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摘 要：基于侧面碰撞吸能特点，对B柱总成进行轻量化设计。从材料、工艺、结构等方面入手，对原B柱外板和加强板进行轻量化设计，采用热成形材料替换、增加补丁板和激光拼焊等3种方案进行设计，采用侧面碰撞仿真分析对方案进行可行性验证，并将设计方案综合应用到实际车型中对方案进行检验。
关键词：B柱总成;侧面碰撞;性能设计
1轻量化方案设计
1.1B柱总成模型
通过合理的材料选用、结构优化和成形工艺设计对B柱总成开展轻量化设计，需对结构的侵入量和侵入速度进行控制，有效减小汽车侧面碰撞中的乘员伤害，提高汽车侧面碰撞安全性。基于整车侧面碰撞的要求，制定B柱外板零件碰撞安全性评估方案，基于B柱外板变形模式，在结构安全性评估中重点关注B柱外板中部的最大位移和B柱外板下部的最大变形或易失效区域。根据人体坐姿位置与B柱总成之间的对应关系，选取B柱外板上对应人体頭部、胸部、腹部和骨盆的位置及B柱外板下端位置上共5个测量点，用以评估B柱总成的结构碰撞安全性能。
1.2B柱轻量化设计
1.2.1热成形材料替换方案设计
冲压成形技术不仅能够同时满足车体轻量化和提高碰撞安全性的双重要求，而且成形后的零件具有基本无回弹、精度高、成形质量好等优点，已被广泛应用于汽车柱类、梁类等高强度结构件的生产制造中。采用热成形材料替换B柱外板原来的高强钢材料，具体方法是：取消B柱加强板，根据强度等效原则，B柱外板采用1.1mm厚的1500HS材料，热成形B柱外板的强度不低于原来DP780外板和DP590加强板的等效强度。
1.2.2增加补丁板方案设计
在B柱总成侧面碰撞仿真中，将安装B柱的试验台架设置为刚体并固定在刚性墙壁面，碰撞初始速度为50km·h-1，作用时间为50ms。对增加补丁板的方案进行碰撞仿真分析，结果如图1所示。B柱D2位置测量点的侵入量最大，D3位置测量点的侵入速度最大，D5位置测量点的侵入量和侵入速度均最小。因此，可以采用在B柱碰撞变形关键区域增加补丁板进行局部强化，而B柱外板其它区域不做强化处理来实现轻量化设计。具体方法是：取消B柱加强板，B柱外板采用1.2mm厚的DP780材料，D2位置测量点的邻接区域内侧增加1.0mm厚的DP780材料补丁板并通过焊点与B柱外板结构焊接在一起，B柱外板其它区域保持结构不变。
图 1 B 柱侧面碰撞测点布置
2轻量化方案验证
2.1侵入量变化
对热成形材料替换、增加补丁板和采用激光拼焊结构的B柱总成进行碰撞仿真分析，设置初始速度为50km·h-1，碰撞仿真时间为50ms。对5个测量点在侧面碰撞时的侵入量进行观察。3种轻量化方案的B柱总成在汽车侧面碰撞中各测量点侵入量变化形式大体一致，由图2可以看出，各测量点侵入量也基本按照D2、D3、D4、D1和D5的顺序由大到小排列;观察B柱总成动态侵入云图，可以发现B柱的D1和D2位置的测量点同时侵入车内，D3、D4和D5位置的各测量点依次先后侵入车内;只有B柱的D4位置的测量点在碰撞过程中具有先向车外轻微凸起，再侵入车内的运动过程，其余位置的各测量点在碰撞过程中均直接侵入车内;与原设计方案的结果相比，B柱各测量点侵入量均显著减小，碰撞初始速度为50km·h-1时各测量点的最大侵入量，其所有侵入量均小于规定值270mm，补丁板、激光拼焊、热成形材料替换的最大侵入量比原方案分别减少22.0%、33.6%、38.8%，以热成形材料替换方案的侵入量改善最优。
图 2 各测量点侵入量变化曲线
2.2侵入速度变化
对热成形材料替换、增加补丁板和采用激光拼焊结构的B柱总成分别进行碰撞仿真分析，设置初始速度为50km·h-1，碰撞仿真时间设置为50ms。获得5个测量点在侧面碰撞时的侵入速度。热成形材料替换、增加补丁板和采用激光拼焊结构的B柱总成在汽车侧面碰撞中各测量点侵入速度变化形式大体一致，热成形材料替换、增加补丁板的B柱各测量点侵入速度首个峰值大体按照D3、D2、D4、D1和D5的顺序由大到小排列，激光拼焊结构的B柱各测量点侵入速度首个峰值大体按照D2、D3、D4、D1和D5的顺序由大到小排列。与原方案的仿真结果相比较，B柱各测量点侵入速度均显著减小，碰撞初始速度50km·h-1时各方案的仿真结果进行对比，热成形材料替换、增加补丁板、激光拼焊3种方案的最大侵入速度较原方案分别减少2.6%、14.1%和22.9%。
3 B柱轻量化应用
某型轿车在侧面碰撞安全性试验中，乘员安全评价指标假人胸部位置存在不达标的情况，表现为胸部变形指数、粘性指标不合格，前者为事故发生时胸部受到挤压后的变形量;后者用胸腔的变形速度与挤压变形率的乘积进行表示;前者法规最大值为42mm，后者法规最大值为1.0m·s-1，研究车辆分别超过法规最大值30.4%和56%，同时对B柱提出10%轻量化指标要求。
3.1优化方案设计
由于该型轿车的假人胸部位置变形指数、粘性指标不合格，所以改进工作主要集中在降低假人胸部伤害指标，而与该指标存在直接关系的是假人胸部位置对应车体侧面结构的侵入速度，而该侵入速度主要受到车辆B柱在假人胸部对应位置的侵入量和侵入速度二者影响。因此，对于车辆B柱结构的改进工作围绕增强B柱整体结构强度、降低侵入量和侵入速度，保证B柱在假人胸部位置的侵入量和侵入速度符合法规，并最终保证车内假人的空间等内容展开。原B柱外板采用整体式结构，厚度2mm，制造材料为HC340LA;经过多轮仿真测试后，确定B柱外板最终结构采用DP780，厚度为1.2mm，在B柱外板中间位置通过焊点连接增加两层厚度为1.0mm、材料为DP780的补丁板提高结构强度;并在原有B柱总成发生褶皱位置设置缺陷区用于引导B柱总成变形方式。
3.2优化方案验证
采用改进后的B柱总成结构，轿车碰撞初始速度为50km·h-1下侵入量的试验与仿真结果进行对比，侵入量的仿真计算与试验结果相对偏差小于12%，改进B柱总成后的轿车碰撞仿真模型也较为准确。表8为改进前后参数对比。侧面碰撞试验中改进后的被试品轿车各项乘员安全评价指标全部达到法规要求，原先假人胸部位置存在的变形指数、粘性指标不合格情况已经改善，胸部变形指数较法规要求减少26%，粘性指标较法规要求减少42%。对于该型轿车B柱总成的优化改进效果较为理想，提升了车辆在侧面碰撞中的乘员安全防护能力。根据表中分析结果，同时优化设计后B柱重量为6.28kg，原结构重量为7.89kg，轻量化效果达到20%。
结束语
在满足结构耐撞性的要求下，热成形材料替换、增加补丁板、激光拼焊设计这3种轻量化设计方案都可对B柱总成进行轻量化设计。而热成形材料替换方案的最大侵入量和侵入速度最优，材料的碰撞安全性最高;在满足碰撞安全性的前提下，激光拼焊方案和热成形材料替换方案的轻量化效果基本相当，所研究的案例效果达到16%左右。
参考文献
[1]胡经国，张晓龙，丁冉冉，朱晓勇，陈亚依，杜志豪，周杭卫.客车与乘用车侧面碰撞试验相容性实例分析[J].汽车零部件，2018（09）：88-90.
[2]程海东，田国红，孙鹏雨，齐登科.汽车侧面碰撞帘式气囊仿真[J].现代制造工程，2018（09）：104-107.
[3]周洋，颜伏伍，胡远志.侧面碰撞B柱变形模式对乘员损伤的分析[J].重庆理工大学学报（自然科学），2018，32（07）：32-39.
[4]常建娥，李铁铮，莫易敏，王峰，谢业军.基于侧面碰撞工况下B柱抗弯性能优化设计[J].武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2018，42（02）：176-180.
关键词：B柱总成;侧面碰撞;性能设计
1轻量化方案设计
1.1B柱总成模型
通过合理的材料选用、结构优化和成形工艺设计对B柱总成开展轻量化设计，需对结构的侵入量和侵入速度进行控制，有效减小汽车侧面碰撞中的乘员伤害，提高汽车侧面碰撞安全性。基于整车侧面碰撞的要求，制定B柱外板零件碰撞安全性评估方案，基于B柱外板变形模式，在结构安全性评估中重点关注B柱外板中部的最大位移和B柱外板下部的最大变形或易失效区域。根据人体坐姿位置与B柱总成之间的对应关系，选取B柱外板上对应人体頭部、胸部、腹部和骨盆的位置及B柱外板下端位置上共5个测量点，用以评估B柱总成的结构碰撞安全性能。
1.2B柱轻量化设计
1.2.1热成形材料替换方案设计
冲压成形技术不仅能够同时满足车体轻量化和提高碰撞安全性的双重要求，而且成形后的零件具有基本无回弹、精度高、成形质量好等优点，已被广泛应用于汽车柱类、梁类等高强度结构件的生产制造中。采用热成形材料替换B柱外板原来的高强钢材料，具体方法是：取消B柱加强板，根据强度等效原则，B柱外板采用1.1mm厚的1500HS材料，热成形B柱外板的强度不低于原来DP780外板和DP590加强板的等效强度。
1.2.2增加补丁板方案设计
在B柱总成侧面碰撞仿真中，将安装B柱的试验台架设置为刚体并固定在刚性墙壁面，碰撞初始速度为50km·h-1，作用时间为50ms。对增加补丁板的方案进行碰撞仿真分析，结果如图1所示。B柱D2位置测量点的侵入量最大，D3位置测量点的侵入速度最大，D5位置测量点的侵入量和侵入速度均最小。因此，可以采用在B柱碰撞变形关键区域增加补丁板进行局部强化，而B柱外板其它区域不做强化处理来实现轻量化设计。具体方法是：取消B柱加强板，B柱外板采用1.2mm厚的DP780材料，D2位置测量点的邻接区域内侧增加1.0mm厚的DP780材料补丁板并通过焊点与B柱外板结构焊接在一起，B柱外板其它区域保持结构不变。
图 1 B 柱侧面碰撞测点布置
2轻量化方案验证
2.1侵入量变化
对热成形材料替换、增加补丁板和采用激光拼焊结构的B柱总成进行碰撞仿真分析，设置初始速度为50km·h-1，碰撞仿真时间为50ms。对5个测量点在侧面碰撞时的侵入量进行观察。3种轻量化方案的B柱总成在汽车侧面碰撞中各测量点侵入量变化形式大体一致，由图2可以看出，各测量点侵入量也基本按照D2、D3、D4、D1和D5的顺序由大到小排列;观察B柱总成动态侵入云图，可以发现B柱的D1和D2位置的测量点同时侵入车内，D3、D4和D5位置的各测量点依次先后侵入车内;只有B柱的D4位置的测量点在碰撞过程中具有先向车外轻微凸起，再侵入车内的运动过程，其余位置的各测量点在碰撞过程中均直接侵入车内;与原设计方案的结果相比，B柱各测量点侵入量均显著减小，碰撞初始速度为50km·h-1时各测量点的最大侵入量，其所有侵入量均小于规定值270mm，补丁板、激光拼焊、热成形材料替换的最大侵入量比原方案分别减少22.0%、33.6%、38.8%，以热成形材料替换方案的侵入量改善最优。
图 2 各测量点侵入量变化曲线
2.2侵入速度变化
对热成形材料替换、增加补丁板和采用激光拼焊结构的B柱总成分别进行碰撞仿真分析，设置初始速度为50km·h-1，碰撞仿真时间设置为50ms。获得5个测量点在侧面碰撞时的侵入速度。热成形材料替换、增加补丁板和采用激光拼焊结构的B柱总成在汽车侧面碰撞中各测量点侵入速度变化形式大体一致，热成形材料替换、增加补丁板的B柱各测量点侵入速度首个峰值大体按照D3、D2、D4、D1和D5的顺序由大到小排列，激光拼焊结构的B柱各测量点侵入速度首个峰值大体按照D2、D3、D4、D1和D5的顺序由大到小排列。与原方案的仿真结果相比较，B柱各测量点侵入速度均显著减小，碰撞初始速度50km·h-1时各方案的仿真结果进行对比，热成形材料替换、增加补丁板、激光拼焊3种方案的最大侵入速度较原方案分别减少2.6%、14.1%和22.9%。
3 B柱轻量化应用
某型轿车在侧面碰撞安全性试验中，乘员安全评价指标假人胸部位置存在不达标的情况，表现为胸部变形指数、粘性指标不合格，前者为事故发生时胸部受到挤压后的变形量;后者用胸腔的变形速度与挤压变形率的乘积进行表示;前者法规最大值为42mm，后者法规最大值为1.0m·s-1，研究车辆分别超过法规最大值30.4%和56%，同时对B柱提出10%轻量化指标要求。
3.1优化方案设计
由于该型轿车的假人胸部位置变形指数、粘性指标不合格，所以改进工作主要集中在降低假人胸部伤害指标，而与该指标存在直接关系的是假人胸部位置对应车体侧面结构的侵入速度，而该侵入速度主要受到车辆B柱在假人胸部对应位置的侵入量和侵入速度二者影响。因此，对于车辆B柱结构的改进工作围绕增强B柱整体结构强度、降低侵入量和侵入速度，保证B柱在假人胸部位置的侵入量和侵入速度符合法规，并最终保证车内假人的空间等内容展开。原B柱外板采用整体式结构，厚度2mm，制造材料为HC340LA;经过多轮仿真测试后，确定B柱外板最终结构采用DP780，厚度为1.2mm，在B柱外板中间位置通过焊点连接增加两层厚度为1.0mm、材料为DP780的补丁板提高结构强度;并在原有B柱总成发生褶皱位置设置缺陷区用于引导B柱总成变形方式。
3.2优化方案验证
采用改进后的B柱总成结构，轿车碰撞初始速度为50km·h-1下侵入量的试验与仿真结果进行对比，侵入量的仿真计算与试验结果相对偏差小于12%，改进B柱总成后的轿车碰撞仿真模型也较为准确。表8为改进前后参数对比。侧面碰撞试验中改进后的被试品轿车各项乘员安全评价指标全部达到法规要求，原先假人胸部位置存在的变形指数、粘性指标不合格情况已经改善，胸部变形指数较法规要求减少26%，粘性指标较法规要求减少42%。对于该型轿车B柱总成的优化改进效果较为理想，提升了车辆在侧面碰撞中的乘员安全防护能力。根据表中分析结果，同时优化设计后B柱重量为6.28kg，原结构重量为7.89kg，轻量化效果达到20%。
结束语
在满足结构耐撞性的要求下，热成形材料替换、增加补丁板、激光拼焊设计这3种轻量化设计方案都可对B柱总成进行轻量化设计。而热成形材料替换方案的最大侵入量和侵入速度最优，材料的碰撞安全性最高;在满足碰撞安全性的前提下，激光拼焊方案和热成形材料替换方案的轻量化效果基本相当，所研究的案例效果达到16%左右。
参考文献
[1]胡经国，张晓龙，丁冉冉，朱晓勇，陈亚依，杜志豪，周杭卫.客车与乘用车侧面碰撞试验相容性实例分析[J].汽车零部件，2018（09）：88-90.
[2]程海东，田国红，孙鹏雨，齐登科.汽车侧面碰撞帘式气囊仿真[J].现代制造工程，2018（09）：104-107.
[3]周洋，颜伏伍，胡远志.侧面碰撞B柱变形模式对乘员损伤的分析[J].重庆理工大学学报（自然科学），2018，32（07）：32-39.
[4]常建娥，李铁铮，莫易敏，王峰，谢业军.基于侧面碰撞工况下B柱抗弯性能优化设计[J].武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2018，42（02）：176-180.