新材料与工艺手册

[车身轻量化] 基于侧碰耐撞性的B柱轻量化设计

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发表于 2021-4-15 11:36:59 | 显示全部楼层 |阅读模式

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基于侧碰耐撞性的B柱轻量化设计

夏 丁,邸曙升,潘 林,赵志新,陆劲昆,张 建,吴昌生
(东风汽车有限公司东风日产乘用车公司技术中心,广州 510800)
[摘要] 研究了薄壁梁三点弯曲工况压溃力与材料强度和板厚的关系,并提出了一种B 柱轻量化设计方法。对于B 柱下端,侧撞时发生压溃折弯,可近似等效为三点弯曲工况,且用高延性高强钢代替普通的强度较低的高强钢,进行B 柱下端的轻量化设计。至于B 柱上端,因其侧撞时主要发生刚性转动,可等效为静力学问题,施加侧撞等效静载力,将B 柱上端划分成N 段,利用Optstruct 软件对各段板厚进行优化。最后以某车型为例,将B 柱上、下端优化方案导入整车侧撞模型中进行优化。结果表明优化后B 柱关键部位的侵入速度和侵入量与原始设计几乎相当,证明该轻量化设计是有效的,优化实现了24%(1.9 kg)的轻量化效果,而其耐撞性不受影响。
关键词:B柱;侧撞;轻量化设计;三点弯曲;尺寸优化
前言

如何在满足汽车安全性能的前提下实现汽车的轻量化设计,是汽车行业一直重点关注的问题[1]。B柱作为汽车侧面碰撞的主要受力吸能部件,其性能设计在汽车侧面耐撞性研究中至关重要。

B 柱侵入速度、侵入量以及变形模式是影响乘员损伤的关键因素[2]。侧碰时B 柱常见的变形模式为 A、B、C 型 3 种形式,如图 1 所示。当最大侵入量的点位于B 柱骨盆下端、B 柱根部向内弯曲产生“钟摆式”变形时,假人胸部、腹部和骨盆的损伤相比其他变形模式整体较小[3]。

图1 3种变形模式及其与假人部位的对应

为达成图1中C型变形模式,常见的B柱设计方法为将B 柱做成上下拼焊,B 柱上部使用较高强度材料,B 柱下部使用低强度材料压溃吸能。在保证乘员头部和胸部安全前提下,焊缝位置一般布置在乘员腰部以下[4],如图2所示。

图2 B柱分段式结构设计

针对侧碰B 柱简化模型和优化工作,国内学者做了大量研究。莫易敏等[5]将目标车型B 柱简化为带有加强板的单帽梁,将B 柱与简化后单帽梁在三点弯曲对比,变化趋势一致。常建娥等[6]选取B 柱关键截面,将B 柱简化成截面为矩形的单帽形薄壁梁结构,以外板截面长宽比和厚度为设计变量,基于三点弯曲试验根据多目标优化算法进行优化设计。然而上述优化都是针对B 柱某一断面进行的,没有覆盖到整个B 柱,且针对B 柱的压溃力与材料强度和板厚的关系也没有研究。

针对以上问题,本文中首先研究了三点弯曲工况压溃力与材料强度和板厚的关系,然后提出B 柱整段的一个轻量化设计思路,并在某车型上导入验证。

1 三点弯曲压溃力与材料强度和板厚的关系研究

薄壁梁三点弯曲CAE 模型如图3所示。将薄壁梁放在跨距820 mm 的支撑辊上,刚性冲头(直径80 mm)以v=2.5 m/s的恒定速度垂直下落,加载距离为150 mm。

图3 薄壁梁三点弯曲简易CAE模型

为更好更方便地研究薄壁梁的抗弯性能,一般用平均压溃力Fmean来衡量。Fmean表示加载力在整个压溃过程中的平均值,即


式中为整个压溃过程中薄壁梁所吸收的能量;S为压溃位移。

1.1 压溃力与板厚关系

保持薄壁梁材料强度DP590 不变,只改变薄壁梁板厚,一般薄壁梁板厚介于1.0~2.0 mm 之间,本文中选取薄壁梁板厚 t 为 1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2.0 mm,研究其平均压溃力与板厚的关系。

利用幂函数对各板厚的压溃力进行非线性逼近,得到


式中:A为与截面和材料强度相关的系数;t为板厚。

拟合模型的拟合精度通常用决定系数R2 来评价,R2 越接近1,回归数学模型与原模型之间的误差越小,拟合精度越高。


式中:R2 为决定系数;Yi为第 i个观察的响应值;为第i个拟合响应值为响应平均值。

图4为各个板厚下平均压溃力的CAE 值和拟合曲线的对比。由图4 可见,CAE 值与拟合曲线偏差不大,且R2趋近于1,表明式(2)的拟合精度很高。

图4 各板厚平均压溃力CAE值与拟合曲线对比

1.2 压溃力与材料强度的关系

保持薄壁梁板厚1.6 mm 不变,只改变薄壁梁材料,选取薄壁梁材料分别为DC01、B210P1、B250P1、DP590、DP780、DP980、DP1180,研究其平均压溃力与材料屈服强度的关系。

利用幂函数对曲线进行非线性逼近,得到


式中:B 为与截面和板厚相关的系数;σs 为材料屈服强度。

图5为各个屈服强度下平均压溃力的CAE 值和拟合曲线的对比。由图5 可见,CAE 值与拟合曲线偏差不大,且R2趋近于1,表明目标函数的表达式拟合程度很高。

图5 各强度材料的平均压溃力CAE值与拟合曲线对比

1.3 压溃力与材料强度和板厚的关系

综合式(2)和式(4),假定压溃力与变量材料强度和变量板厚相对独立,有


式中C为与截面相关的系数。

为验证式(5)的有效性,采取正交抽样对由材料强度和板厚2 个设计变量组成的样本空间进行采样,抽取16 组样本点并根据样本点对仿真模型进行修改计算,得到每组样本点所对应Fmean 的CAE 值及公式计算值对比,见表1。

表1 16组样本Fmean 的CAE值与公式计算值对比

计算得到这16 组样本数据的拟合公式的决定系数 R2=0.996,趋近于 1,表明式(5)的拟合精度很高。

2 B柱轻量化设计方法2.1 B柱下端轻量化设计方法

针对B 柱下端,由于一般断面大小已经由造型等相关因素确定,能改变的主要是板厚和材料强度。随着钢铁行业的进步,高延性高强度钢逐步应用在汽车行业,可以替代更低强度的钢种,从而获得轻量化。以QP980 为例,如表2 所示,其强度与传统高强钢DP980相当,但延伸率却可媲美DP590。

表2 QP980、DP980、DP590、DP780 力学性能参数对比[7]

针对B 柱下端,以往都是用较低强度的钢种,考虑用高延性高强钢进行替代。B 柱下端发生压溃折弯,可以近似等效成三点弯曲工况,要保证同等抗弯性能Fmean,根据式(5),可以推导出同等抗弯性能不同强度所需要的板厚,即


式中:t'为优化方案板厚;t0为初始方案板厚;σ0为初始方案屈服强度;σ'为优化方案屈服强度。

2.2 B柱上端轻量化设计方法

考虑材料强度保持不变,对B 柱上端加强板的位置和厚度进行优化。

由于B 柱上端一般为乘员保护区,在通常情况下,侧碰B 柱受到侧碰载荷作用时,B 柱下端发生弯曲现象,会在局部产生塑性铰,通过塑性铰的转动从而吸收能量,而B 柱上端可近似看作刚性转动,几乎只发生弹性变形。因此B 柱上端可以简化成静力模型,采用施加等效静载力的方法,将B 柱动态碰撞仿真模型简化为静力模型。

调整各位置静载力大小,使静力简化模型B 柱上端应力和整车碰撞B 柱上端应力大小和分布相当,如图6所示。

图6 整车侧碰模型与等效静力模型应力分布对比

将B柱上端划分为N段,编号B-1、B-2、B-3等,如图7(a)所示。利用优化软件Opitistruct,对 B 柱上端各段进行板厚优化。根据初始方案所得满足性能的碰撞结果中的厚度参数作为优化前初始厚度。将B 柱质量响应最小作为优化目标,设定的优化约束为B 柱上端最大应力,不超过优化前的最大应力。按照此优化参数设置,即可获得在满足抗撞性能的情况下B柱上端各区域的最佳板厚。

优化的数学模型为

图7 B柱上端分段和等效静力加载


式中:M 为B柱上端整体质量;σ为B 柱上端应力;σ0为优化前B 柱上端应力;ti为B 柱上端第i段的板厚,i=1,2,3,…,N。

3 B 柱轻量化设计方法在某车型上的应用3.1 某车型B柱轻量化设计

优化前初始方案如图8(a)所示:B柱上端为①B柱上DP1180 t1.6+③补强板DP1180 t1.2,B 柱下端为②B 柱下DP590 t1.4。初始方案可以达到B 柱下端折弯“钟摆式”的变形模式(图8(c)),且可以满足侧碰车体的耐撞性能目标。

图8 某车型B柱初始方案与变形模式

针对B 柱下端轻量化,考虑用高延性高强钢QP980 替代DP590。根据式(6),计算得到与DP590 t1.4 同 等 抗 弯 性 能 Fmean,QP980 所 须 的 板 厚 为1.08 mm,取整为t=1.1 mm,计算减质量0.6 kg。

针对B 柱上端轻量化,将其等效为一块板,相应部分板厚进行叠加(图8(b))。利用Opitistruct 软件进行板厚优化。优化软件迭代次数达到10 次时优化结束,由于改变板厚(表3优化方案1)实施起来成本较高,本文中考虑采用B 柱加补强板来代替各段板厚的梯度变化(表3 优化方案2),优化方案2 可以减质量1.3 kg。

表3 B柱上端初始方案与优化方案对比

最终B 柱上下端优化方案合计可以减质量1.9 kg,轻量化24%,如表4所示。

表4 某车型B柱初始方案与优化方案对比

3.2 整车工况耐撞性验证

整车侧碰工况分别在B 柱对应人体部位的头、胸和骨盆的位置选取响应点,设定为头部、胸部和骨盆测量点,用于考察B 柱结构耐撞性能,如图9所示。

图9 B柱测量点示意图

将优化后的B 柱方案进行整车工况侧碰解析,解析结果表明,优化方案B 柱关键部位的侵入速度和侵入量与初始方案几乎相当,如表5 所示。由此可见,本文提出的B 柱轻量化设计方法有效,且精度很高。

表5 优化前后整车工况B柱耐撞性对比

4 结论

详细介绍基于侧碰耐撞性的B 柱轻量化设计方法,并得出以下结论。

(1)三点弯曲工况下,薄壁梁的平均压溃力Fmean与t1.289 × σs0.5948成正比。

(2)针对B 柱下端,侧碰时B 柱下端发生压溃折弯,可以等效成三点弯曲工况,轻量化可以考虑用高延性高强钢代替更低强度的钢(如QP980 代替DP590),并根据结论(1)来推算所需的板厚,降低板厚从而获得轻量化。

(3)针对B 柱上端,因其侧碰时主要发生刚性转动,可以简化成静力学问题,将B 柱上端划分成N段,施加碰撞等效静载力,在材料不变的情况下,采用Optistruct 优化软件对B 柱上端各段板厚进行优化。

(4)以某车型为例,将 B 柱上端、B 柱下端优化方案导入整车侧碰模型中,优化方案的B 柱关键部位的侵入速度和侵入量与初始方案几乎相当,证明所提出的B 柱轻量化设计方法有效。与初始方案对比,优化方案实现了减质量24%的轻量化效果。




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