基于热成形技术的B柱优化设计

2018-10-22陈诗雨李红汤湧

汽车实用技术 2018年19期

陈诗雨，李红，汤湧

（华晨汽车工程研究院，辽宁沈阳 110005）

关键字：热成形；B柱；汽车轻量化

前言

汽车轻量化技术作为降低油耗、减少排放的重要途径之一，已成为汽车技术研究的重点[1,2]。汽车车身设计在实现轻量化的同时，必须保证安全性能。热成形零件因其具有较高的强度，在保证安全性能的同时，可以达到减重的效果，目前已有广泛的应用[2-4]。本研究在原有的设计基础上，通过热成形B柱代替原设计方案的冷成形B柱，同时优化加强板，探究安全性能和轻量化效果。

1 热成形技术

热成形技术是将钢板置于加热炉中加热一定时间，使其奥氏体化，而后转移到带有冷却系统的模具中冲压成形、模内淬火，最终得到组织为马氏体，抗拉强度可达 1500MPa的超高强度零件[5,6]。

通过对近年来欧洲车身年会各车型用材情况的调研，车身上应用热成形的零件主要有A柱、B柱、顶盖侧边梁、车门防撞梁、中通道加强件等零件。

2 B柱设计方案

在乘用车发生侧面碰撞过程中，车身B柱是重要的承载部件。B柱的变形模式和能量吸收对其侵入量和侵入速度有重要影响，并最终对乘员的安全性有重要影响[7,8]。

2.1 冷成形B柱方案

2.1.1 冷成形B柱方案的结构与材料情况

图1 冷成形方案B柱及加强板

根据车型结构要求，设计了B柱和B柱加强板，其结构及材料等情况如图1所示。所应用材料的力学性能如表1所示。B柱和加强板均通过冷冲压方式成形。

表1 材料力学性能

2.1.2 基于冷成形B柱方案的50公里/小时侧面移动壁障碰撞仿真分析

通过 CAE进行侧面移动壁障碰撞仿真分析，根据E-NCAP要求，初始速度为50公里/小时，采用1300kg壁障，移动壁障X向中心在前排R点后250mm处。对应分析位置的示意图如图2所示，B柱处最大相对侵入量及最大侵入速度情况如表2-表3所示，分析结果超出目标值。

图2 50公里/小时侧碰对应分析点的示意图

表2 50公里/小时侧碰冷成形方案B柱处最大相对侵入量

表3 50公里/小时侧碰冷成形方案B柱处最大侵入速度

2.1.3 基于冷成形B柱方案的32公里/小时75°侧面刚性柱碰撞分析

通过 CAE进行侧面刚性柱碰仿真分析，根据 E-NCAP要求，以32公里/小时为初始速度，速度方向与车辆中心线成75°的角度撞击柱壁障。障碍柱的中心位置与头部中心点位置X方向重合，障碍柱的高度要超过车身的最高点，直径为254mm，材料属性设置为刚体，自由度全约束。对应分析位置的示意图如图3所示，B柱处最大相对侵入量及最大侵入速度分析结果如表4-表5所示，分析结果超出目标值。

图3 32公里/小时侧面柱碰对应分析点的示意图

表4 32公里/小时柱碰冷成形方案B柱处最大相对侵入量

表5 32公里/小时柱碰冷成形方案B柱处最大侵入速度

2.2 热成形B柱方案

2.2.1 热成形B柱方案的结构与材料情况

针对分析结果超出目标值的问题，提出修改方案，现将B柱材料由HC340LA更改为HC950/1300HS，通过热冲压成形，并对加强板的结构进行优化，不改变加强板材料，优化后的结构及材料情况如图4所示。HC950/1300HS钢板经热成形后的力学性能如表6所示，其强度高于原冷成形方案B柱材料HC340LA。

图4 热成形B柱方案

表6 HC950/1300HS经热成形后的力学性能

2.2.2 基于热成形B柱方案的50公里/小时侧面移动壁障碰撞仿真分析

对热成形B柱方案进行50公里/小时侧面移动壁障碰撞仿真分析。将冷成形B柱方案与热成形B柱方案的B柱处的最大相对侵入量及最大侵入速度结果进行对比，如表7-8所示。通过对比发现，在50公里/小时侧面移动壁障碰撞仿真分析中，热成形方案B柱处的最大相对侵入量减少、最大侵入速度降低，大幅减少了侧碰时乘员受到伤害的可能性。

表7 50公里/小时侧碰B柱处最大相对侵入量对比

表8 50公里/小时侧碰B柱处最大侵入速度对比

2.2.3 基于热成形B柱方案的32公里/小时75°侧面刚性柱碰撞仿真分析

对热成形B柱方案进行32公里/小时75°侧面刚性柱碰撞仿真分析，将冷成形B柱方案与热成形B柱方案的B柱处的最大相对侵入量及最大侵入速度结果进行对比，如表9-10所示。通过对比发现，32公里/小时75°侧面刚性柱碰撞仿真分析中，采用热成形技术后，B柱处最大相对侵入量减少、最大侵入速度降低，降低侧面刚性柱碰时对乘员伤害的可能性。

2.3 热成形B柱方案减重情况