供稿|孫倬，郭晶，王銘澤

內(nèi)容導(dǎo)讀

基于有限元方法，依據(jù)C-NCAP 碰撞法規(guī)，利用熱成形鋼替換先進(jìn)高強(qiáng)鋼，對(duì)白車身側(cè)碰工況進(jìn)行數(shù)值模擬，依據(jù)白車身結(jié)構(gòu)安全性能要求，建立側(cè)面碰撞的有限元模型，并進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。為滿足新車型輕量化需求，B 柱加強(qiáng)板以熱成形鋼P(yáng)HS2000 替代傳統(tǒng)先進(jìn)高強(qiáng)鋼，再進(jìn)行側(cè)面碰撞分析。結(jié)果表明：應(yīng)用PHS2000 的白車身的B 柱頭部、胸部、腹部、胯部等參考點(diǎn)的入侵量和入侵速度明顯降低，大大提升了乘客安全性，同時(shí)B 柱加強(qiáng)板輕量化19.99%，達(dá)到了新車型輕量化的目的。

目前，汽車輕量化能夠達(dá)到節(jié)約能耗和降低碳排放等目的，但是車身在輕量化的同時(shí)，還要考慮車身的碰撞性能是否降低等問(wèn)題[1-4]。因此，輕量化和安全性能是汽車行業(yè)重點(diǎn)關(guān)注的兩大問(wèn)題[5-7]，而熱成形鋼由于其具有高強(qiáng)度、成形性好等優(yōu)點(diǎn)[8-12]，正被廣泛的應(yīng)用在車身結(jié)構(gòu)件上，是解決兩大問(wèn)題的有效方法。

本文以某新車型白車身為研究對(duì)象，依據(jù)C-NCAP 碰撞法規(guī)，對(duì)B 柱加強(qiáng)板的側(cè)碰性能進(jìn)行分析。在保證駕駛室成員生存空間及B 柱質(zhì)量要求下，通過(guò)熱成形鋼P(yáng)HS2000 選材及優(yōu)化，探究熱成形鋼P(yáng)HS2000 在白車身側(cè)碰安全性能中的應(yīng)用。

材料力學(xué)性能

材料的升級(jí)替代是車身主要的輕量化方式之一，但隨著材料強(qiáng)度的提升，成型性能隨之下降，零部件難以生產(chǎn)，也是制約著輕量化主要問(wèn)題。熱成形鋼在淬火后，組織從奧氏體組織轉(zhuǎn)變成馬氏體組織，從而獲得超高強(qiáng)度。而成型過(guò)程中鋼材處于高溫狀態(tài)，有著較高的延展性能。因此熱成形鋼解決了隨著鋼板屈服強(qiáng)度提高其成形性能變差的問(wèn)題，車身零件可以減薄從而實(shí)現(xiàn)輕量化。

本文優(yōu)化白車身中的B 柱加強(qiáng)板用材，應(yīng)用PHS2000 熱成形鋼替代傳統(tǒng)高強(qiáng)鋼DP590，厚度從1.5 mm 降到1.2 mm。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T228.1—2010 進(jìn)行靜態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)，如圖1 所示。常溫下PHS2000 力學(xué)性能與DP590 基本相當(dāng)，但在淬火后，其屈服、抗拉有了極大的提升。

圖1 不同鋼種工程應(yīng)力應(yīng)變曲線：（a）DP590；（b）PHS2000

有限元模型建立

本研究的白車身重307.9 kg，網(wǎng)格劃分標(biāo)準(zhǔn)為10 mm×10 mm，控制其最小尺寸為3 mm。有限元模型如圖2 所示，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，表中ACM（Area Contact Method）為載荷通過(guò)接觸面?zhèn)鬟f的焊點(diǎn)。

表1 白車身基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

圖2 白車身的側(cè)面碰撞仿真分析數(shù)模

車身模型的連接，包含縫焊、點(diǎn)焊、螺栓/鉚釘、膠粘、鉸接等裝配方式，設(shè)置REB2 剛性螺栓，焊點(diǎn)為Hexa 多邊形焊點(diǎn)，焊縫采用二維面網(wǎng)格焊縫，焊點(diǎn)的密度設(shè)為7.85×10-9t/mm3，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3。對(duì)于整車側(cè)面碰撞仿真， 材 料 屬 性 有MAT1 、MAT20 、MAT24、MAT100 等材料卡片。

側(cè)面碰撞研究

車身側(cè)碰模型

白車身側(cè)碰模型如圖3 所示，依據(jù)C-NCAP 2018 法規(guī)，側(cè)面碰撞速度50 km/h，設(shè)置剛性地面及可移動(dòng)壁障，壁障重量為1400 kg，壁障撞擊位置為前排座椅的設(shè)計(jì)參考點(diǎn)，依據(jù)法規(guī)，臺(tái)架小車前端為蜂窩鋁結(jié)構(gòu)，蜂窩鋁離地300 mm。

圖3 白車身側(cè)碰模型

側(cè)碰仿真結(jié)果分析

在碰撞模擬分析過(guò)程中，涉及多種積分算法和不同的接觸算法，系統(tǒng)為保證計(jì)算正常進(jìn)行有時(shí)會(huì)自動(dòng)增加某些部件的質(zhì)量，如果該質(zhì)量增加太多則會(huì)導(dǎo)致后期計(jì)算結(jié)果不可信。同時(shí)為節(jié)約計(jì)算時(shí)間計(jì)算中更多時(shí)候采用了非全積分的積分算法，這時(shí)將有可能在計(jì)算中發(fā)生沙漏，導(dǎo)致系統(tǒng)動(dòng)能、內(nèi)能不守恒。白車身側(cè)碰工況下結(jié)構(gòu)質(zhì)量增量圖如圖4所示，圖中可以看出最大質(zhì)量增量為0.89%，遠(yuǎn)小于5%。白車身結(jié)構(gòu)在碰撞過(guò)程中的動(dòng)能、內(nèi)能、沙漏能和總能量曲線如圖5 所示，在碰撞過(guò)程中，滿足能量守恒定律，臺(tái)車系統(tǒng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成臺(tái)車蜂窩鋁及白車身零部件系統(tǒng)的內(nèi)能，沙漏能與滑移能的變化較小。沙漏能占總能量比率遠(yuǎn)小于5%，說(shuō)明模型計(jì)算結(jié)果真實(shí)可信。

圖4 側(cè)碰工況下白車身結(jié)構(gòu)質(zhì)量增量

圖5 碰撞能量曲線圖

材料優(yōu)化側(cè)碰分析

對(duì)B 柱加強(qiáng)板進(jìn)行材料優(yōu)化，傳統(tǒng)材料DP590的B 柱加強(qiáng)板重量為4.397 kg，優(yōu)化PHS2000 后的B 柱加強(qiáng)板重量為3.518 kg，因此B 柱加強(qiáng)板實(shí)現(xiàn)輕量化19.99%。

分別選擇B 柱對(duì)應(yīng)乘客頭部、胸部、腰腹及骨盆位置的點(diǎn)位進(jìn)行考察，在模型中抓取相應(yīng)位置剛性點(diǎn)并選取右側(cè)B 柱加強(qiáng)板對(duì)應(yīng)點(diǎn)位，以考察B 柱加強(qiáng)板侵入量及侵入速度。

對(duì)于汽車碰撞來(lái)說(shuō)，車身變形量的大小反映了車體被損壞的程度與車身的抗碰撞能力。圖6 分別為優(yōu)化前與優(yōu)化后整個(gè)B 柱加強(qiáng)板在側(cè)碰后的形變?cè)茍D，隨著時(shí)間推移B 柱加強(qiáng)板變形越來(lái)越嚴(yán)重。仿真中僅有白車身承受臺(tái)車的力，缺乏車門、防撞梁等結(jié)構(gòu)，因此B 柱加強(qiáng)板變形很嚴(yán)重，但是從圖中依然可以看到，優(yōu)化材料后的白車身B 柱加強(qiáng)板變形量明顯小于原白車身，優(yōu)化效果明顯。

圖6 B 柱加強(qiáng)板形變?cè)茍D：（a）優(yōu)化前；（b）優(yōu)化后

圖7 為B 柱加強(qiáng)板材料優(yōu)化前后頭部入侵量，圖8 為頭部入侵速度曲線。從圖中可以看出頭部入侵量從優(yōu)化前的477 mm 降低至優(yōu)化后的445 mm，降幅為6.7%，入侵速度也有所降低。

圖7 頭部侵入量：（a）優(yōu)化前；（b）優(yōu)化后

圖8 頭部入侵速度：（a）優(yōu)化前；（b）優(yōu)化后

統(tǒng)計(jì)各考察點(diǎn)的入侵速度，整理后的最大侵入量如表2 所示，可以看出相比于原白車身，優(yōu)化B 柱加強(qiáng)板材料后的白車身側(cè)碰性能更好，在碰撞過(guò)程中結(jié)構(gòu)保持更加完好，在側(cè)碰中頭部、胸部、腹部、髖部侵入量分別降低6.7%、10.2%、14.0%、25.6%，材料替換效果良好。

表2 原材料與優(yōu)化材料后B 柱加強(qiáng)板側(cè)碰最大侵入量 mm

結(jié)論

通過(guò)有限元分析方法，對(duì)新車型B 柱加強(qiáng)板材料優(yōu)化前后的碰撞性能進(jìn)行了分析，應(yīng)用熱成形鋼P(yáng)HS2000 替代傳統(tǒng)高強(qiáng)鋼，結(jié)果表明：

1)熱成形鋼替代傳統(tǒng)高強(qiáng)鋼后，B 柱加強(qiáng)板材料優(yōu)化前后頭部入侵量從優(yōu)化前的477 mm 降低至優(yōu)化后的445 mm，降幅為6.7%。

2）側(cè)碰過(guò)程中，頭部、胸部、腹部、髖部侵入量分別降低6.7%、10.2%、14.0%、25.6%。

3）對(duì)B 柱加強(qiáng)板進(jìn)行材料優(yōu)化后，B 柱加強(qiáng)板輕量化19.99%，輕量化的同時(shí)達(dá)到了碰撞性能提升的目的。