置與頭部中心點(diǎn)位置X方向重合,障礙柱的高度要超過車身的最高點(diǎn),直徑為254mm,材料屬性設(shè)置為剛體,自由度全約束。對應(yīng)分析位置的示意圖如圖3所示,B柱處最大相對侵入量及最大侵入速度分析結(jié)果如表4-表5所示,分析結(jié)果超出目標(biāo)值。
圖3 32公里/小時(shí)側(cè)面柱碰對應(yīng)分析點(diǎn)的示意圖
表4 32公里/小時(shí)柱碰冷成形方案B柱處最大相對侵入量
表5 32公里/小時(shí)柱碰冷成形方案B柱處最大侵入速度
2.2.1 熱成形B柱方案的結(jié)構(gòu)與材料情況
針對分析結(jié)果超出目標(biāo)值的問題,提出修改方案,現(xiàn)將B柱材料由HC340LA更改為HC950/1300HS,通過熱沖壓成形,并對加強(qiáng)板的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,不改變加強(qiáng)板材料,優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)及材料情況如圖4所示。HC950/1300HS鋼板經(jīng)熱成形后的力學(xué)性能如表6所示,其強(qiáng)度高于原冷成形方案B柱材料HC340LA。
圖4 熱成形B柱方案
表6 HC950/1300HS經(jīng)熱成形后的力學(xué)性能
2.2.2 基于熱成形B柱方案的50公里/小時(shí)側(cè)面移動(dòng)壁障碰撞仿真分析
對熱成形B柱方案進(jìn)行50公里/小時(shí)側(cè)面移動(dòng)壁障碰撞仿真分析。將冷成形B柱方案與熱成形B柱方案的B柱處的最大相對侵入量及最大侵入速度結(jié)果進(jìn)行對比,如表7-8所示。通過對比發(fā)現(xiàn),在50公里/小時(shí)側(cè)面移動(dòng)壁障碰撞仿真分析中,熱成形方案B柱處的最大相對侵入量減少、最大侵入速度降低,大幅減少了側(cè)碰時(shí)乘員受到傷害的可能性。
表7 50公里/小時(shí)側(cè)碰B柱處最大相對侵入量對比
表8 50公里/小時(shí)側(cè)碰B柱處最大侵入速度對比
2.2.3 基于熱成形B柱方案的32公里/小時(shí)75°側(cè)面剛性柱碰撞仿真分析
對熱成形B柱方案進(jìn)行32公里/小時(shí)75°側(cè)面剛性柱碰撞仿真分析,將冷成形B柱方案與熱成形B柱方案的B柱處的最大相對侵入量及最大侵入速度結(jié)果進(jìn)行對比,如表9-10所示。通過對比發(fā)現(xiàn),32公里/小時(shí)75°側(cè)面剛性柱碰撞仿真分析中,采用熱成形技術(shù)后,B柱處最大相對侵入量減少、最大侵入速度降低,降低側(cè)面剛性柱碰時(shí)對乘員傷害的可能性。
2.3 熱成形B柱方案減重情況
表9 32公里/小時(shí)柱碰B柱處最大相對侵入量對比
表10 32公里/小時(shí)柱碰B柱處最大侵入速度對比
冷成形方案中B柱與B柱加強(qiáng)板的總重量為9.231kg,采用熱成形后 B柱與加強(qiáng)板的總重量為 6.045kg,減重3.186kg,減重比例達(dá) 34.51%??紤]到左右對稱,熱成形 B柱方案較原方案單臺減重6.372kg,同時(shí)焊接工序也比原方案簡單,減少生產(chǎn)時(shí)間。
(1)本研究應(yīng)用熱成形B柱代替原方案的冷成形B柱,并優(yōu)化B柱加強(qiáng)板,在50公里/小時(shí)側(cè)面移動(dòng)壁障碰撞和32公里/小時(shí)75°側(cè)面剛性柱碰撞仿真分析中,B柱侵入量減少、侵入速度降低。
(2)熱成形 B柱與加強(qiáng)板的總重量較原冷成形方案減重3.186kg,減重比例達(dá)34.51%。
本研究表明熱成形技術(shù)的應(yīng)用在提高碰撞安全性能及實(shí)現(xiàn)車身輕量化方面有著較大的作用。