王洪利 李萬莉

摘 ?要：本文對無中頂橫梁車身B柱加強板總成結(jié)構(gòu)設(shè)計進行了研究。分析了市場變化對車身設(shè)計的影響。研究了B柱加強板總成結(jié)構(gòu)特點，針對6種設(shè)計方案進行成本重量、結(jié)構(gòu)、工藝等對比分析。進而通過CAE仿真分析，改進結(jié)構(gòu)設(shè)計。最后根據(jù)設(shè)碰撞安全法規(guī)對結(jié)構(gòu)設(shè)計進行優(yōu)化，論證設(shè)計可行性。本文研究的無中頂橫梁車身B柱加強板結(jié)構(gòu)設(shè)計，滿足碰撞法規(guī)要求;結(jié)構(gòu)設(shè)計合理;車身強度和扭轉(zhuǎn)剛度以及吸能潰縮形式良好。

關(guān)鍵詞：無中頂橫梁車身;B柱加強板;CAE仿真

中圖分類號：U463 ? ? ?文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1005-2550（2021）03-0100-06

Structure Design of B-pillar of Car Body Without Middle Roof Crossbeam

WANG Hong-li1， LI Wan-li2

（1.Shanghai Weilai Automobile Co.， Ltd.， 201800， Shanghai ， China;

2.Tongji University， Shanghai 201800， China ）

Abstract： Based on a project of Steel and Al mixed BIW structure， which is no CTR ROOF BOWL， I studied how to design a reasonable B PLR REINF ASM. Comparison the cost、weight、feasibility、process plant to choose the reasonable one from the 6 proposals. Thirdly， CAE support run the side impact and roof crash， and structure optimization support by CAE topology. Finally， develop a reasonable B PLR REINF ASM matched the NCAP & regulations structure.

Key Words： ?No CTR ROOF BOWL; B PLR REINF; ?CAE Topology

王洪利

畢業(yè)于江蘇科技大學，學士學位，現(xiàn)就職于上海蔚來汽車有限公司，任車身內(nèi)外飾部上車身經(jīng)理。

1 ? ?引言

1.1 ? 選題的背景及意義

隨著我國經(jīng)濟蓬勃發(fā)展。汽車總量大幅提升使得車身安全變得更加重要。我國的也在逐步完善自己的新車評價方式。

CNACP中對正碰，側(cè)碰和40%偏置碰和頂壓的示意簡圖如下：

伴隨新能源的快速發(fā)展，新材料應(yīng)用比例逐年增加。碳纖維和鋁尤為明顯。碳纖維是一種含碳量在95%以上，具有高強度和高模量的新型纖維材料[1]。鋁材以優(yōu)良的機械性能和高效的材料可回收性，在汽車行業(yè)廣泛認可，成為汽車制造的重要選材之一，其整車占比大幅提升[2]。

鋁材具有重量輕、強度高、耐腐蝕性好的特點。達到同樣的力學性能指標，鋁比鋼輕47%[3]。

同時由于用戶需求導向，車身結(jié)構(gòu)從金屬頂蓋到玻璃天窗進而發(fā)展到整個玻璃天幕的轉(zhuǎn)變，相應(yīng)產(chǎn)生了一種沒有中頂橫梁的車身設(shè)計。在設(shè)計和安全目標上，在面對車身碰撞和頂壓時，相對于有中頂橫梁車身都更加嚴苛。本文所研究車型性能定義目標為中保研側(cè)碰5星。也就意味著要求碰撞發(fā)生后B柱結(jié)構(gòu)的侵入量距離H點的XZ平面距離>=125mm。

2 ? ?經(jīng)典B柱設(shè)計和法規(guī)介紹

2.1 ? 經(jīng)典B柱加強板總成結(jié)構(gòu)

B柱加強板是BIW中部最重要的性能和功能零件之一。其設(shè)計輸入如下：第一，造型和PKG限制;第二，電子電器內(nèi)外飾安裝功能和門蓋需求輸入;第三，碰撞性能需求。簡列如圖3。

2.2 側(cè)碰和頂壓法規(guī)介紹

和B柱相關(guān)的法規(guī)有側(cè)碰和頂壓兩大類。B柱在側(cè)碰和頂壓中所扮演的角色是不一樣的。側(cè)碰中，B柱是保護乘員艙內(nèi)人員在側(cè)碰發(fā)生時不被傷害的基礎(chǔ);頂壓發(fā)生時，B柱的主要作用是在發(fā)生車頂受壓或者翻滾時防護乘員艙內(nèi)人員的頭部生存空間不被擠壓。

2.2.1 側(cè)碰法規(guī)介紹

C-NACP采用變形移動壁障側(cè)碰試驗來部分評價車內(nèi)乘員安全性。在側(cè)碰法規(guī)當中相對嚴苛度的IIHS，和C-NACP的不同主要體現(xiàn)如下：

2.2.2 頂壓法規(guī)介紹

車頂強度試驗為準靜態(tài)測試。通過剛性壓板位移量127mm范圍內(nèi)測得的峰值載荷與整備質(zhì)量之比來評價頂壓等級。中保研和IIHS的頂壓評價方式一致，如圖5：

2.3 ? 車身結(jié)構(gòu)相應(yīng)的設(shè)計思路

針對法規(guī)和性能需求B柱傳力方式的設(shè)計已經(jīng)趨于成熟，B柱上部整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定不變形保證乘客頭部生存空間，B柱下部通門檻結(jié)構(gòu)一起潰縮吸收能量保護大腿和軀干生存空間。下圖為馬自達Euro-Car Body側(cè)碰傳力方式設(shè)計，和IIHS中對B柱結(jié)構(gòu)變形的評價方式。

3 ? ?無中頂橫梁B柱設(shè)計

3.1 ? 市場需求對應(yīng)設(shè)計新挑戰(zhàn)

B柱在安全性能之外的設(shè)計輸入主要來自三方面：1-更大的視野和采光空間;2-更大的頭部肩部Z/Y向空間;3-車身輕量化。

3.1.1 更大的視野、采光、頭部空間的影響

B柱的內(nèi)外限制在軸距以及內(nèi)外造型確認之后就基本定型了，更多的乘客需求空間就需要從結(jié)構(gòu)本身入手。壓縮B柱Y向斷面同時取消中頂橫梁的車身結(jié)構(gòu)因此產(chǎn)生。B柱截面對比如下：

3.1.2 更輕的車身重量對結(jié)構(gòu)的要求

輕量化是汽車行業(yè)不變的主題，由此催生了鋁材的大面積應(yīng)用。1992年，美國鋁業(yè)協(xié)會的一份報告稱，整車鋼改為鋁，平均用鋁量將達到454kg[4]。

新能源汽車出于對電池的保護將門檻由鋼改為鋁擠出可以降重16Kg。鋼鋁混合的產(chǎn)生對B柱結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料選型以及連接方式提出了更大的挑戰(zhàn)。

3.2 ? 無中頂橫梁B柱設(shè)計

B柱設(shè)計都是在滿足功能/安全/空間的基礎(chǔ)上，設(shè)計成本和重量最優(yōu)的車身結(jié)構(gòu)。無中頂橫梁的難點在于如何分解優(yōu)化碰撞中的能量傳遞，設(shè)計潰縮位置。以及克服鋼鋁混合車身中的連接挑戰(zhàn)。

3.2.1 材料選擇對應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

在有限斷面空間的前提下，B柱的材料需要選擇屈服強度非常高，并且連接和成型良好的零件材料?；谠O(shè)計經(jīng)驗以及競品的研究數(shù)據(jù)。進而開發(fā)了幾種設(shè)計思路，如圖8。

方案一，等厚板方案在各OEM大范圍使用，工藝成熟質(zhì)量品控穩(wěn)定。吸能效果不滿足性能需求，輕量化效果不明顯。

方案二，連續(xù)可變料厚TRB板可以大幅提升輕量化能力，并滿足性能需求。然而在進行SPR鋼鋁（側(cè)圍外板）連接時，不具備量產(chǎn)可行性（TRB的厚度超過了1.6mm）。SPR-自穿刺鉚接技術(shù)作為汽車白車身的主要連接方法之一，它可實現(xiàn)同種或異種材料的多層搭接[5] 。SPR連接鋼鋁的可行性實驗圖如下。

方案三，連續(xù)可變料厚TRB板并在B柱下采用軟區(qū)。方案三在方案二基礎(chǔ)上輕量化優(yōu)勢更加明顯。下部的軟區(qū)工藝可以明顯提升側(cè)碰中的吸能潰縮能力。然而基于CAE模擬中TRB料厚仍大于1.6mm，超出SPR連接熱成型的能力。

方案四，單一料厚熱成型/同時增加補丁板/再配合B柱下部軟區(qū)方案。料厚配比為B柱加強板1.2+補丁板2.0mm。補丁板方案近些年比較流行，是在未加熱前的主結(jié)構(gòu)板料上焊接一個補丁結(jié)構(gòu)，然后在加熱后整體送入熱成型模具內(nèi)成型。方案四在滿足輕量化需求的前提下達到了功能和性能目標。

方案五，單一料厚熱成型/同時增加TRB補丁板/再配合B柱下部軟區(qū)方案。方案五是方案四的性能進階方案。CAE模擬中其輕量化效果和性能結(jié)果比方案四更進一步。不過此方案對模具工藝和焊接工藝要求極為苛刻，同時成本很高。

方案六，TRB熱成型本體/同時增加單一料厚補丁板/再配合B柱下部軟區(qū)方案。方案六也是方案四的性能進階方案。CAE模擬中其輕量化效果和性能結(jié)果比方案四更進一步。不過此方案的B柱本體料厚仍大于1.6mm不符合量產(chǎn)熱成型SPR范圍。

綜合6種方案的性能和功能情況以及成本參考，方案四-單一料厚熱成型，同時增加補丁板，再配合B柱下部軟區(qū)方案作為CAE虛擬驗證的基礎(chǔ)。

4 ? ?B柱性能仿真分析

CAE仿真模擬的基礎(chǔ)是建立一個結(jié)構(gòu)設(shè)計可行的3D模型。之后將3D參數(shù)化建模的CATIA模型導入LS-DYNA的Mseh模型中。模型優(yōu)化校準并輸入性能參數(shù)，連接參數(shù)等形成性能仿真模擬的基礎(chǔ)。

4.1 ? 基于模擬結(jié)果的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和材料選型

初次計算結(jié)果顯示B柱結(jié)構(gòu)有三部分需要優(yōu)化。1-在B柱下靠近門檻位置吸能潰縮不充分;2-在B柱加強板中間出現(xiàn)彎折;3-B柱上端和CANT RAIL的連接以及傳力不理想。如圖11，所示：

4.1.1 下B柱吸能區(qū)/中上部連接及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

基于側(cè)碰結(jié)果分析，B柱下部軟區(qū)在側(cè)碰發(fā)生時吸能不夠充分，需要將軟區(qū)的分界位置升高到B柱下鉸鏈區(qū)域，讓其變形更徹底。

和B柱下部的方式不同，B柱上的結(jié)構(gòu)理念是穩(wěn)定的B柱整體抵抗側(cè)碰變形，進而保證乘員艙內(nèi)人員的生存空間。CAE模擬結(jié)果顯示B柱上部的受力沒有良好的傳遞給CANT RAIL，導致中部彎折。建議延長B柱內(nèi)板的patch長度，提升整體結(jié)構(gòu)剛度，讓壁障撞擊位置的力可以傳遞給CANT RAIL使B柱上部整體抵抗側(cè)碰不潰縮。優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)如下圖12所示：

基于優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)重新建模再次仿真的結(jié)果滿足法規(guī)性能5星的標準。

5 ? ?結(jié)論

本文初步探討有無中頂橫梁的B柱結(jié)構(gòu)的不同設(shè)計理念。從空間布置，顧客需求，車身碰撞，以及輕量化等方面考量對B柱設(shè)計的影響。研討了6種設(shè)計方案，通過對選中的一種結(jié)構(gòu)進行CAE有限元模擬，總結(jié)優(yōu)化了一種滿足大批量生產(chǎn)的B結(jié)構(gòu)方案。

方案四，單一料厚熱成型/同時增加補丁板/再配合B柱下部軟區(qū)方案。料厚配比為B柱加強板1.2+補丁板2.0mm。本方案在輕量化的前提下，滿足安全和功能需求的同時克服了鋼鋁連接的難點。無中頂橫梁的B柱結(jié)構(gòu)的應(yīng)用對車內(nèi)人員空間和視野以及整車透光度帶來的巨大進步。

參考文獻：

[1]于東民. 玻璃纖維/碳纖維芳綸紙蜂窩板銑削試驗研究[D]. 集美大學，2015.

[2]劉艷華. 汽車車身用6000系鋁合金板材的研究：[碩士學位論文] .東北大學，2004.

[3]崔風歧.鋁合金汽車—_21世紀汽車工業(yè)的驕子[J]，輕金屬，1995，（7）：51—55.

[4]彭曉東.輕合金在汽車上的應(yīng)用[J].機械工程材料，1999，23（2）：1-4.

[5]申仲達.鋁合金車身自沖鉚工藝與力學性能研究：[碩士學位論文] .合肥工業(yè)大學，2018.