歐陽(yáng)偉剛

熱成型件在鋁車身B柱總成的應(yīng)用

歐陽(yáng)偉剛

（奇瑞新能源汽車股份有限公司，安徽 蕪湖 241000）

一款新能源鋁車身開發(fā)過程中，熱成型B柱總成結(jié)構(gòu)應(yīng)用替代鋁材B柱結(jié)構(gòu)，通過對(duì)整車側(cè)碰CAE過程分析，通過對(duì)逐步滿足側(cè)碰分析目標(biāo)。熱成型材料因其可以利用單件熱成形零件取代多層焊接結(jié)構(gòu)，在汽車車身制造中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。熱成型零件的斷面結(jié)構(gòu)，是其能否達(dá)到高強(qiáng)度與輕量化兩方面要求的關(guān)鍵。采用熱沖壓成型技術(shù)制得的沖壓件屈服強(qiáng)度可高達(dá)1200MPa，且高溫成型幾乎沒有回彈，具有成型精度高、成型性好等突出優(yōu)點(diǎn)，因此引起業(yè)界的普遍關(guān)注并迅速成為汽車制造領(lǐng)域內(nèi)的熱門技術(shù)，廣泛用于車門防撞梁、前后保險(xiǎn)杠等安全件以及A柱、B柱、C柱、中通道等車體結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)。

熱成型工藝；側(cè)碰；剛度；B柱

引言

基于環(huán)保和節(jié)能的考慮，整車輕量化已經(jīng)成為汽車行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)和潮流。輕量化是指在保證汽車安全性能要求的前提下，盡可能地降低汽車的重量，比如整車重量降低10%，燃油效率可提高6%-8%；從而達(dá)到提高汽車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性，減少燃料消耗，降低排氣污染。考慮該新能源車要滿足18版CNCAP 5星要求，B柱總成使用鋁板和型材結(jié)構(gòu)，難以滿足側(cè)碰要求，選擇使用熱成型件總成，來(lái)滿足相關(guān)目標(biāo)要求。目前傳統(tǒng)車身安全件普遍采用1000~1500 MPa級(jí)的超高強(qiáng)零件，但是高強(qiáng)度鋼板強(qiáng)度越高，成形性越差，尤其是當(dāng)鋼板強(qiáng)度達(dá)到1200MPa時(shí)，常規(guī)的冷沖壓成形工藝幾乎無(wú)法成形。熱成型技術(shù)的采用可以很好地解決超高強(qiáng)零件的成型問題。

使用熱成型B柱結(jié)構(gòu)，要解決和鋁骨架車身的連接，同時(shí)通過CAE碰撞分析，來(lái)完善和解決熱成型B柱的目標(biāo)達(dá)成問題。

1 熱成型技術(shù)發(fā)展歷程

19世紀(jì)中期，瑞典SSAB公司研發(fā)出了第一代熱軋與冷軋含硼鋼；20世紀(jì)70年代，熱成型工藝首先在瑞典得到開發(fā)并取得專利。

瑞典SSAB 汽車公司在1984 年成為第一家采用硬化硼鋼板的汽車制造商，生產(chǎn)出第一件熱成型汽車零件——客車門內(nèi)防撞梁。隨后，這一技術(shù)相繼應(yīng)用于保險(xiǎn)杠橫梁、A柱和B柱加強(qiáng)件以及底盤組件等，但是由于加工緩慢，且價(jià)格高，應(yīng)用熱成型技術(shù)生產(chǎn)的零件種類非常有限，只被原始設(shè)備制造商所接受。

80年代中期之后，熱成型技術(shù)進(jìn)入高速發(fā)展階段，當(dāng)時(shí)有3 家公司可提供零件；1991 年，熱成型保險(xiǎn)杠橫梁用于福特汽車；全球生產(chǎn)的熱成型零件數(shù)量從1987年的3百萬(wàn)件增加到1997年的8百萬(wàn)件。從2000年起，更多熱成型零件被用在汽車上，而且年產(chǎn)件量在2007 年上升到約1.07 億件。2013年，約80%的白車身骨架類零件均可由熱沖壓技術(shù)加工，產(chǎn)量超過3億件。

目前，全世界熱成型生產(chǎn)線已超過200 條，Benteler 擁有其中近40%，是世界上最主要的熱成型零件供應(yīng)商，GESTAMP 是世界上首個(gè)提供熱成型件的廠家，其客戶主要集中在歐洲車系，COSMA也是主要的熱成型供應(yīng)商之一。國(guó)內(nèi)熱成型零部件企業(yè)近年發(fā)展突飛猛進(jìn)，建成（含在建）的生產(chǎn)線有50多條，其中比較著名的是上海寶鋼、上海賽科利、屹豐集團(tuán)、凌云吉恩斯等。

2 熱成型技術(shù)概述

目前，熱成型分為直接熱沖壓和間接熱沖壓。在直接熱沖壓中，半成品先被加熱，再轉(zhuǎn)移到閉式模具內(nèi)成型和淬火；間接熱沖壓主要使用預(yù)成型冷模，對(duì)形狀較為復(fù)雜或拉延較深的零件先進(jìn)行一次冷沖預(yù)成型，之后與直接熱沖壓工藝基本相同，如中通道等零件。熱成形鋼板經(jīng)過900°C以上高溫加熱一體成形，通過模具內(nèi)部冷卻水道的冷卻，使鋼板屈服強(qiáng)度達(dá)到900-1200Mpa。熱成型零件具有較好的材料性能，加熱后鋼板材料拉延性好，零件翻邊反彈小，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜狀態(tài)下的零件成型。熱成型零件應(yīng)用到車身設(shè)計(jì)中，可以大幅度提高總成系統(tǒng)安全性能，大幅度降低重量。滿足行業(yè)嚴(yán)格的CNCAP碰撞安全性要求。

熱成型鋼板為超高強(qiáng)度車身材料，具有極高的機(jī)械安全性。而熱成型鋼板則主要應(yīng)用于前、后保險(xiǎn)杠骨架以及A柱、B柱等重點(diǎn)部位，在發(fā)生撞擊時(shí)，尤其在正面和側(cè)面撞擊時(shí)，可有效減少駕駛艙變形，保護(hù)駕乘人員的安全。當(dāng)前各大乘用車主機(jī)廠在乘用車的這些相關(guān)位置，都不同程度采用了熱成型技術(shù)。

3 B柱的整體結(jié)構(gòu)

B 柱零件應(yīng)盡量采用規(guī)則的形狀設(shè)計(jì)，降低不對(duì)稱度，B柱的截面形狀應(yīng)該盡量簡(jiǎn)單對(duì)稱。對(duì)稱度較差的零件設(shè)計(jì)，會(huì)導(dǎo)致坯料難以定位。在成形過程中，坯料還可能會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，模具與坯料接觸狀態(tài)差，甚至影響材料的流動(dòng)和淬火冷卻。

車身B柱一般包括B柱加強(qiáng)板，鉸鏈加強(qiáng)板，B柱內(nèi)板等幾個(gè)零件組成。B柱抗側(cè)碰性能關(guān)鍵取決于加強(qiáng)板的截面尺寸、材料性能、材料料厚等因素。B柱內(nèi)板只是作為封閉截面內(nèi)部的支撐和彌補(bǔ)作用。根據(jù)C-NCAP規(guī)則，CAE分析和實(shí)車測(cè)試時(shí)，在B柱內(nèi)板不同部位取點(diǎn)，用于量取侵入量和侵入速度。

3.1 結(jié)構(gòu)方案描述

總布置上下方便性要求，目前的門檻與18版?zhèn)让媾鲎脖诘闹丿B量為零(側(cè)面碰撞壁下邊沿與門檻上邊沿距離為11mm)，側(cè)碰力全部由門及B柱承受，B柱只有采用熱成型高強(qiáng)板材料才具備滿足碰撞安全的可行能。

圖1 結(jié)構(gòu)方案

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：1、側(cè)碰主要受力結(jié)構(gòu)；2、后車門鉸鏈、限位器安裝點(diǎn)；3、前車門鎖扣安裝點(diǎn)；4、前排安全帶卷收器安裝點(diǎn)；5、前后車門玻璃升降空間問題決定B柱上窄下寬。

圖2 總布置圖

圖3 B柱結(jié)構(gòu)圖

B柱加強(qiáng)板采用熱成型鋼，內(nèi)板采用高強(qiáng)鋼板，點(diǎn)焊連接后電泳處理。B柱總成與頂邊梁?jiǎn)蚊尜N合，與門檻梁外側(cè)面及止口配合。 B柱、B柱連接板與型材連接工藝為哈克鉚釘連接，同時(shí)鋼板與鋁型材間增加結(jié)構(gòu)膠，用于增加連接強(qiáng)度與鋼板防銹。

3.2 B柱總成工藝路線

圖4 B柱總成工藝路線

B柱內(nèi)外板焊接為總成電泳完成后供貨給分總成供應(yīng)商。分總成供應(yīng)商將B柱連接到側(cè)圍總成后供貨給主機(jī)廠。

3.3 B柱上下端與鋁車身連接方式

圖5 B柱上下端與鋁車身連接方式

4 CAE仿真

4.1 碰撞CAE仿真的基礎(chǔ)理論

汽車碰撞是一個(gè)高度非線性的復(fù)雜過程，包含了應(yīng)變率相關(guān)性強(qiáng)的材料非線性、以大變形和大位移為特征的幾何非線性、接觸摩擦為特征的狀態(tài)非線性。目前汽車碰撞過程的仿真模擬都是采用顯示有限元法，其是基于有限元方法的空間域離散技術(shù)和基于有限差分法的時(shí)間域離散技術(shù)。顯式有限元法的基本理論如下：

（1）運(yùn)動(dòng)方程

對(duì)于任意體現(xiàn)V，表面為S，由動(dòng)量定理可知：

式中：—當(dāng)前物體的質(zhì)量密度；—單位質(zhì)量的體積力；—面力；—速度

（2）幾何方程（應(yīng)變-位移關(guān)系）

式中：ε—應(yīng)變張量；

u、u—相對(duì)位移張量。

（3）本構(gòu)方程（應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系）

總應(yīng)變?cè)隽颗c應(yīng)力偏量的關(guān)系，即普朗特-雷斯方程：

式中：S—應(yīng)力偏量

λ—非負(fù)的標(biāo)量比例系數(shù)，可根據(jù)加載歷史的不同而變化。

（4）邊界條件

這里S+S=S，S為彈性體全部邊界，式中第一項(xiàng)為位移邊界條件，第二項(xiàng)為力邊界條件。

通過上述運(yùn)動(dòng)方程、幾何方程、本構(gòu)方程，再給定邊界條件，問題方程是可以求解的。

4.2 第一輪CAE分析結(jié)果

從相關(guān)碰撞變形對(duì)比圖來(lái)看，風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)集中在以下兩個(gè)結(jié)構(gòu)區(qū)域：（1）B柱中部結(jié)構(gòu)截面處的剛度偏弱，在移動(dòng)壁障的沖擊下發(fā)生明顯潰縮變形；（2）前車門防撞板中部彎折幅度較大，導(dǎo)致車門靠近假人側(cè)侵入量偏大。

側(cè)面碰撞存在的問題主要是B柱區(qū)域剛度匹配不合理，導(dǎo)致B柱中段彎折變形，需要對(duì)B柱區(qū)域重新匹配剛度，進(jìn)行優(yōu)化。

圖7 B柱侵入量曲線

圖8 B柱入侵速度曲線

圖9 前車門侵入量曲線

圖10 后車門侵入量曲線

5 改進(jìn)措施

提升B柱內(nèi)板的材料強(qiáng)度，將其材料牌號(hào)提升至HC420/ 780DP；增加B柱外板厚度，將其厚度改為1.4mm；增加B柱外板加強(qiáng)板。目的是提高B柱整體剛度，減小B柱及前后車門入侵量。

圖11 改進(jìn)后對(duì)比

6 第二輪分析結(jié)果

通過改進(jìn)B柱總成材料料厚，提高熱成型件B柱外板料厚1.2mm到1.4mm。B柱內(nèi)板材料HC340/590DP到HC420/ 780DP。增加B柱外板加強(qiáng)板，HC420/780DP，1.6mm。側(cè)碰CAE分析侵入量基本達(dá)到目標(biāo)值，達(dá)到初期產(chǎn)品設(shè)定。

圖12 前車門及后車門侵入量

圖13 B柱入侵速度及侵入量曲線

表1 側(cè)面碰撞性能概述

7 結(jié)論

（1）汽車安全和輕量化要求是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的兩個(gè)關(guān)鍵需求，二者存在一定的相互制約關(guān)系。通過設(shè)計(jì)階段有限元模擬分析，可以對(duì)設(shè)計(jì)人員提供理論分析依據(jù)，通過多款車型試制驗(yàn)證分析對(duì)標(biāo)，設(shè)定早期分析目標(biāo)設(shè)定，通過CAE分析手段來(lái)滿足結(jié)構(gòu)達(dá)成。

（2）通過描述使用熱成型材料B柱外板，以及普通材料加強(qiáng)板和內(nèi)板的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)B柱總成，通過鉚接加結(jié)構(gòu)膠連接方式，和全鋁車身部分，連接形成混合車身骨架總成。

（3）熱成型B柱在鋁車身中提高了對(duì)汽車防撞級(jí)別的要求，這些部件的強(qiáng)度級(jí)別更是關(guān)系到整車的安全星級(jí)。采用熱沖壓工藝后，尤其是轎車車身所用高強(qiáng)度或超高強(qiáng)度鋼板的厚度可以降低，同時(shí)由于部件的強(qiáng)度得到大幅度提高，并在同等條件下提高了車身的防撞安全性。

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Application of hot forming parts in B pillar assembly of aluminum body

Ouyang Weigang

（Research institute, Chery New Energy Vehicle Co., Ltd., Anhui Wuhu 241000）

In the development process of a new energy aluminum body, the hot-formed b-column assembly structure shall be applied to replace the aluminum b-column structure. Through the analysis of the CAE process of the vehicle side impact, the goal of side impact analysis shall be gradually met. Thermoplastic materials are widely used in automobile body manufac -turing because they can replace multi-layer welded structure with single thermoplastic parts. The cross section structure of hot forming parts is the key to meet the requirements of high strength and light weight. The hot stamping forming technology of stamping yield strength can be as high as 1200 mpa, and high temperature forming almost no rebound, with forming such outstanding advantages as high precision, good formability, thus caused widespread concern in the industry and quickly became the hot technology in the field of automobile manufacturing, anticollision beam is widely used in door, front and rear bumpers and other security and A pillar, B pillar, C pillar, such as channel in the production of car body structure.

Thermoforming process; side impact; stiffness; B pillar

U462

A

1671-7988(2019)13-164-05

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1671-7988(2019)13-164-05

歐陽(yáng)偉剛（1969-），男，本科，主任工程師，就職于奇瑞新能源汽車股份有限公司，從事車身設(shè)計(jì)研究工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.13.054