万庆冕++林建平
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
2.4.1 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，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，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。
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