目前，汽車輕量化能夠達(dá)到節(jié)約能耗和降低碳排放等目的，但是車身在輕量化的同時，還要考慮車身的碰撞性能是否降低等問題。因此，輕量化和安全性能是汽車行業(yè)重點(diǎn)關(guān)注的兩大問題[5-8]，而熱成形鋼由于其具有高強(qiáng)度、成形性好等優(yōu)點(diǎn)，正被廣泛的應(yīng)用在車身結(jié)構(gòu)件上，是解決兩大問題的有效方法。

 

本文以某新車型白車身為研究對象，依據(jù) C-NCAP 碰撞法規(guī)，使用 ABAQUS 軟件對 B柱加強(qiáng)板的側(cè)碰性能進(jìn)行分析。在保證駕駛室成員生存空間及 B 柱質(zhì)量要求下，通過熱成形鋼 PHS2000 選材及優(yōu)化，探究熱成形鋼 PHS2000 在白車身側(cè)碰安全性能中的應(yīng)用。

 

材料力學(xué)性能

熱成形鋼材料在淬火后，組織從奧氏體組織轉(zhuǎn)變成馬氏體組織，從而獲得超高強(qiáng)度。因此熱成形鋼解決了隨著鋼板屈服強(qiáng)度提高其成形性能變差的問題，可以減薄實(shí)現(xiàn)輕量化。

 

本文優(yōu)化白車身中的B柱加強(qiáng)板用材，應(yīng)用PHS2000熱成形鋼替代傳統(tǒng)高強(qiáng)鋼DP590，厚度從 1.5 mm 降到 1.2 mm。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn) GB/T228.1—2010 進(jìn)行靜態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)，如圖 1 所示。

 

 

圖 1 不同鋼種工程應(yīng)力應(yīng)變曲線：（a）DP590；（b）PHS2000

 

有限元模型建立

本研究的白車身重 307.9 kg，網(wǎng)格劃分標(biāo)準(zhǔn)為 10 mm×10 mm，控制其最小尺寸為 3 mm。有限元模型如圖 2 所示，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見表 1。ACM（Area Contact Method）為載荷通過接觸面?zhèn)鬟f的焊點(diǎn)。

 

 

圖 2 白車身的正面碰撞仿真分析數(shù)模

 

表 1 白車身基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

 

 

車身模型的連接，包含縫焊、點(diǎn)焊、螺栓/鉚釘、膠粘、鉸接等連接方式裝配，如圖 3所示，設(shè)置 REB2 剛性螺栓，焊點(diǎn)為 Hexa 多邊形焊點(diǎn)，焊縫采用二維面網(wǎng)格焊縫，焊點(diǎn)的密度設(shè)為 7.85×10-9 t/mm3，彈性模量為 210 GPa，泊松比為 0.3。

 

 

圖 3 白車身的連接

 

側(cè)面碰撞研究

3.1 車身側(cè)碰模型

白車身側(cè)碰模型如圖 4 所示，依據(jù) C-NCAP 2018 法規(guī)，側(cè)面碰撞速度 50 km/h，設(shè)置剛性地面及可移動壁障，壁障重量為 1400 kg，壁障撞擊位置為前排座椅設(shè)計(jì)參考點(diǎn)，蜂窩鋁離地 300 mm。

 

 

圖 4 白車身側(cè)碰模型

 

側(cè)碰仿真結(jié)果分析

白車身側(cè)碰工況下結(jié)構(gòu)質(zhì)量增量圖如圖 5 所示，圖中可以看出最大質(zhì)量增量為 0.89%，遠(yuǎn)小于 5%。白車身結(jié)構(gòu)在碰撞過程中的動能、內(nèi)能、沙漏能和總能量曲線如圖 6 所示，在碰撞過程中，滿足能量守恒定律，臺車系統(tǒng)的動能轉(zhuǎn)化成臺車蜂窩鋁及白車身零部件系統(tǒng)的內(nèi)能，沙漏能與滑移能的變化較小。沙漏能占總能量比率遠(yuǎn)小于 5%，說明模型計(jì)算結(jié)果真實(shí)可信。

 

 

圖 5 側(cè)碰工況下白車身結(jié)構(gòu)質(zhì)量增量

 

圖 6 碰撞能量曲線圖

 

材料優(yōu)化側(cè)碰分析

對 B 柱加強(qiáng)板進(jìn)行材料優(yōu)化，傳統(tǒng)材料 DP590 的 B 柱加強(qiáng)板重量為 4.397 kg，優(yōu)化PHS2000 后的 B 柱加強(qiáng)板重量為 3.518 kg，因此 B 柱加強(qiáng)板實(shí)現(xiàn)輕量化 19.99%。

 

分別選擇 B 柱對應(yīng)乘客頭部、胸部、腰腹及骨盆位置的點(diǎn)位進(jìn)行考察，在模型中抓取相應(yīng)位置剛性點(diǎn)并選取右側(cè) B 柱加強(qiáng)板對應(yīng)點(diǎn)位，以考察 B 柱加強(qiáng)板侵入量及侵入速度。

 

對于汽車碰撞來說，車身變形量的大小反映了車體被損壞的程度與車身的抗碰撞能力。圖 7 分別為優(yōu)化前與優(yōu)化后整個 B 柱加強(qiáng)板在側(cè)碰后的形變云圖，隨著時間推移 B 柱加強(qiáng)板變形越來越嚴(yán)重。仿真中僅有白車身承受臺車的力，缺乏車門、防撞梁等結(jié)構(gòu)，因此 B柱加強(qiáng)板變形很嚴(yán)重，但是從圖中依然可以看到，優(yōu)化材料后的白車身 B 柱加強(qiáng)板變形量明顯小于原白車身，優(yōu)化效果明顯。

 

 

 

圖 8 為 B 柱加強(qiáng)板材料優(yōu)化前后頭部入侵量，圖 9 為頭部入侵速度曲線。從圖中可以頭部入侵量從優(yōu)化前的 477 mm 降低至優(yōu)化后的 445 mm，降幅為 6.7%，入侵速度也有所降低。

 

 

圖 8 頭部侵入量：（a）優(yōu)化前；（b）優(yōu)化后

 

 

圖 9 頭部入侵速度：（a）優(yōu)化前；（b）優(yōu)化后

 

統(tǒng)計(jì)各考察點(diǎn)的入侵速度，整理后的最大侵入量如表 2 所示，可以看出相比于原白車身，優(yōu)化 B 柱加強(qiáng)板材料后的白車身側(cè)碰性能更好，在碰撞過程中結(jié)構(gòu)保持更加完好，在側(cè)碰中頭部、胸部、腹部、髖部侵入量分別降低 6.7%、10.2%、14.0%、25.6%，材料替換效果良好。

 

表 2 原材料與優(yōu)化材料后 B 柱加強(qiáng)板側(cè)碰最大侵入量 mm

 

 

通過有限元分析方法，對新車型 B 柱加強(qiáng)板材料優(yōu)化前后的碰撞性能進(jìn)行了分析，應(yīng)用熱成形鋼 PHS2000 替代傳統(tǒng)高強(qiáng)鋼，結(jié)果表明：

1)熱成形鋼替代傳統(tǒng)高強(qiáng)鋼后，B 柱加強(qiáng)板材料優(yōu)化前后頭部入侵量從優(yōu)化前的 477 mm 降低至優(yōu)化后的 445 mm，降幅為 6.7%。

2）側(cè)碰過程中，頭部、胸部、腹部、髖部侵入量分別降低 6.7%、10.2%、14.0%、25.6%。

3）對 B 柱加強(qiáng)板進(jìn)行材料優(yōu)化后，B 柱加強(qiáng)板輕量化 19.99%，輕量化的同時達(dá)到了碰撞性能提升的目的。

 

資料來源：達(dá)索官方