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发表于 2020-3-24 08:59:14 | 显示全部楼层 |阅读模式

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本帖最后由 inshu 于 2020-3-24 09:02 编辑

热成型件在铝车身B柱总成的应用

欧阳伟刚
(奇瑞新能源汽车股份有限公司,安徽 芜湖 241000)
摘要:一款新能源铝车身开发过程中,热成型B柱总成结构应用替代铝材B柱结构,通过对整车侧碰CAE过程分析,通过对逐步满足侧碰分析目标。热成型材料因其可以利用单件热成形零件取代多层焊接结构,在汽车车身制造中应用越来越广泛。热成型零件的断面结构,是其能否达到高强度与轻量化两方面要求的关键。采用热冲压成型技术制得的冲压件屈服强度可高达1200MPa,且高温成型几乎没有回弹,具有成型精度高、成型性好等突出优点,因此引起业界的普遍关注并迅速成为汽车制造领域内的热门技术,广泛用于车门防撞梁、前后保险杠等安全件以及A柱、B柱、C柱、中通道等车体结构件的生产。
关键词:热成型工艺;侧碰;刚度;B柱

引言

基于环保和节能的考虑,整车轻量化已经成为汽车行业发展的趋势和潮流。轻量化是指在保证汽车安全性能要求的前提下,尽可能地降低汽车的重量,比如整车重量降低10%,燃油效率可提高6%-8%;从而达到提高汽车的动力性、经济性,减少燃料消耗,降低排气污染。考虑该新能源车要满足18版CNCAP 5星要求,B柱总成使用铝板和型材结构,难以满足侧碰要求,选择使用热成型件总成,来满足相关目标要求。目前传统车身安全件普遍采用1000~1500 MPa级的超高强零件,但是高强度钢板强度越高,成形性越差,尤其是当钢板强度达到1200MPa时,常规的冷冲压成形工艺几乎无法成形。热成型技术的采用可以很好地解决超高强零件的成型问题。

使用热成型B柱结构,要解决和铝骨架车身的连接,同时通过CAE碰撞分析,来完善和解决热成型B柱的目标达成问题。


1 热成型技术发展历程

19世纪中期,瑞典SSAB公司研发出了第一代热轧与冷轧含硼钢;20世纪70年代,热成型工艺首先在瑞典得到开发并取得专利。

瑞典SSAB 汽车公司在1984 年成为第一家采用硬化硼钢板的汽车制造商,生产出第一件热成型汽车零件——客车门内防撞梁。随后,这一技术相继应用于保险杠横梁、A柱和B柱加强件以及底盘组件等,但是由于加工缓慢,且价格高,应用热成型技术生产的零件种类非常有限,只被原始设备制造商所接受。

80年代中期之后,热成型技术进入高速发展阶段,当时有3 家公司可提供零件;1991 年,热成型保险杠横梁用于福特汽车;全球生产的热成型零件数量从1987年的3百万件增加到1997年的8百万件。从2000年起,更多热成型零件被用在汽车上,而且年产件量在2007 年上升到约1.07 亿件。2013年,约80%的白车身骨架类零件均可由热冲压技术加工,产量超过3亿件。

目前,全世界热成型生产线已超过200 条,Benteler 拥有其中近40%,是世界上最主要的热成型零件供应商,GESTAMP 是世界上首个提供热成型件的厂家,其客户主要集中在欧洲车系,COSMA也是主要的热成型供应商之一。国内热成型零部件企业近年发展突飞猛进,建成(含在建)的生产线有50多条,其中比较著名的是上海宝钢、上海赛科利、屹丰集团、凌云吉恩斯等。


2 热成型技术概述

目前,热成型分为直接热冲压和间接热冲压。在直接热冲压中,半成品先被加热,再转移到闭式模具内成型和淬火;间接热冲压主要使用预成型冷模,对形状较为复杂或拉延较深的零件先进行一次冷冲预成型,之后与直接热冲压工艺基本相同,如中通道等零件。热成形钢板经过900°C以上高温加热一体成形,通过模具内部冷却水道的冷却,使钢板屈服强度达到900-1200Mpa。热成型零件具有较好的材料性能,加热后钢板材料拉延性好,零件翻边反弹小,可以实现复杂状态下的零件成型。热成型零件应用到车身设计中,可以大幅度提高总成系统安全性能,大幅度降低重量。满足行业严格的CNCAP碰撞安全性要求。

热成型钢板为超高强度车身材料,具有极高的机械安全性。而热成型钢板则主要应用于前、后保险杠骨架以及A柱、B柱等重点部位,在发生撞击时,尤其在正面和侧面撞击时,可有效减少驾驶舱变形,保护驾乘人员的安全。当前各大乘用车主机厂在乘用车的这些相关位置,都不同程度采用了热成型技术。


3 B柱的整体结构

B 柱零件应尽量采用规则的形状设计,降低不对称度,B柱的截面形状应该尽量简单对称。对称度较差的零件设计,会导致坯料难以定位。在成形过程中,坯料还可能会产生转动,模具与坯料接触状态差,甚至影响材料的流动和淬火冷却。

车身B柱一般包括B柱加强板,铰链加强板,B柱内板等几个零件组成。B柱抗侧碰性能关键取决于加强板的截面尺寸、材料性能、材料料厚等因素。B柱内板只是作为封闭截面内部的支撑和弥补作用。根据C-NCAP规则,CAE分析和实车测试时,在B柱内板不同部位取点,用于量取侵入量和侵入速度。


3.1 结构方案描述

总布置上下方便性要求,目前的门槛与18版侧面碰撞壁的重叠量为零(侧面碰撞壁下边沿与门槛上边沿距离为11mm),侧碰力全部由门及B柱承受,B柱只有采用热成型高强板材料才具备满足碰撞安全的可行能。

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图1 结构方案

结构特点:1、侧碰主要受力结构;2、后车门铰链、限位器安装点;3、前车门锁扣安装点;4、前排安全带卷收器安装点;5、前后车门玻璃升降空间问题决定B柱上窄下宽。

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图2 总布置图
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图3 B柱结构图

B柱加强板采用热成型钢,内板采用高强钢板,点焊连接后电泳处理。B柱总成与顶边梁单面贴合,与门槛梁外侧面及止口配合。 B柱、B柱连接板与型材连接工艺为哈克铆钉连接,同时钢板与铝型材间增加结构胶,用于增加连接强度与钢板防锈。


3.2 B柱总成工艺路线
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图4 B柱总成工艺路线

B柱内外板焊接为总成电泳完成后供货给分总成供应商。分总成供应商将B柱连接到侧围总成后供货给主机厂。


3.3 B柱上下端与铝车身连接方式
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图5 B柱上下端与铝车身连接方式

4 CAE仿真
4.1 碰撞CAE仿真的基础理论

汽车碰撞是一个高度非线性的复杂过程,包含了应变率相关性强的材料非线性、以大变形和大位移为特征的几何非线性、接触摩擦为特征的状态非线性。目前汽车碰撞过程的仿真模拟都是采用显示有限元法,其是基于有限元方法的空间域离散技术和基于有限差分法的时间域离散技术。显式有限元法的基本理论如下:

(1)运动方程

对于任意体现V,表面为S,由动量定理可知:

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式中:ρ—当前物体的质量密度;f—单位质量的体积力;p—面力; 9f3dabde9daa9de5610ab8786966e13b.jpg —速度

(2)几何方程(应变-位移关系)

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式中:εij—应变张量;

ui,j、uj,i—相对位移张量。

(3)本构方程(应力-应变关系)

在弹性阶段,应力满足屈服不等式 d344de1050e70a4fc613015b188024b6.jpg 为屈服函数,其本构关系满足广义胡克定律;在塑性阶段,应力满足屈服函数 8e8ffe5e7c79e40353ba19e4aabdc833.jpg ,当应力进入塑性状态后,总应变εij分为两个部分:弹性应变部分和塑性应变部分,其中弹性部分服从胡克定律,塑性部分与加载路径有关,本质上是增量关系。

总应变增量与应力偏量的关系,即普朗特-雷斯方程:

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式中:Sij—应力偏量

dλ—非负的标量比例系数,可根据加载历史的不同而变化。

(4)边界条件

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这里Su+Sσ=S,S为弹性体全部边界,式中第一项为位移边界条件,第二项为力边界条件。

通过上述运动方程、几何方程、本构方程,再给定边界条件,问题方程是可以求解的。


4.2 第一轮CAE分析结果
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图6 侧面碰撞变形对比


从相关碰撞变形对比图来看,风险点集中在以下两个结构区域:(1)B柱中部结构截面处的刚度偏弱,在移动壁障的冲击下发生明显溃缩变形;(2)前车门防撞板中部弯折幅度较大,导致车门靠近假人侧侵入量偏大。

侧面碰撞存在的问题主要是B柱区域刚度匹配不合理,导致B柱中段弯折变形,需要对B柱区域重新匹配刚度,进行优化。

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图7 B柱侵入量曲线
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图8 B柱入侵速度曲线
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图9 前车门侵入量曲线
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图10 后车门侵入量曲线

5 改进措施

提升B柱内板的材料强度,将其材料牌号提升至HC420/ 780DP;增加B柱外板厚度,将其厚度改为1.4mm;增加B柱外板加强板。目的是提高B柱整体刚度,减小B柱及前后车门入侵量。

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图11 改进后对比

6 第二轮分析结果

通过改进B柱总成材料料厚,提高热成型件B柱外板料厚1.2mm到1.4mm。B柱内板材料HC340/590DP到HC420/ 780DP。增加B柱外板加强板,HC420/780DP,1.6mm。侧碰CAE分析侵入量基本达到目标值,达到初期产品设定。

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图12 前车门及后车门侵入量
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图13 B柱入侵速度及侵入量曲线
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图14 侧面碰撞变形对比

表1 侧面碰撞性能概述
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7 结论

(1)汽车安全和轻量化要求是产品设计的两个关键需求,二者存在一定的相互制约关系。通过设计阶段有限元模拟分析,可以对设计人员提供理论分析依据,通过多款车型试制验证分析对标,设定早期分析目标设定,通过CAE分析手段来满足结构达成。

(2)通过描述使用热成型材料B柱外板,以及普通材料加强板和内板的传统结构B柱总成,通过铆接加结构胶连接方式,和全铝车身部分,连接形成混合车身骨架总成。

(3)热成型B柱在铝车身中提高了对汽车防撞级别的要求,这些部件的强度级别更是关系到整车的安全星级。采用热冲压工艺后,尤其是轿车车身所用高强度或超高强度钢板的厚度可以降低,同时由于部件的强度得到大幅度提高,并在同等条件下提高了车身的防撞安全性。


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