基于可制造性的汽车B柱轻量化设计分析*

2020-03-31王涛

机电工程 2020年3期

王涛

(安阳工学院机械工程学院，河南安阳 455000)

0 引言

汽车的轻量化设计必须以不损失相关性能为前提。由于强度较高，高强钢材料主要应用于车身结构件和安全件[1]。B柱是汽车侧面最重要的承载结构件，其零件尺寸较大，零件不同部位的承载力具有较大差异，不同材料的激光拼焊很好地满足了这种需求。激光拼焊B柱设计实现了材料、加工工艺、零件性能的统一，既保证了零件的性能不损失，也保证了零件实现轻量化设计[2]。

本文将以汽车B柱为研究对象，在保证可制造性和碰撞安全性满足要求的前提下，采用激光拼焊技术对其进行轻量化设计。

1 B柱可制造性分析

B柱是汽车侧面位置重要的承载零件，同时B柱内侧安装有安全带等重要零部件，因此B柱必须具备足够的强度，同时形状必须与汽车侧面曲线保持一致，这就要求B柱所用材料必须具备较高的强度，同时也要有良好的成形性能[3]。

本文将零件模型以IGS格式导入Autoform软件中，在此基础上构建工艺补充面及压料面。由于台阶处拉延深度较深，台阶又分布在产品内侧，进料困难，需要添加工艺补充面，并采用大圆弧过渡，以免拉深时开裂。工艺补充面必须保证切边强度及过渡光顺[4]。笔者在此基础上偏置出压边圈、凸模、凹模，建立有限元模型。

本零件采用异形原料，原设计选用DP600牌号，板料厚度为2.2 mm，长宽方向分别为1 485 mm×650 mm，摩擦系数取0.15，单位压边力为F=500 kN，计算精确度按常规进行计算[5]。通过设置各项参数后提交计算，进行有限元模拟分析，可以得到FLD图、成形性能、变薄率、材料厚度、主次应变等分析结果。

仿真分析获得成形后零件的厚度、减薄率和Z向回弹量分布云图如图1所示。

图1 成形后零件厚度、减薄率和Z向回弹量分布云图

由图1可知：零件成形后网格应变分布接近成形极限曲线FLC，在部分区域有破裂趋势；最大减薄出现在底端侧壁处，最大减薄率为19.6%；Z向回弹量最大最小值分别为2.48和-2.45。

笔者以成形极限图FLD作为判断成形发生破裂的标准，并以最大减薄率判断成形性能的好坏，最大减薄率越小则成形性能越好。

2 轻量化方案设计

2.1 拼焊线初始位置设计

考虑侧面碰撞侵入量和侵入速度对乘员的伤害影响，并参照乘员在车内的位置[6]，需要在B柱零件上部使用较高强度材料。零件下部门槛位置需使用较低强度材料，在侧面碰撞中起到吸能作用，对上部碰撞产生缓冲[7-8]。

焊缝设计如图2所示。

图2 焊缝位置设计

由图2可知：在保证乘员头部胸部安全的前提下，需要使B柱上部具有高强度和刚度，焊缝须布置在乘员腰部以下，即距离底端540 mm以下；B柱底部宽，并且有较大的凸台设计，焊缝须避让此凸台，布置在距离底部380 mm以上；初始焊缝位置选取蓝距离B柱底端460 mm处。

2.2 拼焊材料选定

原材料为DP600，在轻量化设计中，B柱上部(A区)需要使用高强度级别的3种材料：DP600、DP800、DP1000，厚度选定1.6 mm、1.8 mm、2.0 mm；B柱下部(B区)使用稍低强度级别的材料：DP500、DP600、DP800，厚度选定1.4 mm、1.6 mm、1.8 mm。

以四因素三水平设计正交试验，得到的零件拼焊材料正交试验方案如表1所示。

表1 拼焊材料正交试验方案

本研究按照表1试验设计参数，设置拼焊材料进行仿真建模，分别进行计算。

经过计算分析，各方案可制造性分析结果如表2所示。

表2 各方案可制造性分析结果

由表2分析结果对比可知：在9个试验中，试验1、2、4成形后没有发生破裂，属于拼焊有效数据，其他均发生破裂，属于无效数据；试验7、8、9中，B柱零件上部选取DP1000时，成形均发生破裂；试验4、5、6中，零件上部选取DP800时，只有在下部选取DP500(试验4)，并且拼焊材料无差厚时才可以成功完成冲压。当上部使用DP800、下部使用DP600时(试验5)，差厚达到了0.6 mm，不能成形此零件，且开裂部位在焊缝位置；试验1、2、3中，上部使用DP500时，下部使用DP500和DP600都能成形该零件，下部使用DP800时，不能成形。

由此可知：零件上部可以使用DP800，下部可以使用DP600，差厚要小于0.6 mm。

2.3 焊缝位置确定

本研究以试验4为基础，找出焊缝的最佳位置。前文提到焊缝选取位置区域较宽，中心线为距离B柱底端为460 mm。在可选取的范围内每隔40 mm选取5条拼焊线，分别为距离底部540 mm、500 mm、460 mm、4 200 mm、380 mm。随拼焊线向底部移动，危险区域的最大减薄率并不是线性增减，而是在距离380 mm拼焊线位置出现最小值22.1%。

危险区域最大减薄率η与距离底部距离d之间的关系如图3所示。

图3 危险区域最大减薄率与距离底部距离的关系

由图3可知：在可选取范围内，将焊缝位置确定为距离底端380 mm的位置。

2.4 拼焊材料厚度确定

从表2数据可以知道，零件上部选取DP800时，只有在下部选取DP500(试验4)，并且拼焊材料无差厚时才可以成功完成冲压。当上部使用DP800、下部使用DP600时(试验5)，差厚达到了0.6 mm，不能成形此零件，且开裂部位在焊缝位置。

在差厚小于0.6 mm的前提下，对试验5进行细致的拼焊材料厚度设计如表3所示。

表3 拼焊材料厚度设计

由表3可知：基于上部为DP800、下部为DP600拼焊材料时，当拼焊材料厚度差在0.2 mm、0.4 mm时均可以成形。

3 汽车B柱侧面碰撞安全性分析

3.1 侧面碰撞仿真模型

以某轿车为研究对象，按照法规要求，基于VPG建立侧面碰撞模型[9-10]，B柱原始设计材料为DP600，厚度为2.2 mm，碰撞仿真时间设定为150 ms。

3.2 侧面碰撞B柱变形分析

本研究采用模型进行分析，获得侧面整车碰撞中能量变化曲线如图4所示。

图4 侧面整车碰撞能量变化曲线

由图4可知：整个过程中能量变化平稳，碰撞前后系统的总能量保持平衡。沙漏能的最大值为4.11 kJ，而整个碰撞过程中的总能量大约为91.5 kJ，车体通过碰撞变形吸收50.23 kJ，动能下降至54.34 kJ，沙漏能最大值约占总能量的4.49%，符合5%的要求，可见仿真结果是可靠的。

3.3 侧面碰撞B柱侵入速度及侵入量分析

(1)侧面碰撞性能指标。根据C-NCAP整车侧面碰撞变形测试分析方法[11-12]，在B柱对应位置选取测量点，如图5所示。

图5 B柱侧面碰撞测点选取

(2)侧面碰撞B柱性能。以材料为DP600，厚度为2.2 mm，对B柱进行侧碰仿真分析。

选取C-NCAP 侧面碰撞工况，碰撞速度为50 km/h，B柱侧碰结果性能如表4所示。

表4 B柱侧碰结果性能

由表4可知：基于原始设计材料及厚度的B柱侧碰性能都满足目标要求；从数值上看，在保证侧碰安全性的基础上，B柱还有优化空间。

4 B柱轻量化方案侧碰安全性分析

4.1 B柱轻量化设计方案

根据B柱可制造性分析结果可知：B柱采用激光拼焊板结构可以将高强钢DP800应用到该结构上，并且在保证成形性能的基础上，厚度也可以降低，实现车身零部件的轻量化设计。根据B柱成形分析结果，拼焊板结构B柱上部材料A区用DP800，下部材料B区采用DP600，并且由于要保证人的头部和胸部等关键位置，上部材料A区还需要一定的刚度和安全性，厚度应该不小于下部材料B区的厚度。

因此，B柱优化设计方案如表5所示。