新材料与工艺手册

[车身轻量化] 基于汽车侧面碰撞安全性B柱结构优化设计

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发表于 2020-5-22 10:11:15 | 显示全部楼层 |阅读模式

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【汽车轻量化在线】基于汽车侧面碰撞安全性B柱结构优化设计
彭宇玲1,郭献洲2(1.广州科技职业技术学院,广东 广州 510550;2.河北工业大学,天津 300401)
摘 要:侧面碰撞是重要的汽车安全性评价指标,在汽车发生侧面碰撞时,B柱结构起到重要的缓冲吸能和保护乘员的功能。基于碰撞法规,对汽车侧面碰撞进行分析,采取补丁板结构对B柱进行优化设计。根据侧面碰撞工况特点,建立B柱、安装支架、台车等组成的碰撞模型,对比不同速度下B柱各测点的侵入量、侵入速度和变形量的变化;基于分析结果,对补丁板结构进行设计;对比分析优化前后各参数的变化;将设计方案应用于某车型的优化设计,并进行试验验证。结果可知:在B柱碰撞变形关键区域增加补丁板进行局部强化,B柱其它区域不做强化处理的方法实现轻量化设计;采用补丁板结构的B柱设计可在降低侧面碰撞侵入量的同时实现B柱轻量化效果,较原设计重量减轻29.2%,各位置测量点的侵入量最高减少18.6%(D4位置);将该补丁板结构应用于某车型改进设计,仿真计算与试验侵入量相对偏差小于5%,改进B柱结构后的轿车碰撞仿真模型也较为准确,侧面碰撞试验中改进后的被试品轿车各项乘员安全评价指标全部达到法规要求;对比结果表明设计方法的准确性,为同类设计提供重要参考。
关键词:汽车;侧面碰撞;B柱;补丁板;结构;模型;安全性
1 引言

B柱是汽车重要的安全结构件之一,在汽车发生侧面碰撞中起到重要的吸能和保护乘员的作用。实际设计中B柱需满足车辆强度和刚度的要求,必须采用屈服强度很高的材料,进而增加了制作工艺难度,使得零件在成型时质量控制困难[1];同时兼顾车辆燃油经济性,B柱结构在满足汽车安全性能要求下还需进行轻量化设计考虑;因此汽车B柱的设计、研制是汽车车身设计和制造领域的一大难点。既要满足安全要求,同时也要满足轻量化的要求。增加补丁板是一种重要的B柱结构设计方案,对此进行研究具有重要的应用价值。

国内外学者对此进行了一定的研究:文献[2]采用碰撞试验的方法,对不同冲击速度下B柱的最大侵入量进行分析;文献[3]采用正交试验的方法,对B柱的材料、厚度、冲击速度等影响因素进行对比分析;文献[4]采用有限元仿真建模的方法,对B柱进行激光拼焊设计,对比不同拼焊材料的安全性能;文献[5]基于侧面碰撞仿真分析结果,从材料角度出发对B柱进行轻量化设计。

基于侧面碰撞分析结果,对B柱进行补丁板结构优化设计;基于有限元软件建立B柱、安装支架、台车等组成的碰撞模型,对比分析不同冲击速度下B柱的侵入量、侵入速度和变形量的变化;根据分析结果,提出B柱补丁板结构设计方案,对比优化设计前后B柱侧面碰撞中的侵入量、侵入速度的变化;满足安全性要求的同时,实现轻量化设计;将此设计方案应用于某款侧面碰撞不合要求的车型设计,对比试验与仿真之间的误差,以此检验设计过程的准确性。

2 B柱侧面碰撞分析2.1 汽车B柱结构

汽车B柱位于前门和后门之间,是重要的承力构件,不仅要保证前车门在承受外界一定冲击下能够打开,还要作为前车门锁扣、后车门铰链及前排安全带卷收器和高度调节器的安装固定部位,必须具有较高的机械强度和刚度和一定的空间[6]。B柱的整体形状一般呈曲面状态,且与车身外形保持一致。B柱零件的结构特点具有成形深度较大、零件截面变化较复杂、成形件上部或下部高度存在较大起伏、零件的圆角半径较小的特点[7],B柱三维数模,如图1所示。从图中可见,B柱两端具有一定深度的安装台阶,中间凸台形状起伏变化剧烈,存在大量半径较小的圆角过渡。

图1 B柱三维结构
Fig.1 Three-Dimensional Structure of B Column

B柱作为汽车侧面碰撞的重要安全部件,合理的材料选用、结构设计、侵入量和侵入速度控制能有效减小汽车侧面碰撞中的乘员伤害,通过优化B柱结构强度使汽车侧围结构件达到合理的变形模式和侵入速度、侵入量,提高汽车侧面碰撞安全性能具有至关重要的意义[8]。

2.2 B柱侧面碰撞仿真模型

在B柱侧面碰撞仿真中,台车和蜂窝铝均使用LSTC公司已经设置好的模型材料参数;安装B柱的试验台架设置为刚体并固定在刚性墙壁面;B柱材料为DP780,厚度为1.3mm,采用碰撞初始速度为40km/h、50km/h和60km/h三种工况。以研究B柱厚度和撞击速度对于汽车B柱结构侧面耐撞性的影响。在Hypermesh软件中采用3mm的网格尺寸对B柱和试验台架进行手工网格划分,台车采用模型自带的已划分网格。B柱侧面碰撞仿真模型整体共划分网格910259个,在给台车施加初始碰撞速度后生成LS-DYNA软件仿真用的K文件,完成B柱侧面碰撞仿真模型建立。

2.3 B柱侧面碰撞仿真结果分析

根据所制定的仿真试验方案,进行碰撞仿真,在B柱表面由下向上均匀选取5个位置作为测量点,如图1所示。进行侧面碰撞侵入量和侵入速度的观察。各种侧面碰撞工况下的B柱5个测量点侵入量,如图2所示。侵入速度,如图3所示。侧面碰撞仿真时间长度设置为50ms。


图2 不同碰撞速度各测量点侵入量
Fig.2 Intrusion of Each Measurement Point at Different Collision Speed

由图可以看到,B柱在汽车侧面碰撞中各测量点侵入量变化形式大体一致,各测量点侵入量均按照D2、D3、D4、D1和D5的顺序由大到小排列,各测量点侵入车内过程按照D1至D5的先后顺序排列;B柱D4和D5位置的测量点在碰撞过程中具有先向车外凸起,再侵入车内的运动过程,D1、D2和D3位置的各测量点在碰撞过程中则直接侵入车内;B柱随碰撞初始速度增加,D1至D5位置各测量点侵入量均呈增加趋势。


图3 不同碰撞速度各测量点侵入速度
Fig.3 Intrusion Speed of Each Measurement Point at Different Collision Speed

由图可以看到,B柱在汽车侧面碰撞中各测量点侵入速度变化形式大体一致,各测量点侵入速度首个峰值大体按照D3、D4、D2、D1和D5的顺序由大到小排列,各测量点在车内产生侵入速度的先后也按照D1至D5的顺序排列;B柱随碰撞初始速度增加,D1至D5位置各测量点侵入速度峰值均呈增加趋势。

B柱在侧面碰撞仿真中,整体侵入量变化云图,如图4所示。可以看到B柱的变形方式大体一致。根据上述仿真结果,B柱D2位置测量点的侵入量最大,D3位置测量点的侵入速度最大,D5位置测量点的侵入量和侵入速度均最小。

图4 B柱侵入量云图
Fig.4 B Column Intrusion Volume Map

3 B柱补丁板结构设计3.1 B柱结构设计

根据B柱侧面碰撞仿真结果,采用在B柱碰撞变形关键区域增加补丁板进行局部强化,B柱其它区域不做强化处理的方法实现轻量化设计[10];根据侧面碰撞分析结果,D2位置测量点的邻接区域为碰撞变形的关键区域,变形量较大;在D2邻接区域增加补丁板进行局部强化;D2以下区域由于门槛梁的作用不需单独增加补丁板;D4位置以上区域在碰撞中基本不发生变形,补丁板应设置在此位置以下区域;同时,补丁板应该避开D2位置的安装孔;B柱外板采用1.2mm厚度DP780,补丁板区域增加1.0mm厚度的DP780补丁板,与B柱外板焊接在一起,取消B柱加强板,其它区域结构保持不变,如图5所示。

图5 增加补丁板B柱模型
Fig.5 Add Patch Board B-Pillar Model

3.2 B柱侧面碰撞仿真分析

对增加补丁板的B柱进行碰撞仿真分析,在B柱表面由下向上均匀选取5个位置作为测量点,如图6所示。进行侧面碰撞侵入量的观察。补丁结构中。D1、D5分布在主体部分上,D2、D3、D4分布在补丁区域附近,侧面碰撞仿真时间长度设置为150ms。由图可以看到,不同速度的B柱在汽车侧面碰撞中各测量点侵入量变化趋势相似,取B柱最上顶点作为参考点,测量B柱各测点的相对位移。各测量点侵入量均按照D1、D2、D3、D4和D5的顺序由大到小排列,各测量点侵入车内过程按照D1至D5的先后顺序排列。不同结构不同速度侵入量最大值对比,如表1所示。通过对表1的6组不同工况B柱进行侧面碰撞仿真侵入量最大值比较,获得了侧面碰撞中优化结构对于B柱性能影响的规律,为B柱结构设计提供了研究基础和设计依据。

图6 B柱侧面碰撞测量点
Fig.6 B-Column Side Impact Measurement Point

图7 不同速度侵入量变化
Fig.7 Different Speed Intrusion Change

表1 不同速度侵入量最大值对比
Tab.1 Comparison of Maximum Speed Intrusion

由表中侵入量最大值可以看出,在不同速度下,补丁板设计在减小B柱侵入量上相比原设计略强,最大减小量发生在40km/h的测点4附近,侵入量减小约为25%。随着速度的增加侵入量减小比率有所减小。同一速度下,侵入量比率按照 D4、D1、D5、D3、D2的顺序依次减小,原设计中弯折发生在D1(对应门槛)、D4(对应胸部)两点附近,通过结构优化后的补丁板结构中弯折发生在D2和D4所在的主体结构附近,对应人体H点和胸部,通过测量B柱变形情况,考虑对人体的危害程度。由此可以看出,改进后的补丁板结构,对人体胸部的伤害可以得到有效的降低。

表2 两种B柱结构轻量化设计参数
Tab.2 Lightweight Design Parameters for Two B-Pillar Structure

根据对碰撞初始速度50km/h的增加补丁板方案和原方案B柱碰撞仿真试验结果进行分析,可以看到采用补丁板结构的B柱较原设计的B柱重量减轻29.2%,各位置测量点的侵入量最高减少18.6%(D4位置)。因此,采用补丁板结构的B柱设计是一种较好的B柱结构方式,可在满足结构耐撞性的要求下实现轻量化设计需求。

4 应用实例

某型轿车在侧面碰撞安全性试验中,乘员安全评价指标假人胸部位置存在不达标的情况。针对这一问题,首先通过逆向测绘建立了被试品轿车的三维数模并设置各部件属性、连接关系等关键参数,如图8所示;然后进行轿车模型侧面碰撞仿真计算,将仿真结果与试验结果进行比对以验证模型的准确性。B柱表面选择3个位置作为试验与仿真结果的变形量测量点,碰撞初始速度50km/h下的试验与仿真结果对比,如表3所示。

图8 侧面碰撞仿真模型
Fig.8 Side Collision Simulation Model

表3 试验与仿真侵入量对比
Tab.3 Comparison of Test and Simulation Intrusion

由表可知,仿真计算中B柱位置的车辆变形情况与试验结果较为一致,仿真计算与试验侵入量相对偏差小于5%,所建立的碰撞仿真模型较为准确,可用于该型轿车的侧面碰撞安全性研究。

由于该型轿车的假人胸部位置变形指数、粘性指标不合格,所以改进工作主要集中在降低假人胸部伤害指标,而与该指标存在直接关系的是假人胸部位置对应车体侧面结构的侵入速度,而该侵入速度主要受到车辆B柱在假人胸部对应位置的侵入量和侵入速度二者影响。因此,对于车辆B柱结构的改进工作围绕增强B柱整体结构强度、降低侵入量和侵入速度,保证B柱在假人胸部位置的侵入量和侵入速度符合法规,并最终保证车内假人的空间几项内容展开。

原B柱采用整体式结构,厚度2mm,材料为HC340LA;经过多轮仿真测试后,确定B柱最终结构在保持原有B柱材料和厚度条件下,在B柱中间位置通过焊点连接增加两层厚度2mm、材料为HC340LA的补丁板提高结构强度;并在原有B柱发生褶皱位置设置缺陷区用于引导B柱变形方式,改进后B柱最终结构,如图9所示。

图9 侧面碰撞仿真B柱变形
Fig.9 Side Impact Simulation B-Pillar Deformation Comparison

采用改进B柱结构后的轿车在碰撞初始速度50km/h下的试验与仿真结果对比,如表4所示。

表4 改进后试验与仿真结果对比
Tab.4 Comparison of Improved Test and Simulation Result

由表可知,仿真计算与试验侵入量相对偏差小于5%,改进B柱结构后的轿车碰撞仿真模型也较为准确;侧面碰撞试验中改进后的被试品轿车各项乘员安全评价指标全部达到法规要求,原先假人胸部位置存在的变形指数、粘性指标不合格情况已经改善,胸部变形指数较法规要求减少26%,粘性指标较法规要求减少42%。对于该型轿车B柱结构的优化改进效果较为理想,提升了车辆在侧面碰撞中的乘员安全防护能力。

5 结论

基于侧面碰撞安全对B柱进行加强板结构设计分析,并对优化设计后的安全性和轻量化效果进行分析结果可知:

(1)根据侧面碰撞结果,在B柱碰撞变形关键区域增加补丁板进行局部强化,B柱其它区域不做强化处理的方法实现轻量化设计;

(2)采用补丁板结构的B柱设计可在降低侧面碰撞侵入量的同时实现B柱轻量化效果,较原设计重量减轻29.2%,各位置测量点的侵入量最高减少18.6%(D4位置);

(3)将该补丁板结构应用于某车型改进设计,仿真计算与试验侵入量相对偏差小于5%,改进B柱结构后的轿车碰撞仿真模型也较为准确;侧面碰撞试验中改进后的被试品轿车各项乘员安全评价指标全部达到法规要求,原先假人胸部位置存在的变形指数、粘性指标不合格情况已经改善,胸部变形指数较法规要求减少26%,粘性指标较法规要求减少42%。



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