曹廣祥 蘆強強 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，由于汽車側面吸能構件較少且車內乘員與車門之間空間小不足以產生大的變形來吸收碰撞變形能量[1]，所以側面碰撞中對人員傷害較大。車門防撞梁的應用可以在側面碰撞過程中提升車門剛度，減少車門變形以及車門對乘員生存空間的侵入量，延遲乘員與車體的接觸時間，有效降低乘員傷害。

目前車門防撞梁用材以超高強鋼為主，如980 MPa級、1 180 MPa級冷成形超高強度，1 500 MPa級熱成形鋼等。熱成形技術可用于成形復雜形狀的零件、消除冷成形高強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度，所以應用熱成形鋼已成為車門防撞梁輕量化設計的主要選材方案。以1 500 MPa級熱成形鋼制造的車門防撞梁為基礎方案，使用1 800 MPa級熱成形鋼通過提高材料強度，減薄料厚進行輕量化設計分析。

2 材料性能

選擇某鋼廠生產的1 800 MPa級熱成形鋼作為研究對象，其化學成分見表1，與基礎方案使用的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度。采用相同的熱成形工藝參數(shù)進行壓淬試驗得到樣板進行力學性能測試，結果見表2。

表1 化學成分（質量分數(shù)） %

表2 壓淬后鋼板力學性能

3 零件三點彎曲試驗

準靜態(tài)三點彎曲試驗可以用于車門防撞梁的抗彎曲性能評價，本試驗對使用1 500 MPa級和1 800 MPa級材料的車門防撞梁分別進行三點彎曲試驗，對比零件的抗彎性能，同時使用獲得的三點彎曲試驗數(shù)據對材料卡片進行標定以用于CAE仿真分析。1 800 MPa級的試驗零件在1 500 MPa級基礎方案的生產模具上進行試制，為保證成形過程中材料的淬透性，零件厚度與基礎方案一致，均為1.6 mm，試驗零件如圖1所示。

圖1 試驗零件

3.1 試驗條件

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，加載到沖頭位移為100 mm時停止試驗。載荷測量使用萬能試驗機力傳感器，位移測量使用非接觸變形測量系統(tǒng)計算分析，三點彎曲試驗裝置如圖2所示。

圖2 三點彎曲試驗裝置

3.2 試驗結果

車門防撞梁三點彎曲試驗得到的力-位移曲線如圖3所示，試驗數(shù)據見表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方案的車門防撞梁。在零件形狀不變的情況下，三點彎曲的最大抗彎力和彎曲變形能與厚度正相關，因此在達到基礎方案車門防撞梁的抗彎曲性能的前提下可以使用1 800 MPa級材料對車門防撞梁進行減薄，實現(xiàn)輕量化設計。

表3 試驗數(shù)據

4 車門防撞梁輕量化設計及驗證

使用高強鋼板進行輕量化設計，常用的方式是使用高強度材料代替低強度材料，在保證使用性能不降低的前提下進行料厚的減薄。鋼板的強度和料厚的乘積關系大體上由變形方式決定，在不改變零件結構強度的情況下，減薄后的材料厚度可以根據公式（1）進行估算[2]。

式中，t1為低強度鋼板厚度；t2為減薄后的高強度鋼板厚度；σ1為低強度鋼板的屈服強度；σ2為高強度鋼板的屈服強度；N為由變形形式決定的數(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級和1 500 MPa級熱成形鋼熱成形后的屈服強度代入公式（1）計算得出使用1 800 MPa級熱成形鋼減薄后的車門防撞梁厚度為1.42 mm，取1.4 mm進行分析。對減薄后的車門防撞梁進行三點彎曲仿真分析，與基礎方案1.6 mm的1 500 MPa級車門防撞梁進行抗彎曲性能比較。

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

圖4 三點彎曲仿真模型

仿真分析得到的零件變形與三點彎曲試驗后的零件變形一致，驗證了仿真分析模型和材料卡片的準確性，如圖5所示。

圖5 零件變形對比

仿真分析得到1 800 MPa級車門防撞梁的力-位移曲線與基礎方案1 500 MPa級車門防撞梁三點彎曲試驗得到的力-位移曲線對比如圖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。由分析結果可以看出，使用1 800 MPa級熱成形鋼減薄后的車門防撞梁其抗彎曲性能與基礎方案的1 500 MPa級車門防撞梁進行抗彎曲性能相當。

表5 最大抗彎力和彎曲變形能

為進一步驗證減薄方案是否滿足碰撞工況車體防護要求，將車門防撞梁搭載整車進行側面碰撞分析。依據C-NCAP 2018側面碰撞規(guī)程，建立側面碰撞模型，分別計算1 500 MPa級熱成形鋼的基礎方案和1 800 MPa級熱成形鋼的減薄方案，對比B柱及前后車門的侵入量。

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

圖7 側面碰撞仿真分析結果（圖中曲線M1為基礎方案，M2為減薄方案）

5 總結

a.在1 500 MPa級車門防撞梁生產模具上試制1 800 MPa級車門防撞梁，通過三點彎曲試驗對抗彎曲性能進行評價。建立仿真分析模型并進行材料卡標定，對減薄方案進行仿真分析，將減薄方案的仿真分析結果和1 500 MPa級基礎方案的三點彎曲試驗結果進行對比，得出2種方案的抗彎曲性能相當，驗證了仿真分析模型和材料卡片的準確性以及減薄方案的可行性。

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