定制热成形车门防撞梁防侧撞性能的有限元模拟

陈 鹰，张英建，王忠林，董 瀚，惠卫军

（1.钢铁研究总院 先进钢铁材料技术国家工程研究中心，北京100081；2.中国电子科技集团公司第十二研究所，北京100094）

0 引 言

为提高轿车在受外力碰撞过程中的安全性，需提高轿车结构的整体刚度、强度以及改善碰撞吸能效果，因此对轿车车门侧面防撞梁材料的服役性能提出了如下特殊要求：受直接碰撞且对人身安全威胁较大部位要求具有较高的抗弯强度以增强碰撞中的结构稳定性；非直接碰撞部位则要求具有较高的伸长率，以保证防撞梁在碰撞变形过程中增加吸能效果且不发生断裂，从而使轿车的动能随吸能结构的渐进压溃而被均匀耗散，并使瞬时冲击载荷强度降低到确保乘员安全的水平［1-3］。

目前绝大多数轿车上装配的超高强度车门防撞梁的抗拉强度为1 200～1 700 MPa。作者课题组在薄板热成形马氏体钢中试线上开发出了抗拉强度达到2 200 MPa的热成形车门防撞梁［4］，虽然其强度很高，但因其高强、低韧的特性会导致其在撞击时较早地发生断裂失效，综合性能并非最好。汽车减重可以有效降低能耗，减少环境污染，但同时也会带来降低碰撞安全性的隐患。针对轿车减重和碰撞安全性这对矛盾体对防撞梁材料性能的要求，基于“定制”（Tailored）力学性能［5］和“定制”回火［6］技术基础，作者课题组提出了定制热成形的技术思路，即将经热成形后等厚度和等强度级别的原材料钢板通过在不同部位进行不同的冷却得到各部位材料力学性能呈梯度分布的“定制”热成形防撞梁，以实现提高碰撞吸能效果和有效减小防撞梁质量的目标。

按照上述“定制”热成形防撞梁的技术思路，作者以强度级别为2 200 MPa的热成形马氏体钢（牌号为A2200钢）和TRIP600钢的性能为基础，制备出了“定制”热成形防撞梁（记为 A2200 ＋TRIP600），并运用LS-DYNA 有限元模拟软件对材料性能均一的防撞梁和材料性能呈梯度分布的“定制”热成形防撞梁进行静态压入试验的有限元模拟，为验证模拟结果的准确性，同时进行了性能均一防撞梁的静态压入试验；从模拟结果的压入量、接触面反作用力、吸能能力和安全性能四个方面［7］评价了不同防撞梁的静态侧面抗撞性能和安全性能，这对进一步发展“定制”热成形技术具有十分重要的研究意义和实用价值。

1 材料的相关性能

进行防撞梁静态压入试验以及有限元模拟所涉及的材料有热成形马氏体钢A1700（强度级别为1 700 MPa）、A2200钢（强度级别为2 200 MPa）和TRIP600钢。为减少运算量并提高模拟的精确度，作者参照GB 15743-1995 轿车侧门强度试验标准，采用简化模型仅对圆柱压头在10mm·s-1速度下挤压防撞梁的情况进行了模拟，因此防撞梁材料有限元模型的建立采用了低应变速率下的室温拉伸试验数据。不同材料的工程应力-工程应变曲线如图1所示。

2 有限元模型的建立

图1 不同试验钢的工程应力-工程应变曲线Fig.1 Engineering stress-engineering strain curves for different material

评价车门的静态侧面抗撞性能，除选用低应变速率下的材料参数外，还可按照轿车侧门强度试验标准GB 15743-1995 建立有限元模型与边界条件。根据材料性能均一防撞梁的静态压入试验，最大限度地实现模拟与试验结果的一致，获得建立模拟过程前处理、运算和后处理的最佳模型。参照GB 15743-1995的相关技术参数，圆柱压头和支撑梁设为刚体，圆柱压头直径为305mm，压下位置为防撞梁的中间；考虑到防撞梁（落料板坯的长和宽分别为1 260，196mm）在挤压过程中会出现大变形并最终弯断，所以采用LS-DYNA 有限元软件中的分段线性塑性材料模型（MATL24）。防撞梁与支撑梁、压头与防撞梁之间可以自由移动（滑动），摩擦因数为0.2；压头以固定速度10 mm·s-1挤压防撞梁，挤压距离为300mm。材料参数如表1所示。

表1 不同材料的相关参数Tab.1 Parameters of different materials

在天津国家轿车质量监督检验中心车门强度实验室进行了A1700热成形车门防撞梁静态压入试验，通过力-位移测试仪测得了碰撞过程中的力-位移曲线，加载条件同上。A1700热成形车门防撞梁静态压入的有限元模型见图2，其中网格单元采用壳单元，除防撞梁外的其它对象按刚体处理。由图3可见，防撞梁在不同压入量时的应力云图基本合理。由图4 可见，模拟得到的平均反作用力为3.1kN，试验得到的反作用力平均值为3.4kN，两者误差在10%以内，模拟与试验结果基本一致，证明了有限元模拟的准确性。

图2 A1700钢热成形车门防撞梁静态压入的有限元模型Fig.2 Finite element model of static strength trial of hot formed side door beam of A1700steel

3 模拟结果与讨论

对于定制热成形防撞梁静态压入试验则采用了接近于真实防撞梁在车门上两端固定的方式，以便更合理地模拟防撞梁的失效过程。防撞梁上各部位材料性能的梯度分布根据防撞梁、车门和乘员位置关系进行优化设计，如图5所示。“定制”热成形防撞 梁分为A、B、C、D、E五段，其中C段为圆柱压头与防撞梁接触的部位，也是对乘员最有可能造成伤害的部位。防撞梁不同段材料的性能呈如下分布：A 段 为TRIP600；B、C 段 为A2200 ；D、E 段 为TRIP600。

图3 A1700防撞梁在不同压入量时的应力云图Fig.3 Stress nephogram of A1700 beam at different indentation amounts

图4 A1700防撞梁压入量和反作用力的关系曲线Fig.4 Reactive force vs indentation amount for A1700beam

在车门受到撞击时，防撞梁可抵抗正面的冲击载荷，尽量减小内门板的压下速度和距离，及拉动门的两面协调整个车门均匀向内压下以减小最大压下速度，并将冲击力迅速分散到侧围以降低正面冲击力，这就要求防撞梁在这一过程中不能断裂失效。另外，防撞梁的折断很可能会对车内人员造成二次伤害，所以保证防撞梁不断裂是很重要的。因此模拟中的失效判定即为指防撞梁在受压过程中发生断裂。

3.1 压入量

图5 定制热成形防撞梁静压模拟型及防撞梁各部位材料性能分布设计Fig.5 Simulation model for static strength trial of tailored hot formed side door beam and mechanical prperty distribution design for materials of parts

防撞梁的主要作用是保护车内乘员安全，而侧碰中的安全评价标准基本都与内门板的压下速度有关［8］。通过考察防撞梁受碰撞时对人身安全威胁较大部位即2668、2746两点的侵入量（图6～7）以及失效前的最大侵入量（图8），可以比较定制防撞梁与均一性能材料防撞梁在挤压过程中的压下距离和失效情况。在防撞梁断裂失效前的瞬间，材料性能均一的A1700防撞梁的压入量最小，约为53 mm，但最先断裂失效；TRIP600 防撞梁压入量最大，约为127mm，但最后失效；定制热成形防撞梁的压下距离为107 mm，较A1700防撞梁的增加98%，较TRIP600 减少约16%，失效时间介于A1700 与TRIP600防撞梁之间。

图6 防撞梁受碰撞时对人身安全威胁较大的两个接触点Fig.6 Two contact points threstening the body safety when the beam suffer impact

图7 不同材料防撞梁受碰撞时对人身安全威胁较大部位接触点的侵入量与压入量的关系Fig.7 Invasive distance vs indentation amount for two contact points threatening the body safety when different materials beam suffer imoact：（a）contact point 2668 and（b）contact point 2746

图8 不同材料防撞梁失效前瞬间的最大侵入量Fig.8 Max invasive distances for deferent materials beam before failure

3.2 接触面反作用力

在冲击载荷和大变形量下，防撞梁的抗弯强度与其抗弯刚度有一定关系。根据FMvss214法规的规定，在车门变形阶段内，车门初始的平均反作用力不能低于10.26kN，整个撞击期间其平均反作用力不能低于54kN。当防撞梁的刚度提高时，车门整体刚度也会提高，在撞击过程中产生的反作用力也就越高，对人的保护作用也就越好，所以接触面的反作用力可以作为评价防撞梁性能的另外一个重要标准。图9中Fmax为最大反作用力，s为侵入量。可见，A1700防撞梁失效前瞬间的最大反作用力为35kN；TRIP600的最大反作用力为55kN，定制防撞梁的最大反作用力为50kN，较A1700的增加了51%，较TRIP600的降低约了9%。

图9 不同材料防撞梁的反作用力Fig.9 Counterforce of different material beams

3.3 吸能能力

防撞梁在受刚性柱撞击的情况下吸收的总能量E 由下式计算。

式中：F（s）为撞击力；δ为变形位移；s为侵入量。

显然，防撞梁作为一个吸能构件，在相同撞击情况下吸收的能量越多，对车内乘员的伤害也就越小，安全性能也就越好。所以防撞梁的吸能能力也作为其性能评价的一个参考。由图10可知，防撞梁失效前，A1700 防撞梁的最大吸收内能为500 kJ，TRIP600防撞梁的最大吸收内能为3 000kJ，定制防撞梁的则介于二者之间，约为2 300kJ，其较A1700 的增加360%，较TRIP600 的降低了约23%。

图10 不同材料防撞梁的吸收内能Fig.10 Energy absorption of different materials beam

3.4 安全性能

防撞梁的安全性能体现在侧门在撞击过程中不能断裂失效。对于高伸长率的低强度钢板而言，这种弯曲显然不会导致断裂发生，但是对于高强度钢板而言，在应力集中部位就容易发生脆性断裂。比较A1700、TRIP600与TRIP600＋A2200防撞梁在圆柱头压入过程中的变形情况可知，A1700热成形防撞梁的变形量最小，但最先断裂失效；TRIP600虽具有良好的韧性，且断裂失效较滞后，但其变形量和压入量最大。两者均不能较好地兼顾抗撞性和安全性，只有TRIP600＋A2200防撞梁的综合性能最好，能较好地兼顾抗撞性和安全性。

4 结 论

（1）性能均一的A1700钢在静态压入时的压入量-反作用力曲线的有限元结果与试验结果符合较好，验证了有限元模拟的准确性。

（2）性能均一的A1700防撞梁由于其高强度、低伸长率的特点，在静压过程中，虽其压入量较小，但其与压头接触面的反作用力、吸收内能均较低，所以防撞梁失效也最早，安全性较差。

（3）性能均一的TRIP600防撞梁由于其低强度、高伸长率的特征，在静压过程中，断裂失效较迟，安全性较好，且吸收内能和压头接触面反作用力也较高，但由于其变形量和压入量较大，对人体的伤害也较大。

（4）采用TRIP600＋A2200 定制热成形防撞梁，可合理分布防撞梁各部位的强度，使防撞梁在受压过程中可以较好地实现压入量、压头接触面反作用力、吸收内能和安全性等综合性能的平衡，兼具较好的静态侧面防撞性和安全性能。

［1］杜星文，宋宏伟.圆柱壳冲击动力学及耐撞性设计［M］.北京：科学出版社，2004：1-20.

［2］雷雨成，严斌，程昆，等.汽车的碰撞相容性研究［J］.汽车科技，2004（1）：15-17.

［3］周青.汽车碰撞安全研究进展［J］.汽车工程，2006，28（11）：965-971.

［4］陈鹰，董瀚，惠卫军，等.车门防撞梁的热冲压试验研究［J］.汽车工艺与材料，2011（6）：19-21.

［5］HEIN P.Status and innovation trends in hot stamping of USIBOR 1500P［J］.Steel Research Int，2008，79（2）：86-91.

［6］HOFFMAN O.Hot stamping developed further：Tailored tempering for B-Pillars［R］.［S.l.］：［s.n］，2010.

［7］张伟.基于简化模型的汽车防撞梁仿真优化研究［D］.大连：大连理工大学，2010.

［8］UDUMA K，WU J P，BILKHU S，et al.Door interior trim safety enhancement strategies for the SID-IIS dummy［R］.Detroit，Michigan，United States：SAE 2005 World Congress ＆Exhibition，2005.