李紅　李陽(yáng)　董江海

摘 要：文章基于輕量化的需求，以基礎(chǔ)熱沖壓成形B柱為對(duì)象，采用變截面熱成形技術(shù)，進(jìn)行不同截面厚度設(shè)計(jì)，并進(jìn)行零件級(jí)別仿真分析，得到優(yōu)化方案，最后進(jìn)行整車(chē)驗(yàn)證分析，滿(mǎn)足使用性能，并且實(shí)現(xiàn)輕量化。關(guān)鍵詞：變截面熱成形;B柱;優(yōu)化設(shè)計(jì)中圖分類(lèi)號(hào)：U462.1? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1671-7988（2020）01-64-03

Abstract： Based on the demand of lightweight， this paper takes the basic hot stamping B-pillar as the object， adopts the variable section hot forming technology to design different cross-sectional thickness， and carries out simulation analysis on part level to obtain the optimization scheme. Finally， the vehicle is verified， and the design meets the service performance and realized lightweight.Keywords： Variable section hot forming; B-pillar; Optimization designCLC NO.： U462.1? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）01-64-03

前言

為了保證整個(gè)車(chē)身的強(qiáng)度和剛度，車(chē)身結(jié)構(gòu)件對(duì)材料的強(qiáng)度有著較高的要求。汽車(chē)車(chē)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，因此得到了廣泛應(yīng)用。

近年來(lái)，變截面熱成形技術(shù)也在車(chē)身上得到了應(yīng)用，主要用于A柱、B柱、中通道等部位。該項(xiàng)技術(shù)首次應(yīng)用于2011款?yuàn)W迪A6的前擋板加強(qiáng)橫梁和新?？怂沟腂柱，其中新?？怂笲柱原設(shè)計(jì)為雙層熱成形零件，通過(guò)變截面技術(shù)應(yīng)用，合成一層零件，在碰撞安全性能不降低的情況下，其質(zhì)量大幅度下降，為汽車(chē)輕量化帶來(lái)可觀的收益。

在乘用車(chē)發(fā)生側(cè)面碰撞過(guò)程中，車(chē)身B柱是重要的承載部件。B柱的變形模式和能量吸收對(duì)其入侵量和入侵速度有重要影響，并最終對(duì)乘員的安全性有重要影響[1，2]。針對(duì)于側(cè)面碰撞時(shí)B柱不同區(qū)域的變形不同的特點(diǎn)，可以設(shè)計(jì)成變厚度，從而減重。

本文主要論述了將普通熱成形B柱優(yōu)化為變截面熱成形B柱的設(shè)計(jì)過(guò)程。

1 benchmark分析

調(diào)研近年來(lái)euro car body會(huì)議資料，共有11款車(chē)型應(yīng)用了變截面熱成形B柱。具體車(chē)型如表1所示;?？怂笲柱的厚度分布如圖1所示。

根據(jù)以上競(jìng)品調(diào)研分析可見(jiàn)，變截面熱成形B柱在轎車(chē)、SUV等車(chē)型中均有應(yīng)用，厚度區(qū)間為1.2mm-2.9mm，分區(qū)形式為3段至多段，過(guò)渡區(qū)寬度及每個(gè)區(qū)間的寬度無(wú)明顯規(guī)律，總體上呈現(xiàn)出中間厚、兩邊薄的分布特征。分析側(cè)面碰撞法規(guī)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)發(fā)生時(shí)，壁障撞到車(chē)上，B柱和門(mén)檻將載荷傳遞到車(chē)身頂部橫梁和下部底板及車(chē)門(mén)防撞梁等零件上。為減小碰撞對(duì)人體胸部以上與車(chē)身接觸的可能性，較少傷害，所以B柱設(shè)計(jì)為中間強(qiáng)，兩邊稍稍弱些;這樣能夠保證在碰撞過(guò)程中，上下兩個(gè)部位先變形吸收能量，從而能夠保證B柱不斷裂，降低人員受傷的風(fēng)險(xiǎn)。

2 搭建模型

根據(jù)文獻(xiàn)[3]研究的成果。建立了B柱簡(jiǎn)化側(cè)碰仿真模型。簡(jiǎn)化模型采用上、下兩個(gè)沖擊錘，主要用來(lái)模擬美國(guó)高速公路安全協(xié)會(huì)整車(chē)側(cè)碰試驗(yàn)中移動(dòng)小車(chē)前部上、下兩個(gè)蜂窩鋁可變形移動(dòng)壁障。進(jìn)而模擬沖擊載荷，沖擊錘模型設(shè)置為剛性體，沖擊錘上、下兩中心相對(duì)位置保持固定，大小沖擊錘中心距設(shè)置為375mm，高度差30mm。B柱簡(jiǎn)化模型兩側(cè)約束5個(gè)自由度，放開(kāi)Z向平動(dòng)自由度，仿真時(shí)沖擊落錘接觸瞬間初始速度定義為30km/h，沖擊錘加載質(zhì)量為160kg，在B柱內(nèi)側(cè)位置取11個(gè)測(cè)量點(diǎn)，輸出其測(cè)量點(diǎn)的侵入量及侵入速度。如圖2所示。

3 方案制定

原基礎(chǔ)B柱設(shè)計(jì)為1500MPa熱成形材料，厚度為1.6mm。制定變截面方案時(shí)，結(jié)合基礎(chǔ)模型變形情況及現(xiàn)有技術(shù)與加工工藝，制定了20種不同厚度及不同分界位置方案，見(jiàn)表2。利用前面搭建的B柱碰撞仿真模型進(jìn)行了計(jì)算，得到侵入量結(jié)果，用于橫向?qū)Ρ取?/p>

仿真的相關(guān)參數(shù)（關(guān)注點(diǎn)）為B柱11個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的入侵量。但是為了簡(jiǎn)化分析，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)關(guān)注點(diǎn)6在實(shí)車(chē)側(cè)碰過(guò)程中侵入量最大，在實(shí)際仿真中主要關(guān)注點(diǎn)6的入侵量。所以本次分析中，也只采用了點(diǎn)6的侵入量。表3給出了基礎(chǔ)模型和方案的模型質(zhì)量參數(shù)及侵入量。

根據(jù)模擬結(jié)果，綜合考慮成本、工藝，選取方案15作為最終方案。其中一區(qū)的厚度t=1.3mm，長(zhǎng)度L=504mm;二區(qū)厚度t=1.6mm，長(zhǎng)度L=503mm;三區(qū)厚度t=1.4mm，長(zhǎng)度L=303mm。三個(gè)區(qū)域的強(qiáng)度均為1500MPa。每段過(guò)渡區(qū)的長(zhǎng)度為L(zhǎng)=40mm，過(guò)渡區(qū)均勻過(guò)渡。具體信息見(jiàn)圖3。

4 整車(chē)碰撞驗(yàn)證

將設(shè)計(jì)方案15帶入整車(chē)模型進(jìn)行碰撞對(duì)比分析。圖4為在碰撞過(guò)程中的關(guān)注點(diǎn)，表3與表4為差厚板B柱與原熱成形B柱測(cè)量點(diǎn)侵入量與侵入速度的對(duì)比，由表3、表4可知，更改后的差厚板B柱與原熱成形B柱相比結(jié)果變化不大，滿(mǎn)足性能要求。

5 結(jié)論

根據(jù)上述分析，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案雖較原方案性能略有降低，但滿(mǎn)足目標(biāo)性能要求。優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，較原方案重量降低9.32%。相比于鋁合金、碳纖維等輕量化材料，無(wú)需改變生產(chǎn)線、連接方式等，性比價(jià)比高，可實(shí)施性強(qiáng)，是汽車(chē)輕量化不可或缺的選擇。

參照文獻(xiàn)

[1] 趙娣，陳曉磊.汽車(chē)B柱輕量化設(shè)計(jì)及碰撞分析[J].上海汽車(chē)， 2014（1）：25-27.

[2] 魯后國(guó)，李鐵柱，闞洪貴.基于仿真分析的汽車(chē)B柱側(cè)面碰撞性能設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造， 2017（7）：220-222.

[3] 高新華，徐有忠，王其東.基于臺(tái)架試驗(yàn)與模擬的轎車(chē)B柱耐撞性與輕量化研究[J].汽車(chē)工程， 2014（8）：957-962.