摘要：為提高汽車碰撞后側面的安全性，對汽車B柱進行耐撞性能優化及輕量化設計。利用Hypermesh軟件劃分車輛網格，建立汽車有限元模型。采用LS-DYNA軟件分析優化結果，通過B柱加強版進行總成集合化處理，從而實現B柱加強板總成屬性轉移。采用CAE軟件進行仿真實驗，確定2k因子對性能造成影響的關鍵與非關鍵因素,通過B柱熱成型優化設計提高車輛輕量化效果。實驗結果表明：應用該方法優化后，車輛B柱輕量化比基礎模型升高了15.4%，車輛整體質量減輕了19%以上。通過對汽車側面碰撞試驗B柱進行耐撞性能實驗，可知汽車B柱幾乎沒有發生變形，車廂內假人胸腔未出現損傷。

關鍵詞：側面碰撞；B柱；耐撞性；輕量化；優化；CAE分析

隨著經濟快速發展，汽車已經成為人們日常生活的主要交通工具[1-2]。伴隨著市場需求與相關法規對汽車碰撞安全性能要求逐年提升，車身質量隨之增加。

汽車的側面位置是整車中最薄弱的部分，其可以分散沖擊力的部件極少，一旦發生碰撞，將給乘坐人員生命安全造成極大的威脅。門檻梁總成與A柱、B柱、C柱、前門及后門是轎車側圍的主要部件，其中B柱作為車身側面主要承力部件，在汽車發生側面碰撞時，不但要承受巨大的沖擊力還需要給車門與車欄等部件提供支撐[3-4]。同時，影響乘坐人員安全性的關鍵指標是B柱的入侵速度與入侵量[5-6]。由此可知，提高側面碰撞時汽車的安全性，首先要增強B柱的耐撞性。

我國自20世紀80年代開始對汽車側面碰撞進行研究，研究方向為改進門欄梁厚度、多角度改進B柱的受力結構。本文從提高汽車B柱耐撞性、汽車輕量化設計兩個方面對汽車車體進行優化設計，從而提高汽車安全性。

 建立并驗證有限元模型

汽車側碰動態響應是一個復雜的過程，汽車側面碰撞有限元模型依據真實實驗構建[7]。以國產某轎車為研究對象，建模流程如圖1所示。

圖1 建模流程圖

1.1 網格劃分

本文采用“面對面”的接觸類型構建B柱碰撞有限元模型[8-9]。模型建立前首先需要劃分網格，該過程工作量巨大，需要清理幾何模型中較小的圓角與孔，目的是預防網格畸形，保持網絡連續性，使幾何模型與網格貼合效果良好。因此在劃分網格時，將可能發生大變形的區域的單元長度控制在8 mm左右，而最小單元長度控制在4 mm左右。

在構建B柱碰撞有限元模型時，首先要注意幾何坐標系方向的選取，并生成ruled曲面，然后再用convert將曲面劃分成網格，最終建立的模型包含2 614個節點、2 732個單元。

在完成上述兩種有限元模型的網格劃分后，采用sweep清掃菜單消除重復的單元元素與幾何元素，再利用check檢查是否存在畸形反向單元，最后采用renumber重新編號，以保證每個結構的網格劃分都是有效的。

1.2 有限元模型建立

采用Hypermesh軟件劃分汽車網格，按照真實車輛CAD三維模型建立汽車有限元模型[10]。采用較小的網格建立如B柱、車門這類對頂壓與側面碰撞影響安全性能較高的部件模型，采用較大的網格建立如前后縱梁、玻璃這類對頂壓與側面碰撞影響安全性能較低的部件模型。考慮到實際車輛采用的是低碳鋼薄板(延伸性能好)，構建汽車有限元模型時定義車身覆蓋件采用分段式彈塑性材料。根據我國《汽車側面柱碰撞的乘員保護》法規規定，以4與1.44作為有限元模型應變率參數P與C的值，建立側面碰撞有限元模型，如圖2所示。該模型中，模擬車輛A以時速60 km/h垂直撞向模擬車輛B，設定0.105 s為仿真碰撞時間。

圖2 側面碰撞有限元模型

在構建側面碰撞有限元模型時，既要保證車身主要框架的完整性，也要盡量反映汽車的實際物理力學性能。為了減少工作量，適當簡化車身骨架模型，以便形成較少的單元數量和簡潔的單元形態，從而達到簡化運算的目的。車身作為汽車側面碰撞的主要承載構件，對其進行有限元分析時，在不影響仿真結果的前提下，可省略一些非承載用的輔助構件，同時簡化截面形狀。

1.3 側碰安全分析

本文以優化汽車B柱性能為主要研究目標，調整車輛模型的車頂橫梁、車門防護桿與門欄等零部件的厚度。在車輛碰撞仿真中，B柱有兩個隱患：其一，在B柱側碰發生后變形模式不理想,由于侵入速度較快，導致腰線嚴重變形，將假人放入仿真實驗中，撞擊腰線會導致假人胸部嚴重受損，若實際使用可能會造成較大的胸損傷風險[11]；其二，如圖3所示，加強板的過度使用加大了車輛的質量，不利于輕量化，并將增加車輛裝配的復雜性及設計難度[12]。針對以上兩個問題，本文對B柱的耐撞性進行優化并對輕量化展開設計。

優化B柱耐撞性及輕量化設計

隨著國內外相關法規對車輛碰撞的要求不斷提升，大量的新材料、新手段、新工藝應運而生，本文為實現輕量化設計及優化車輛耐撞性，對車輛B柱展開以下優化設計[13]。

圖3 優化前的B柱結構

2.1 B柱加強板集成式設計

上部加強板的上下端位置、斷面尺寸、強度以及零件的厚度和材料均是影響汽車B柱加強板性能的重要因素。使用熱成型技術對B柱加強板進行總成集合化設計，實現B柱加強板總成屬性轉移。根據仿真中側碰位置受力的不同，將B柱自上而下分為3段，每段的材料厚度均不相同，對每兩段材料進行連接。零件強度在熱成型技術下可以達到1 600 MPa。由于受到車門結構與汽車框架結構的影響，斷面尺寸受到限制。為了達到輕量化的目標，提高B柱側碰性能，需研究B柱加強板中的第一、第二分界高度以及上、中、下3部分的厚度[14]。

2.2 2k因子實驗設計

為節約碰撞實驗的成本，縮短實驗周期，采用CAE(computer aided engineering)分析軟件仿真、預估、評價優化車輛的碰撞性能。2k因子實驗設計過程中為平衡成本、質量以及性能，需確定對性能造成影響的關鍵與非關鍵因素。2k全因子與部分因子設計都屬于2k因子實驗設計，每增加一個因子就會導致實驗次數增長一倍，2k全因子設計不適用因子數較多的實驗，本文將2k部分因子設計應用于CAE仿真，以優化車輛側碰性能。

將車腰線處B柱內板侵入速度與侵入量兩個性能指標作為汽車集成式設計的關鍵質量指標，其中侵入速度又稱為側碰侵入速度，侵入量又稱為側碰時侵入量。用Mintab軟件研究B柱加強板中的第一、第二分界高度以及上、中、下3部分的厚度，以測試侵入速度與侵入量的響應靈敏度情況，從而確定優化效果。此時選擇部分因子為25，實驗設計見表1。

2.3 B柱熱成型優化方案

結合現有的B柱加工工藝，設計基于2k因子的B柱熱成型技術優化方案。表2為B柱基礎模型與優化模型參數。由表可見，優化設計的汽車模型輕量化效果極優。

表1 實驗設計

表2 B柱優化方案參數表

實驗分析

以一汽大眾2015款速騰為實驗對象，該車最高時速為220 km/h，0～100 km/h加速時間為9.3 s，車身質量為1 395 kg，仿真操作系統為Windows10，仿真軟件為avl cruise軟件，avl cruise操作界面如圖4所示。

圖4 avl cruise操作界面

汽車加速度的變化是車輛碰撞過程中保證安全性能的關鍵指標，進行車輛側碰實驗前將加速度傳感器安裝在汽車不被撞擊側的B柱下端，因其變形不大，且接近汽車質心位置，所以采集此處的加速度代表性強。通過avl cruise軟件對實驗車輛B柱遭到撞擊時的加速度進行仿真，并將仿真結果與實驗結果進行對比分析，結果如圖5所示。

圖5 車輛加速度對比

從圖5可見，車輛加速度在實驗與仿真中變化趨勢只有在45～65 ms存在較大差異，其余時間段的車輛加速度變化不大，說明該汽車有限元模型是有效的。

應用本文優化方法分析實驗車輛B柱的輕量化與耐撞性時，車體材料使用M3、M4、M5、BTR165和DP600 這5類熱成型材料，材料主要特性見表3。

表3 材料主要特性

由表3可知，M3、M4以及M5因為加熱爐溫度不一致導致材料強度出現差異。采用本文方法優化設計后，實驗汽車側碰侵入量、B柱總成與吸收能量的仿真結果見表4。實驗過程中在實驗車輛的B柱從上到下隨機采集7個點，編號為P1～P7，從中選擇P3～P7測定侵入量。P1～P7位置如圖6所示。

圖6 采集點位置示意圖

表4 優化模型與基礎模型的效果對比

由表4可知，優化模型的輕量化百分比為15.4%，而基礎模型為0，說明本文優化方法對實驗車輛的輕量化設計效果極佳，且優化模型的B柱總成質量為5.41 kg，相比基礎模型的6.42 kg減輕了1.00 kg，使得實驗車輛整體質量減輕了19%。

對實驗車輛基礎模型以及優化模型進行仿真模擬，結果如圖7所示。

由圖可知，在吸收能力方面，優化模型始終高于基礎模型，在120 ms時達到最高，為800 J，而基礎模型最高也僅有480 J左右；對比侵入量，優化模型的結果也明顯比基礎模型要好，優化模型的侵入量最高也僅有35 mm，而基礎模型的侵入量均在50 mm以上。相較于基礎模型，優化后的實驗車輛安全性能更高，更能有效提升車輛B柱各項性能。

基礎模型撞擊實驗如圖8所示。

由圖可見，汽車車輪附近嚴重變形，B柱也發生扭曲，駕駛室位置車門凹陷嚴重，車門勉強打開，假設此時有人乘坐該車輛，胸部及肋骨將會受到嚴重損傷。

采用本文優化方法設計的實驗車輛側碰結果如圖9所示。

實驗車輛進行側碰實驗的同時也進行了前碰撞實驗，相比于前翼子板的嚴重變形，優化后的實驗車輛B柱幾乎沒有發生變形，僅車門前部位置出現輕微凹陷，但乘員艙沒有變形，兩側車門都可以正常打開，車廂內假人胸腔未出現損傷，說明本文方法優化后的實驗車輛B柱耐撞性得到了提高。

圖7 安全性能仿真模擬結果

圖8 基礎模型撞擊實驗

圖9 優化后側碰實驗

結束語

本文采用Hypermesh軟件劃分汽車網格后，基于實際車輛CAD三維模型構建汽車有限元模型，依據汽車有限元模型以及我國《汽車側面柱碰撞的乘員保護》法規，建立汽車側面碰撞有限元模型,并通過B柱加強板總成集合化、2k因子實驗設計以及B柱熱成型優化，實現汽車B柱耐撞性優化及輕量化設計，提升了汽車側面耐撞性，增強了車輛的安全性能。