1、热成形 B 柱结构研究与优化摘 要：热成形材料因其可以利用单件热成形零件取代多层焊接结构，在汽车车身制造中应用越来越广泛。热成形零件的断面结构，是其能否达到高强度与轻量化两方面要求的关键。基于热成形 B 柱不同截面结构的有限元仿真，研究了各截面尺寸参数对其性能的影响，对相关规律数据进行归纳与总结，给出了一种乘用车热成形 B 柱截面结构设计方案，并验证了其合理性。 关键词：热成形 B 柱；截面；结构设计；有限元仿真 中图分类号：TH122 文献标文献标识码：A 文献标DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2016.02.09 随着汽车产业的高速发展，乘用车辆的安全性和碰撞标准
2、也越来越严格。传统钢材已无法同时满足高强度与轻量化的要求，导致各种新材料的运用渐渐成为常态。使用热成形材料之后，便可利用单件热成形零件取代之前的多层焊接结构。由于结构形式的改变，对热成形零件的设计提出了更高的要求，尤其是热成形零件断面结构，往往决定着零件是否能够达到轻量化与高强度两方面的要求。本文对热成形零件断面结构进行 CAE 试验模拟，阐述了不同结构的性能，并对其规律进行归纳总结，最终对 B 柱的碰撞变形模式进行改进，优化其碰撞形变量。 1 乘用车 B 柱简介 1.1 乘用车侧碰中 B 柱的作用 在车辆发生侧面碰撞时，由碰撞产生的强大动能，通过车身侧面结构进行合理的吸收和传递。经过对碰撞力
3、的分散和动能的减弱吸收，可以有效地保证车身乘员的生存空间，减少对车内乘员的伤害。碰撞时侧撞力的传递路径如图 1 所示1。 侧撞动能传递路径主要有两条。 （1）侧撞力由 B 柱向上传递至侧围内侧和车顶边梁，再通过车顶的横梁传递至车身非碰撞区一侧，同时沿 A 柱及侧围传递至车身前部及后部。 （2）侧撞力由 B 柱向下传递至地板门槛梁，然后通过地板横梁传递至车身非碰撞区一侧，同时沿地板门槛梁传递至车身前舱及后舱。 由此可见，车辆 B 柱在车辆发生侧碰的过程中，对于保护乘员并且连接车身其它结构件起着至关重要的作用2。 1.2 乘用车传统 B 柱与热冲压 B 柱结构对比分析 由于乘用车 B 柱在车辆侧碰
4、过程中的作用明显，所以对其结构和强度的要求较高。传统的车辆 B 柱由于材料特性的限制所以结构复杂，如图 2 所示。 传统的车辆 B 柱，需要由 B 柱内板、加强版上、下，以及 B 柱外板组合而成，零件数量较多、重量大，开发前期设备和模具投入较大，并且由于工序复杂导致产品加工难度大，产品稳定性下降。 利用热成形材料，可以将传统冷冲压材料焊接而成的 B 柱零件数量降至两个，较之前 6 个零件大幅减少。有数据表明，相同车型使用热成形零件后，同样的零件单套重量可以减少 45%3，如图 3 所示。 在使用热成形零件后，乘用车 B 柱单套零件数量大幅下降，抗冲击性能可以达到甚至超过传统材料的冷冲压多层焊接
5、组合结构 B 柱，并有重量轻、模具开发费用低和生产工序成本下降等优点。 2 B 柱仿真建模 2.1 仿真建模 汽车侧面碰撞的乘员保护法规4是我国侧撞法规的强制要求。碰撞物使用了移动变形障壁，以 50 km/h 的速度与整车模型侧面相撞，如图 4 所示。整车有限元模型的真实性经过了试验验证5。 但由于本试验仅是对热成形 B 柱影响因素进行分析，如果采用整车分析的方法，可能会增加试验变量，加大试验误差积累。所以本试验采用碰撞简化模型对 B 柱截面规律进行探究6。 与 B 柱简化模型发生碰撞的为圆形柱7，圆形柱本身为刚性材质，不发生变形。为了减少计算工作量，同时在不影响计算结果的前提下，取半圆进行建
6、模，半圆柱截面直径为 130 mm，半圆柱高为 120 mm。模型如图 5 所示。 热成形 B 柱由于其在车辆碰撞中的重要作用，需要达到耐冲击、吸能、形变量小于规范值等一系列要求。为设计出满足要求的热成形 B 柱，需要对热成形 B 柱截面进行研究8，如图 6 所示。 根据 B 柱截面形式将 B 柱截面两端延长。钢柱的质量为 30 kg，同时给予碰撞物 11 m/s 的初速度，将其碰撞 B 柱截面模型并进行同等比较9，以此探究截面对结构的影响，如图 7 所示。 2.2 模型验证 沙漏能的大小与总内能大小的比值是检验模型的一个重要指标。模型的沙漏能对比系统的总内能10，如果能控制在 10%以下即为
7、合理，如果控制在 5%以下，模型将是非常准确的。模型的沙漏能示意图如图 8 所示。沙漏能的最大值没有超过 33 J，与系统的总内能之比只有 1.4%，说明模型是非常准确的。 2.3 B 柱截面结构设计研究 根据 B 柱的现有结构与生产的可实现性，本节将 B 柱截面结构设计分成三种方案进行对比分析，具体方案见表 1。 上述三种方案在现实生产中都易于实现，同时，三种方案的设计都是基于原 B 柱截面结构进行的较小范围修改，并没有选用无法加工和无法应用的造型改变，更能保证各个模拟方案仿真结果的易用性。通过三种方案的对比，在后期进行比较筛选可以得到可行的、较理想的 B 柱设计方法。 2.4 方案对比 2
8、.4.1 方案 A：截面倒角调整 通过能量吸收对比图可以明显看出，随着倒角半径从 R5 开始逐步增加，热成形件吸收的能量也在逐步增加。倒角半径增加到 R20，吸收的能量较 R5 增加 5.2%，但最大形变量从最早 R5 的 11.1 mm 增加至 R20 的15.6 mm，形变量增加值达到 40%。考虑到热成形冲压工艺、抗冲击性，以及热成形零件易开裂的特性11，所以热成形 B 柱截面倒角选用 R5。 2.4.2 方案 B ：斜边角度变化 在碰撞形变记录表中可以看出随着倒角从 90增加至 100，最大形变量增加了 0.7 mm，从 100增加至 105，形变量减少了 1.4 mm，简化模型的吸能
9、水平也随之下降。由于 B 柱表面需要安装铰链加强件12，表面需要预留一定空间，所以斜边倒角不能继续增加。在以上试验中可以看出选用 105的斜边角度是较为理想的，这也是目前主流的热成形 B柱倒角角度。 2.4.3 方案 C ：顶部宽度调整 通过模型形变图可以明显看出随着顶边宽度从 5 mm 提升至 20 mm，模型形变也从 6.2 mm 提升至 10.1 mm。同样动能的撞击力下，形变增幅达到 62%。可以看出 B 柱截面顶端变宽对热成形零件形变造成了较大的影响，而吸能变化却相对较小，所以在设计热成形 B 柱时可根据不同区域的不同需求，合理选择截面顶端宽度，由此达到抗变形，或者吸收能量引导溃缩的
10、效果。 3 热成形 B 柱优化设计 3.1 B 柱优化设计过程 在车辆侧面发生碰撞时，热成形 B 柱的变形模式、侵入量、侵入形态是影响乘员安全的主要因素。人体在碰撞中受伤害的部位按照损害严重程度依次为：头部、颈部、胸部、腹部、脊椎、臀部，所以在侧面撞击中应以人体胸部以上部位作为保护重点13。汽车 B 柱是侧面撞击中的主要承力、受力部件，且 B 柱中上部结构的侵入变形模式对乘员的胸部以上部位起着决定性的保护作用。因此，B 柱的侵入变形模式及最大变形量对整个车辆侧面碰撞安全起着决定性作用14。由图 18 可以明显看出在侧面碰撞发生后热成形 B 柱上部发生折断形变，会使 B 柱上部变形幅度大幅增加，
11、造成乘员头部及胸部的巨大伤害。需要对 B 柱结构及截面进行结构优化，以改善 B 柱的形变模式，减少头部及整体侵入量。 根据热成形 B 柱溃缩变形模式的合格要求以及前面三种方案的解析，进行 B 柱的优化设计，如图 19 所示。 （1）采用减少上部顶边宽度，增加上部斜边角度的方法来增强 B 柱上部的刚度，减少上部的变形位移。（2）对中下部进行改进，以提高其吸能能力，引导碰撞能的合理吸收。（3）增加中部的宽度，并且增加中部倒角半径。对 B 柱的变形模式进行优化。由于上部刚度的增加，上部的变形位移减少，可以对中下部的位移积累起到限制作用。 3.2 优化结果对比 将优化后的 B 柱进行仿真碰撞模拟。与原
12、结构相比，可以明显看出各区位移曲线均有不同程度减小，其中上部测点最大值减小 34%，并且未发生明显折断现象，如图 23 所示，大幅减少了侧碰时对乘员头部及胸部伤害的概率。优化后的 B 柱，由于其上部形变位移明显减小，B 柱中下部虽然进行弱化处理，但积累到下部的形变量还是会减少，即中下部变形位移也有一定程度的改善。这就使热成形 B 柱的变形模式发生了根本性变化，最大位移处转移到对人体创伤最小的臀部及以下，达到优化目标。4 结论 本文系统研究了不同截面对于 B 柱整体性能的影响，并根据试验结果，对 B 柱截面各项关键参数进行分析，利用关键参数对热成形 B 柱的不同区域分别进行了优化设计。结果表明，
13、优化后的 B 柱可以有效地减少在碰撞时的整体形变和位移，降低了实际碰撞中乘员的损伤可能性，为 B 柱的结构设计优化提供了一种新的思路。 参考文献（References）： 陆匠心，王利.高强度汽车钢板的生产与使用J.世界汽车，2004（2）：45-49. Lu Jiangxin，Wang Li. The Production and Use of High Strength Steel for Automobiles J. world auto，2004（2）：45-49.（in Chinese） 侯飞.轿车侧面碰撞新车评价程序及提高轿车侧面碰撞性能的措施J.汽车工程，2000，22（6）：4
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