曹廣祥 蘆強(qiáng)強(qiáng) 宋起峰 常悅彤

（1.中國第一汽車股份有限公司材料與輕量化研究院，長春130011；2.中國第一汽車股份有限公司研發(fā)總院，長春130000）

1 前言

在汽車碰撞過程中，由于汽車側(cè)面吸能構(gòu)件較少且車內(nèi)乘員與車門之間空間小不足以產(chǎn)生大的變形來吸收碰撞變形能量[1]，所以側(cè)面碰撞中對(duì)人員傷害較大。車門防撞梁的應(yīng)用可以在側(cè)面碰撞過程中提升車門剛度，減少車門變形以及車門對(duì)乘員生存空間的侵入量，延遲乘員與車體的接觸時(shí)間，有效降低乘員傷害。

目前車門防撞梁用材以超高強(qiáng)鋼為主，如980 MPa級(jí)、1 180 MPa級(jí)冷成形超高強(qiáng)度，1 500 MPa級(jí)熱成形鋼等。熱成形技術(shù)可用于成形復(fù)雜形狀的零件、消除冷成形高強(qiáng)鋼遇到的回彈大及易開裂等困難且成形后零件具有超高強(qiáng)度，所以應(yīng)用熱成形鋼已成為車門防撞梁輕量化設(shè)計(jì)的主要選材方案。以1 500 MPa級(jí)熱成形鋼制造的車門防撞梁為基礎(chǔ)方案，使用1 800 MPa級(jí)熱成形鋼通過提高材料強(qiáng)度，減薄料厚進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)分析。

2 材料性能

選擇某鋼廠生產(chǎn)的1 800 MPa級(jí)熱成形鋼作為研究對(duì)象，其化學(xué)成分見表1，與基礎(chǔ)方案使用的1 500 MPa熱成形鋼相比，主要通過提高C、Mn元素的含量來提高材料的強(qiáng)度。采用相同的熱成形工藝參數(shù)進(jìn)行壓淬試驗(yàn)得到樣板進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，結(jié)果見表2。

表1 化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

表2 壓淬后鋼板力學(xué)性能

3 零件三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)

準(zhǔn)靜態(tài)三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)可以用于車門防撞梁的抗彎曲性能評(píng)價(jià)，本試驗(yàn)對(duì)使用1 500 MPa級(jí)和1 800 MPa級(jí)材料的車門防撞梁分別進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，對(duì)比零件的抗彎性能，同時(shí)使用獲得的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)材料卡片進(jìn)行標(biāo)定以用于CAE仿真分析。1 800 MPa級(jí)的試驗(yàn)零件在1 500 MPa級(jí)基礎(chǔ)方案的生產(chǎn)模具上進(jìn)行試制，為保證成形過程中材料的淬透性，零件厚度與基礎(chǔ)方案一致，均為1.6 mm，試驗(yàn)零件如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)零件

3.1 試驗(yàn)條件

車門防撞梁彎曲加載的沖頭半徑為152.4 mm，使用跨距為400 mm的2個(gè)支承座，支承座上端圓柱半徑12.5 mm，加載速度50 mm/min，加載到?jīng)_頭位移為100 mm時(shí)停止試驗(yàn)。載荷測(cè)量使用萬能試驗(yàn)機(jī)力傳感器，位移測(cè)量使用非接觸變形測(cè)量系統(tǒng)計(jì)算分析，三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)裝置如圖2所示。

圖2 三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)裝置

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

車門防撞梁三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)得到的力-位移曲線如圖3所示，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。

圖3 力-位移曲線

從曲線可以看出，零件厚度和形狀相同的情況下，使用1 800 MPa級(jí)材料的車門防撞梁的最大抗彎力和彎曲變形能明顯大于基礎(chǔ)方案的車門防撞梁。在零件形狀不變的情況下，三點(diǎn)彎曲的最大抗彎力和彎曲變形能與厚度正相關(guān)，因此在達(dá)到基礎(chǔ)方案車門防撞梁的抗彎曲性能的前提下可以使用1 800 MPa級(jí)材料對(duì)車門防撞梁進(jìn)行減薄，實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)。

表3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 車門防撞梁輕量化設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

使用高強(qiáng)鋼板進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，常用的方式是使用高強(qiáng)度材料代替低強(qiáng)度材料，在保證使用性能不降低的前提下進(jìn)行料厚的減薄。鋼板的強(qiáng)度和料厚的乘積關(guān)系大體上由變形方式?jīng)Q定，在不改變零件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的情況下，減薄后的材料厚度可以根據(jù)公式（1）進(jìn)行估算[2]。

式中，t1為低強(qiáng)度鋼板厚度；t2為減薄后的高強(qiáng)度鋼板厚度；σ1為低強(qiáng)度鋼板的屈服強(qiáng)度；σ2為高強(qiáng)度鋼板的屈服強(qiáng)度；N為由變形形式?jīng)Q定的數(shù)值，各種受力情況下N的取值情況見表4。

表4 各種受力情況下N的取值

車門防撞梁在碰撞中主要承受彎曲載荷，取N=1/2，將1 800 MPa級(jí)和1 500 MPa級(jí)熱成形鋼熱成形后的屈服強(qiáng)度代入公式（1）計(jì)算得出使用1 800 MPa級(jí)熱成形鋼減薄后的車門防撞梁厚度為1.42 mm，取1.4 mm進(jìn)行分析。對(duì)減薄后的車門防撞梁進(jìn)行三點(diǎn)彎曲仿真分析，與基礎(chǔ)方案1.6 mm的1 500 MPa級(jí)車門防撞梁進(jìn)行抗彎曲性能比較。

基于車門防撞梁的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，建立LS-DY-NA仿真模型如圖4所示，其中防撞梁為殼網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸5 mm，材料屬性賦為基于三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)數(shù)據(jù)標(biāo)定的1 800 MPa級(jí)熱成形鋼材料卡；沖頭、支承座均為剛體，網(wǎng)格單元大小為8 mm，支承座全約束，沖頭以恒定速度向下移動(dòng)。根據(jù)試驗(yàn)實(shí)際情況建立沖頭與橫梁、橫梁與支承座之間的接觸。

圖4 三點(diǎn)彎曲仿真模型

仿真分析得到的零件變形與三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)后的零件變形一致，驗(yàn)證了仿真分析模型和材料卡片的準(zhǔn)確性，如圖5所示。

圖5 零件變形對(duì)比

仿真分析得到1 800 MPa級(jí)車門防撞梁的力-位移曲線與基礎(chǔ)方案1 500 MPa級(jí)車門防撞梁三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)得到的力-位移曲線對(duì)比如圖6所示。

圖6 力-位移曲線

最大抗彎力和彎曲變形能值見表5。由分析結(jié)果可以看出，使用1 800 MPa級(jí)熱成形鋼減薄后的車門防撞梁其抗彎曲性能與基礎(chǔ)方案的1 500 MPa級(jí)車門防撞梁進(jìn)行抗彎曲性能相當(dāng)。

表5 最大抗彎力和彎曲變形能

為進(jìn)一步驗(yàn)證減薄方案是否滿足碰撞工況車體防護(hù)要求，將車門防撞梁搭載整車進(jìn)行側(cè)面碰撞分析。依據(jù)C-NCAP 2018側(cè)面碰撞規(guī)程，建立側(cè)面碰撞模型，分別計(jì)算1 500 MPa級(jí)熱成形鋼的基礎(chǔ)方案和1 800 MPa級(jí)熱成形鋼的減薄方案，對(duì)比B柱及前后車門的侵入量。

1 800 MPa級(jí)熱成形鋼減薄方案與基礎(chǔ)方案的碰撞仿真結(jié)果對(duì)比如圖7所示，減薄方案B柱及前后車門的侵入量與基礎(chǔ)方案相當(dāng)。分析結(jié)果表明在不改變車門防撞梁形狀的前提下，使用1 800 MPa級(jí)熱成形鋼減薄的方案可行。

圖7 側(cè)面碰撞仿真分析結(jié)果（圖中曲線M1為基礎(chǔ)方案，M2為減薄方案）

5 總結(jié)

a.在1 500 MPa級(jí)車門防撞梁生產(chǎn)模具上試制1 800 MPa級(jí)車門防撞梁，通過三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)對(duì)抗彎曲性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。建立仿真分析模型并進(jìn)行材料卡標(biāo)定，對(duì)減薄方案進(jìn)行仿真分析，將減薄方案的仿真分析結(jié)果和1 500 MPa級(jí)基礎(chǔ)方案的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得出2種方案的抗彎曲性能相當(dāng)，驗(yàn)證了仿真分析模型和材料卡片的準(zhǔn)確性以及減薄方案的可行性。

b.1 800 MPa級(jí)熱成形鋼代替1 500 MPa級(jí)熱成形鋼用于車門防撞梁的輕量化設(shè)計(jì)，在保證抗彎曲性能不降低的條件下，可實(shí)現(xiàn)12.5%的降重效果。