新材料与工艺手册

[车身轻量化] 基于可制造性的汽车B柱轻量化设计分析

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发表于 2020-4-7 16:11:02 | 显示全部楼层 |阅读模式

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基于可制造性的汽车B柱轻量化设计分析*
王 涛
(安阳工学院 机械工程学院,河南 安阳 455000)
摘要:针对B柱采用激光拼焊进行轻量化设计的问题,基于B柱的可制造性分析,采用了正交试验法,对B柱拼焊材料选定、焊缝位置设计、拼焊材料厚度等进行了研究。以B柱侧面碰撞安全性分析为基础,以碰撞过程中的最大侵入量和最大侵入速度为评价目标,对原设计方案和新设计方案的安全性进行了对比分析;在满足侧碰五星标准的前提下,将减重最多的方案作为最优的轻量化设计方案;对实际生产B柱的型面公差、最大减薄率、碰撞安全性进行了分析。研究结果表明:焊缝位置距离底端380 mm位置最优;当材料组合为DP800/DP600,厚度为1.8 mm/1.6 mm,B柱质量由4.449 kg降为3.50 kg,减重了21.3%;通过配合调整冲压工艺参数,B柱产品经检测后,型面合格率100%,最大减薄率21.1%,符合要求;侧面碰撞试验表明强度满足要求,且仿真与实验结果基本一致,误差在4%以内,分析结果可靠。
关键词:汽车B柱;轻量化;激光拼焊板;侧面碰撞;可制造性
0 引 言汽车的轻量化设计必须以不损失相关性能为前提。由于强度较高,高强钢材料主要应用于车身结构件和安全件[1]。B柱是汽车侧面最重要的承载结构件,其零件尺寸较大,零件不同部位的承载力具有较大差异,不同材料的激光拼焊很好地满足了这种需求。激光拼焊B柱设计实现了材料、加工工艺、零件性能的统一,既保证了零件的性能不损失,也保证了零件实现轻量化设计[2]。
本文将以汽车B柱为研究对象,在保证可制造性和碰撞安全性满足要求的前提下,采用激光拼焊技术对其进行轻量化设计。
1 B柱可制造性分析B柱是汽车侧面位置重要的承载零件,同时B柱内侧安装有安全带等重要零部件,因此B柱必须具备足够的强度,同时形状必须与汽车侧面曲线保持一致,这就要求B柱所用材料必须具备较高的强度,同时也要有良好的成形性能[3]。
本文将零件模型以IGS格式导入Autoform软件中,在此基础上构建工艺补充面及压料面。由于台阶处拉延深度较深,台阶又分布在产品内侧,进料困难,需要添加工艺补充面,并采用大圆弧过渡,以免拉深时开裂。工艺补充面必须保证切边强度及过渡光顺[4]。笔者在此基础上偏置出压边圈、凸模、凹模,建立有限元模型。
本零件采用异形原料,原设计选用DP600牌号,板料厚度为2.2 mm,长宽方向分别为1 485 mm×650 mm,摩擦系数取0.15,单位压边力为F=500 kN,计算精确度按常规进行计算[5]。通过设置各项参数后提交计算,进行有限元模拟分析,可以得到FLD图、成形性能、变薄率、材料厚度、主次应变等分析结果。
仿真分析获得成形后零件的厚度、减薄率和Z向回弹量分布云图如图1所示。
图1 成形后零件厚度、减薄率和Z向回弹量分布云图
由图1可知:零件成形后网格应变分布接近成形极限曲线FLC,在部分区域有破裂趋势;最大减薄出现在底端侧壁处,最大减薄率为19.6%;Z向回弹量最大最小值分别为2.48和-2.45。
笔者以成形极限图FLD作为判断成形发生破裂的标准,并以最大减薄率判断成形性能的好坏,最大减薄率越小则成形性能越好。
2 轻量化方案设计2.1 拼焊线初始位置设计考虑侧面碰撞侵入量和侵入速度对乘员的伤害影响,并参照乘员在车内的位置[6],需要在B柱零件上部使用较高强度材料。零件下部门槛位置需使用较低强度材料,在侧面碰撞中起到吸能作用,对上部碰撞产生缓冲[7-8]。
焊缝设计如图2所示。
图2 焊缝位置设计
由图2可知:在保证乘员头部胸部安全的前提下,需要使B柱上部具有高强度和刚度,焊缝须布置在乘员腰部以下,即距离底端540 mm以下;B柱底部宽,并且有较大的凸台设计,焊缝须避让此凸台,布置在距离底部380 mm以上;初始焊缝位置选取蓝距离B柱底端460 mm处。
2.2 拼焊材料选定原材料为DP600,在轻量化设计中,B柱上部(A区)需要使用高强度级别的3种材料:DP600、DP800、DP1000,厚度选定1.6 mm、1.8 mm、2.0 mm;B柱下部(B区)使用稍低强度级别的材料:DP500、DP600、DP800,厚度选定1.4 mm、1.6 mm、1.8 mm。
以四因素三水平设计正交试验,得到的零件拼焊材料正交试验方案如表1所示。
表1 拼焊材料正交试验方案
本研究按照表1试验设计参数,设置拼焊材料进行仿真建模,分别进行计算。
经过计算分析,各方案可制造性分析结果如表2所示。
表2 各方案可制造性分析结果
由表2分析结果对比可知:在9个试验中,试验1、2、4成形后没有发生破裂,属于拼焊有效数据,其他均发生破裂,属于无效数据;试验7、8、9中,B柱零件上部选取DP1000时,成形均发生破裂;试验4、5、6中,零件上部选取DP800时,只有在下部选取DP500(试验4),并且拼焊材料无差厚时才可以成功完成冲压。当上部使用DP800、下部使用DP600时(试验5),差厚达到了0.6 mm,不能成形此零件,且开裂部位在焊缝位置;试验1、2、3中,上部使用DP500时,下部使用DP500和DP600都能成形该零件,下部使用DP800时,不能成形。
由此可知:零件上部可以使用DP800,下部可以使用DP600,差厚要小于0.6 mm。
2.3 焊缝位置确定本研究以试验4为基础,找出焊缝的最佳位置。前文提到焊缝选取位置区域较宽,中心线为距离B柱底端为460 mm。在可选取的范围内每隔40 mm选取5条拼焊线,分别为距离底部540 mm、500 mm、460 mm、4 200 mm、380 mm。随拼焊线向底部移动,危险区域的最大减薄率并不是线性增减,而是在距离380 mm拼焊线位置出现最小值22.1%。
危险区域最大减薄率η与距离底部距离d之间的关系如图3所示。
图3 危险区域最大减薄率与距离底部距离的关系
由图3可知:在可选取范围内,将焊缝位置确定为距离底端380 mm的位置。
2.4 拼焊材料厚度确定从表2数据可以知道,零件上部选取DP800时,只有在下部选取DP500(试验4),并且拼焊材料无差厚时才可以成功完成冲压。当上部使用DP800、下部使用DP600时(试验5),差厚达到了0.6 mm,不能成形此零件,且开裂部位在焊缝位置。
在差厚小于0.6 mm的前提下,对试验5进行细致的拼焊材料厚度设计如表3所示。
表3 拼焊材料厚度设计
由表3可知:基于上部为DP800、下部为DP600拼焊材料时,当拼焊材料厚度差在0.2 mm、0.4 mm时均可以成形。
3 汽车B柱侧面碰撞安全性分析3.1 侧面碰撞仿真模型以某轿车为研究对象,按照法规要求,基于VPG建立侧面碰撞模型[9-10],B柱原始设计材料为DP600,厚度为2.2 mm,碰撞仿真时间设定为150 ms。
3.2 侧面碰撞B柱变形分析本研究采用模型进行分析,获得侧面整车碰撞中能量变化曲线如图4所示。
图4 侧面整车碰撞能量变化曲线
由图4可知:整个过程中能量变化平稳,碰撞前后系统的总能量保持平衡。沙漏能的最大值为4.11 kJ,而整个碰撞过程中的总能量大约为91.5 kJ,车体通过碰撞变形吸收50.23 kJ,动能下降至54.34 kJ,沙漏能最大值约占总能量的4.49%,符合5%的要求,可见仿真结果是可靠的。
3.3 侧面碰撞B柱侵入速度及侵入量分析(1)侧面碰撞性能指标。根据C-NCAP整车侧面碰撞变形测试分析方法[11-12],在B柱对应位置选取测量点,如图5所示。
图5 B柱侧面碰撞测点选取
(2)侧面碰撞B柱性能。以材料为DP600,厚度为2.2 mm,对B柱进行侧碰仿真分析。
选取C-NCAP 侧面碰撞工况,碰撞速度为50 km/h,B柱侧碰结果性能如表4所示。
表4 B柱侧碰结果性能
由表4可知:基于原始设计材料及厚度的B柱侧碰性能都满足目标要求;从数值上看,在保证侧碰安全性的基础上,B柱还有优化空间。
4 B柱轻量化方案侧碰安全性分析4.1 B柱轻量化设计方案根据B柱可制造性分析结果可知:B柱采用激光拼焊板结构可以将高强钢DP800应用到该结构上,并且在保证成形性能的基础上,厚度也可以降低,实现车身零部件的轻量化设计。根据B柱成形分析结果,拼焊板结构B柱上部材料A区用DP800,下部材料B区采用DP600,并且由于要保证人的头部和胸部等关键位置,上部材料A区还需要一定的刚度和安全性,厚度应该不小于下部材料B区的厚度。
因此,B柱优化设计方案如表5所示。
表5 B柱优化设计方案
4.2 B柱轻量化方案安全性分析本研究将6种优化方案分别进行侧面碰撞分析,可得到B柱各测点的侧碰侵入量和侵入速度性能指标,分别如表(6~7)所示。
表6 B柱侵入量性能指标对比
表7 B柱侵入速度性能指标对比
各方案减重效果及侧碰安全性评级结果如表8所示。
表8 各方案减重效果及侧碰安全性评级结果
由表(6~8)中数据对比可知:方案5在保证侧碰性能达到5星的前提下,B柱厚度可以减小的值最大;方案6的侧碰结果不理想,侵入量和侵入速度都超出了设计目标值。
因此,该B柱选择拼焊板结构,上部材料为DP800,厚度为1.8 mm,下部材料为DP600,厚度为1.6 mm。
4.3 B柱轻量化效果分析经过优化,汽车B柱的质量从4.449 kg减小到3.50 kg,减重21.3%。可见在汽车B柱上采用激光拼焊技术,能够提高B柱在侧面碰撞中的安全性能,减轻B柱的质量,有效平衡耐撞性和轻量化的双重要求。
5 B柱轻量化方案实施效果检测该车型B柱从设计到试模,再到最后批量生产经历了1.5年的时间;并且根据可制造性分析和安全性分析数据进行了模具设计,在实际生产过程中很少出现冲压开裂的情况。
5.1 型面公差试模过程中,根据可制造性分析结果,实时调整冲压工艺参数(压边力、模具间隙、涂油量等)[13],在检具上对零件的型面公差进行检测,测点选取如图6所示。
图6 检测点选取
B柱检具检测结果如表9所示。
表9 B柱检具检测结果
5.2 最大减薄率对试生产的B柱进行厚度测量,B柱零件的最大减薄率如表10所示。
表10 B柱最大减薄率
由表(9~10)可知:通过调整冲压工艺参数,B柱产品经检测后,型面合格率100%,最大减薄率21.1%,符合主机厂设计要求。
5.3 侧碰安全性分析本研究将试生产后的零件进行装车,利用汽车碰撞台架,根据C-NCAP测试标准[14-18],对侧碰安全性进行分析,选取与仿真过程相同的检测点,获取最大侵入量和侵入速度值。仿真与试验测试结果的最大侵入量和侵入速度对比,如表11所示。
表11 最大侵入量和侵入速度对比
由表11可知:试验测试结果满足设计目标,满足五星的标准;并且试验值和仿真值基本一致,最大误差控制在4%以内,满足碰撞法规要求,表明分析结果是可靠的。
6 结束语本文以汽车B柱为研究对象,在保证可制造性和碰撞安全性满足要求的前提下,对其进行了轻量化设计,主要结果如下:
(1)将材料优化为拼焊板材料,针对拼焊材料、焊缝位置以及厚度,对零件优化设计,结果表明:上部材料可以选用DP800牌号,下部可以选用DP600牌号,厚度差须在0.4 mm以内;
(2)通过不同焊缝位置对成形性能影响的仿真模拟,确定焊缝位置距离底端380 mm处最优;
(3)在B柱在侧面碰撞中,以侵入量和侵入速度为评价目标,最终确定材料组合为DP800/DP600,厚度为1.8 mm/1.6 mm,质量减重21.3%;
(4)B柱试生产后的产品型面合格率100%,最大减薄率21.1%,符合主机厂设计要求;
(5)侧面碰撞测试结果满足五星的标准;仿真与实验结果基本一致,误差在4%以内,分析模型和结果可靠。

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