【B柱】基于侧面碰撞安全性汽车B 柱轻量化设计分析

摘要

B 柱轻量化设计既要满足承载碰撞安全的要求，又要实现减重设计的目标。根据B 柱在车身侧面碰撞过程中的相对位置，参考C-NACP 测试工况要求，采用HyperMesh 和LS-DYNA 搭建整体仿真分析模型；获取台车以50km/h 碰撞时， B 柱5个观察点的侵入量和侵入速度变化；根据分析结果，采用等强度减薄公式，对B 柱开展轻量化设计，本体材料减薄、关键区域增加补丁板，并对优化后方案的安全性和轻量化效果进行对比分析；针对某实际车型B 柱进行补丁板方案的轻量化设计，对比仿真和实测结果，建立整车侧面碰撞分析模型；对B 柱实施轻量化设计，对比优化前后的安全性差异；基于实车侧面碰撞测试，获取最大侵入量和侵入速度，并与仿真分析进行对比，对优化设计方案进行验证，并获取轻量化设计方案减重效果。结果可知：优化设计前后碰撞安全性得到明显提升，各关键参数优化效果在10%-20%，同时轻量化效果明显；实车碰撞后，满足碰撞五星标准要求；侧面碰撞的实测结果与仿真结果则保持一致，二者的最大误差不超过5%；优化设计前，B 柱重量为7.35kg，优化设计后的重量为6.58kg，减重10.5%，减重效果明显；结果表明，补丁板优化设计方案是可靠的，为此类设计提供参考。

关键词：车身；B 柱；侧面碰撞；安全性；轻量化；补丁板

作者：刘兰兰1；邱 磊2

1.江西制造职业技术学院 机械工程学院，江西 南昌 330096

2.宁波工程学院，浙江 宁波 315336

引言

B 柱是车身中部重要的承载结构件，上下分别与顶盖边梁和门槛梁搭接。一方面在车辆受到侧面撞击时，具有足够的强度，保护司乘人员具有足够的生存空间，不受侵害；另一方面，B 柱上安装了各种锁扣、铰链及安全带相关装置等，需要具有足够的强度和刚度，保证各个设备在发生作用时的可靠性。随着车身造型的变化，B 柱的结构也具有较大的曲线、起伏等变化特点[1]。因此，在B 柱选材时，材料要满足强度的需求，同时具备良好的可知造性，满足复杂造型的需要。随着智能化的推进，车身减重实现轻量化成为新的发展要求，B 柱成为安全性和轻量化设计的关键零件，同时重量较大，对其开展不同形式的轻量化具有重要应用价值。

检索发现，对此开展了一定的研究：文献[2]以某车型B 柱模型作为研究对象，提取成形过程中的厚度变化，以此映射到碰撞模型中，分析对安全性的影响；文献[3]对比热成形技术对材料轻量化和安全性的影响，以实现对B 柱的轻量化设计；文献[4]采用激光拼焊设计技术对某车型B 柱开展轻量化设计，通过改变焊缝位置获取轻量化和安全性最优的设计方案；文献[5]采用热成形工艺和激光拼焊技术进行组合设计，对某车型B 柱进行轻量化设计，满足安全性要求的同时，实现轻量化目标。

根据B 柱在车身侧面碰撞过程中的相对位置，参考C-NACP 测试工况要求，采用HyperMesh 搭建仿真分析模型；台车以50km/h 碰撞时，获取B 柱5个观察点侵入量和侵入速度的变化规律；根据分析结果，参考等强度减薄理论，对B 柱进行轻量化补丁板设计，并对安全性进行对比分析；针对某实际车型B 柱进行补丁板轻量化方案设计，对比仿真和实测结果，建立整车侧面碰撞分析模型；对B 柱进行轻量化补丁板设计，并验证安全性；基于实车侧面碰撞测试，获取最大侵入量和侵入速度，与仿真分析进行对比，对优化设计方案进行验证，对比轻量化效果。

B 柱侧碰安全性分析

根据C-NACP 新车评价规程要求，选取B 柱起到重要承载作用的侧面碰撞工况进行分析[6]，根据B柱、台车之间的相对位置，基于HyperMesh 建立分析模型，如图1 所示。根据B 柱与驾驶人员的相对位置关系[7]，在B 柱侧面选取5 个位置点作为观察点，如图2 所示，提取碰撞过程中的侵入量和侵入速度的变化曲线。根据实际测试工况，设置台车的冲击速度为50km/h，整个过程的作用时间为50ms。

所研究B 柱初始选用材料为HC420/DP780D+Z，厚度为1.6mm，材料的屈服强度为554MPa，抗拉强度为832MPa，采用Johnson-Cook 模型描述材料的应变速率相关特性[8]，本构模型写作：

将材料参数输入模型，参数设置完毕后，获取各观察点的侵入量和侵入速度，结果如图3 所示。

由图中曲线变化可知，台车与B 柱接触后，开始发生碰撞，各观察点的侵入量迅速增大，位置2的侵入量最大，其次为位置3，位置5 最小，而从发生侵入到车内的时间来看，位置1 到位置5 的顺序依次发生；图中曲线可知，位置4 和位置5 在开始阶段位移为反方向的，即向着车身外侧运动，之后才向内运动，这与其他位置是存在一定差异的；位置1 到位置5 依次发生运动，其中位置3 的速度最大，而位置5 的速度最小，即门槛位置速度最小。

B 柱轻量化设计分析

轻量化方案设计

根据前文分析结果可知，在B 柱发生侧面碰撞时，D2 位置的侵入量最大，可以对此关键区域增加补丁板结构，而其他区域进行厚度减薄，根据等效减薄公式[9]：

分析结果可知，将B 柱整体的厚度减薄为1.3mm，而增加的补丁板厚度为1.1mm。采用点焊连接[10]，造型保持一致，相对位置如图4 所示。

侧面碰撞安全性分析

实施轻量化方案的同时，必须满足原结构的安全性能不降低，采用同上的分析方法，对轻量化方案进行侧面安全性分析，保持观察点不变，侵入速度变化如图5 所示，提取关键参数对比，如表1 所示。

由分析结果可知，方案实施后，侵入量、侵入速度的变化趋势与原方案保持一致，而各位置侵入量和侵入速度的最大值均有10%-20%的提升，而参数随碰撞时间的变化规律则基本一致。对比可以发现，B柱增加补丁板，材料厚度减薄后，整个零件碰撞安全性得到明显提升，最大侵入量和侵入速度均减小。同时，B 柱重量由6.3kg 减小到5.6，减重12.5%，效果良好。方案保证安全性提升的同时，实现了较好的轻量化效果，可以应用于实际车型的设计。

实车应用分析

为提升某车型的轻量化效果及侧面碰撞安全性，针对B 柱开展轻量化设计。首先建立原车的三维模型，基于HyperMesh 建立各个连接单元、部件塑性及材料性能参数等。根据实际侧面碰撞的载荷要求，进行测试和仿真，获取的模型对比结果如图6 所示。

图中结果可知，模型很好的反应了实际车型的碰撞结果，B 柱的变形保持一致，选取上部、中部、下部三个关键位置点进行关键参数对比，如表2 所示。由表中结果对比可知，二者的误差控制在10%以内，模型很好的反映真实车辆B 柱的状态，可以以此进行轻量化设计。B 柱原用材料为DP590，厚度为1.8mm，采用前述优化设计方法，经过多轮次优化，最终选用材料为DP780，厚度为1.4mm，补丁板也选用DP780，厚度为1.2mm。采用点焊技术，将二者连接，同时对增加补丁板位置进行修磨，增加该位置的过渡圆角，引导B 柱的变形，优化设计后结构如图7 所示。

采用上述侧面碰撞分析方法，获取优化设计前后，侵入量、对比如表3 所示。

表3 侵入量对比

Tab.3 Comparison of Invasion Volume

由表中对比结果可知，优化设计后，三个观察点的侵入量和侵入速度均比原设计具有较大幅度的降低，表明侧面碰撞的安全性得到一定程度的提升。将设计方案安装到实际车辆，进行侧面碰撞，台车速度为50km/h，提取侧面碰撞过程中，B 柱各点的侵入速度和侵入量结果变化曲线如图8 所示，提取最大值与仿真分析结果对比如表4 所示。

由实测结果变形图可知，碰撞后B 柱保持完整无折断，车门可打开，满足碰撞标准要求。车型为满足五星安全标准要求时，需要满足最大侵入量不超过310mm，最大侵入速度不超过18.5mm/s，测试结果可知，方案满足五星标准要求；而实测结果与仿真结果则保持一致，二者的最大误差不超过5%。结果表明，优化设计方案是可靠的。优化设计前，B 柱重量为7.35kg，优化设计后的重量为6.58kg，减重10.5%，减重效果明显。

结论

1）B 柱侧面碰撞开始后，各观察点的侵入量迅速增大，位置2 的侵入量最大，其次为位置3，位置5 最小，而从发生侵入到车内的时间来看，位置1 到位置5 的顺序依次发生；位置4 和位置5 在开始阶段位移为反方向的，即向着车身外侧运动，之后才向内运动，这与其他位置是存在一定差异的；位置1 到位置5 依次发生运动，其中位置3 的速度最大，而位置5 的速度最小，即门槛位置速度最小；

2）B 柱增加补丁板，材料厚度减薄后，整个零件碰撞安全性得到明显提升，最大侵入量和侵入速度均减小；方案保证安全性提升的同时，实现了较好的轻量化效果；3）实车碰撞后B 柱保持完整无折断，车门可打开，满足碰撞标准要求，最大侵入量和最大侵入速度满足五星标准要求；

4）侧面碰撞的实测结果与仿真结果则保持一致，二者的最大误差不超过5%；优化设计前，B 柱重量为7.35kg，优化设计后的重量为6.58kg，减重10.5%，减重效果明显；结果表明，补丁板优化设计方案是可靠的，为此类设计提供参考。

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