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[热冲压|热成型工艺] 基于热成形的变截面B柱优化设计

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发表于 2020-4-30 09:12:47 | 显示全部楼层 |阅读模式

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基于热成形的变截面B柱优化设计

李红,李阳,董江海
(华晨汽车工程研究院,辽宁 沈阳 110005)
【中国汽车材料网】摘 要:文章基于轻量化的需求,以基础热冲压成形B柱为对象,采用变截面热成形技术,进行不同截面厚度设计,并进行零件级别仿真分析,得到优化方案,最后进行整车验证分析,满足使用性能,并且实现轻量化。
关键词:变截面热成形;B柱;优化设计

[size=1em]为了保证整个车身的强度和刚度,车身结构件对材料的强度有着较高的要求。汽车车身设计在实现轻量化的同时,必须保证安全性能。热成形零件因其具有较高的强度,在保证安全性能的同时,可以达到减重的效果,因此得到了广泛应用。

[size=1em]近年来,变截面热成形技术也在车身上得到了应用,主要用于A柱、B柱、中通道等部位。该项技术首次应用于2011款奥迪A6的前挡板加强横梁和新福克斯的B柱,其中新福克斯B柱原设计为双层热成形零件,通过变截面技术应用,合成一层零件,在碰撞安全性能不降低的情况下,其质量大幅度下降,为汽车轻量化带来可观的收益。

[size=1em]在乘用车发生侧面碰撞过程中,车身B柱是重要的承载部件。B柱的变形模式和能量吸收对其入侵量和入侵速度有重要影响,并最终对乘员的安全性有重要影响[1,2]。针对于侧面碰撞时B柱不同区域的变形不同的特点,可以设计成变厚度,从而减重。

[size=1em]本文主要论述了将普通热成形B柱优化为变截面热成形B柱的设计过程。


1 benchmark分析

[size=1em]调研近年来euro car body会议资料,共有11款车型应用了变截面热成形B柱。具体车型如表1所示;福克斯B柱的厚度分布如图1所示。

[size=1em]根据以上竞品调研分析可见,变截面热成形B柱在轿车、SUV等车型中均有应用,厚度区间为1.2mm-2.9mm,分区形式为3段至多段,过渡区宽度及每个区间的宽度无明显规律,总体上呈现出中间厚、两边薄的分布特征。分析侧面碰撞法规实验,实验发生时,壁障撞到车上,B柱和门槛将载荷传递到车身顶部横梁和下部底板及车门防撞梁等零件上。为减小碰撞对人体胸部以上与车身接触的可能性,较少伤害,所以B柱设计为中间强,两边稍稍弱些;这样能够保证在碰撞过程中,上下两个部位先变形吸收能量,从而能够保证B柱不断裂,降低人员受伤的风险。

[size=0.8em]表1 应用变截面B柱的车型
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[size=0.8em]图1 2011年欧洲车身年会福克斯B柱厚度分布

2 搭建模型
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[size=0.8em]图2 简化模型示意图

[size=1em]根据文献[3]研究的成果。建立了B柱简化侧碰仿真模型。简化模型采用上、下两个冲击锤,主要用来模拟美国高速公路安全协会整车侧碰试验中移动小车前部上、下两个蜂窝铝可变形移动壁障。进而模拟冲击载荷,冲击锤模型设置为刚性体,冲击锤上、下两中心相对位置保持固定,大小冲击锤中心距设置为375mm,高度差30mm。B柱简化模型两侧约束5个自由度,放开Z向平动自由度,仿真时冲击落锤接触瞬间初始速度定义为30km/h,冲击锤加载质量为160kg,在B柱内侧位置取11个测量点,输出其测量点的侵入量及侵入速度。如图2所示。

3 方案制定

[size=1em]原基础B柱设计为1500MPa热成形材料,厚度为1.6mm。制定变截面方案时,结合基础模型变形情况及现有技术与加工工艺,制定了20种不同厚度及不同分界位置方案,见表2。利用前面搭建的B柱碰撞仿真模型进行了计算,得到侵入量结果,用于横向对比。

[size=0.8em]表2 各优化方案信息对比
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[size=1em]仿真的相关参数(关注点)为B柱11个关键点的入侵量。但是为了简化分析,根据以往经验关注点6在实车侧碰过程中侵入量最大,在实际仿真中主要关注点6的入侵量。所以本次分析中,也只采用了点6的侵入量。表3给出了基础模型和方案的模型质量参数及侵入量。

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[size=0.8em]图3 方案15具体数据模型

[size=1em]根据模拟结果,综合考虑成本、工艺,选取方案15作为最终方案。其中一区的厚度t=1.3mm,长度L=504mm;二区厚度 t=1.6mm,长度 L=503mm;三区厚度 t=1.4mm,长度L=303mm。三个区域的强度均为1500MPa。每段过渡区的长度为L=40mm,过渡区均匀过渡。具体信息见图3。

4 整车碰撞验证

[size=1em]将设计方案 15带入整车模型进行碰撞对比分析。图4为在碰撞过程中的关注点,表3与表4为差厚板B柱与原热成形B柱测量点侵入量与侵入速度的对比,由表3、表4可知,更改后的差厚板B柱与原热成形B柱相比结果变化不大,满足性能要求。

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[size=0.8em]图4 整车模拟分析考察点示意图

[size=0.8em]表3 最大相对侵入量分析结果
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[size=0.8em]表4 最大侵入速度分析结果
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5 结论

[size=1em]根据上述分析,优化设计方案虽较原方案性能略有降低,但满足目标性能要求。优化设计方案,较原方案重量降低9.32%。相比于铝合金、碳纤维等轻量化材料,无需改变生产线、连接方式等,性比价比高,可实施性强,是汽车轻量化不可或缺的选择。



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发表于 2020-5-6 12:37:06 来自手机 | 显示全部楼层
确实不错吧!
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