【技术帖】考虑侧面碰撞分析电动车身B柱轻量化设计

在白车身中，由A柱、B柱、C柱、上边梁、门槛梁、地板横梁、顶盖横梁组成的车身笼式结构，是抵抗碰撞变形的车身骨架结构。在发生车辆侧面碰撞中，由于车身侧面结构没有充足的空间来吸收碰撞能量，汽车侧围结构件直接侵入车内与乘员接触，使得乘员的生存空间变小是造成乘员受伤的主要原因，汽车侧围部件的侵入量和侵入速度直接影响乘员胸部的损伤值[1]。侧碰过程中，B柱起到重要的支撑保护作用，为了保护乘员安全，可以通过材料、结构、工艺等的综合有效设计，实现在碰撞中的承载和吸能的协调，保护人体的安全。轻量化可有效提升整车的燃油经济性，是未来发展的重要方向，B柱作为车身的大型结构件，也是开展轻量化的重要零部件。因此，在满足安全性需求前提下，对B柱开展轻量化设计，具有重要意义。

针对B柱轻量化，学者们开展了一定的研究：文献[2]采用对比不同国家侧面碰撞法规下，相同的B柱结构的安全性，对比不同冲击速度下的最大侵入量差异；文献[3]根据C-NCAP侧碰项目要求，基于仿真分析模型，对比不同材料参数下，B 柱的安全性差异，以获取最优的材料设计；文献[4]采用试验和模拟对比的方法，分析了B柱材料模型参数设置，用以校正本构模型的准确性；文献[5]采用建模分析的方法，对比分析了不同的结构形式的侧碰安全性，以此作为设计的参考；文献[6]采用不同材料组合，对比激光拼焊设计下，B柱的侧碰安全性，以获取最优的材料和结构组合，提供设计参考。

根据侧碰安全性要求和人车相对位置情况，建立侧面碰撞仿真分析模型，选取B柱侧面5个重要位置点的侵入量和侵入速度，并对侧围局部总成的侵入量进行分析；在分析的基础上，采用材料轻量化和结构工艺轻量化，对B柱进行激光拼焊设计；基于成形工艺分析，对最佳焊缝位置进行设计，对侧碰侵入量和侵入速度进行分析，用以验证可靠性，并对轻量化效果进行分析；应用实车侧碰安全性，对设计方案进行可靠性验证。

在汽车侧围结构件中最重要的B柱结构，如图1所示。直接起到抵抗侧面撞击、吸收冲击载荷的作用，对于汽车侧面碰撞时乘员受伤程度有着直接影响[7]。

图1 B柱结构图
Fig.1 B-Pillar Structure Diagram

在汽车侧面碰撞试验中，与正面碰撞的主要不同是添加移动变形壁障车（MDB），目的是用来代替侧方行驶过来的车辆，采用侧面撞击来检查车身侧面碰撞时的侧围B柱安全性的问题[8]。最终选用LSTC公司提供的符合ECE R95标准侧面碰撞移动变形壁障模型作为仿真试验所使用的台车，选用的MDB重量为950kg。结合C-NCAP中可变形侧碰台车的整车碰撞试验法规，选取了该笼式结构中的A柱、B柱、上边梁和门槛梁构成的侧围局部小总成结构为研究对象[9]。将壁障和总成模型进行组合，获取的基础分析模型，如图2所示。并根据台车和零件的相对位置，建立分析坐标系。

图2 侧面碰撞仿真模型
Fig.2 Side Impact Simulation Model

在Hypermesh软件中设置的B柱材料属性，如图3所示。对所研究的零部件采用3mm网格尺寸，其他自动划分即可，据此整个模型共划分920200个网格单元，基于图3建立材料模型，输入总成模型，设置整个过程的冲击参数、接触参数及整体时间等[10]，输出K文件，用于LS-DYNA求解，进而获得整个B柱的侧碰仿真分析模型。

图3 材料设置卡片
Fig.3 Material Setting Card

B 柱原用材料为DP590，屈服强度为335MPa，抗拉强度为628MPa，材料的厚度选用1.8mm。根据C-NCAP要求[11]，设置台车的速度为56km/h。碰撞过程参考点的选取依靠乘员与车身的相对位置，如图4（a）所示。从上到下选取5个关键位置参考点，如图4（b）所示。选取过程中的关键参数进行对比分析，主要包括侵入量和侵入速度，整个过程时间设置为0.05s，获得的分析结果，如图5、图6所示。

图4 B柱侧面碰撞测量点
Fig.4 B-Pillar Side Impact Measurement Point

图5 各测量点侵入量
Fig.5 Intrusion Amount of Each Measuring Point

图6 B柱各测量点侵入速度
Fig.6 Intrusion Velocity at Each Measuring Point of B-Pillar

由图5中侵入量的变化趋势可以看出，整个碰撞过程中，所有点的侵入量都随着时间的深入而增大，虽然部分点的变化存在波动，但整体趋势保持一致，均在增大，D2位置最大，其次是D3和D4，最后是D1和D5，并且从变化曲线可以看出，从位置1到位置5依次进行碰撞环节，即发生变化。而位置4和位置5首先开始回弹，即最先向外凸起，之后又开始向内侵入，如此反复；位置3也发生如此变化，但反复次数较少且幅度也偏小，而位置1和位置2则未发生反复凸凹的过程，而是直接侵入车内。

由侵入速度图可知，侵入速度波动较大，整体呈现先增后减的趋势，其中位置3最大，其次是位置4和位置2，而位置1和位置5较小，即最上端和最下端较小。同时可以看出，整个碰撞过程中，从位置1到位置5的顺序先后产生侵入速度。同时，得到不同材料方案的该局部总成的碰撞仿真结果对比图，如图7所示。从图7中分析可以看出，最终呈现的变形云图与图5所示的侵入量具有较高的一致性；侧碰过程中，在B柱与台车接触的位置，即人体的腰部位置侵入量最大，也即发生最大变形的位置为B柱D2位置，从该位置向上向下逐渐减小，而整个总成的最大变形量为243.6mm。

图7 侧围局部总成侧碰结果
Fig.7 Side Impact Result of Side Wall Partial Assembly

3.1 材料轻量化

原设计材料为DP590，厚度为1.8mm，可以将强度提升为DP780，材料的屈服强度为456MPa，抗拉强度为823MPa。根据式（1）的等效公式可得，替换材料的厚度范围为（1.42～1.53）mm，这里进行取整为1.5mm。

3.2 结构轻量化

根据前文分析结果可知，B 柱发生最大变形的位置均是D2位置，即人体的腰部位置，而下端与门槛搭接部位的侵入量则较小，基于此可以采用激光拼焊技术对B柱进行轻量化设计。依托于成形工艺分析，在可选取范围内对焊缝位置进行设计，可选范围为（320～430）mm，上端材料为DP780，厚度为1.5mm，下端为DP590，厚度为1.8mm，主要考查减薄率和冲压成功率，分析结果，如表1所示。

表1 不同方案成形结果
Tab.1 Forming Results of Different Schemes

由表中结果可知，焊缝高度为（340～380）mm 的方案均可以满足成形性要求，考虑到轻量化效果，则焊缝的最佳位置为距底部360mm。

3.3 侧碰安全性对比分析

基于Hypermesh建立侧碰分析模型，建模以及速度、材料参数设置等均与前文保持一致，获得此工况下的碰撞分析结果，侵入量、侵入速度及侧围局部侵入量的分析结果，如图8所示。

图8 轻量化方案分析结果
Fig.8 Analysis Results of Lightweight Scheme

由图8（a）所示的侵入量和侵入速度可以发现，优化后整体的变化趋势与原设计基本保持一致，但最大值与原方案相比，均有一定程度的降低，表明结构的安全性得到了提升。最大侵入量依然发生在位置2处，与图8（a）是一致的，最大变形量为221.3mm。两个最大变形量在碰撞仿真过程中的变化过程，如图9所示。

图9 两方案最大侵入量对比曲线
Fig.9 Comparison Curve of Maximum invasion Volume of two Schemes

图中可见，轻量化方案中的侵入量始终是小于原方案的。因此可以得出，激光拼焊材料方案的B柱和上边梁结构在局部侧围总成的侧碰仿真过程中，更具有抵抗变形的能力，会更好的保证侧围结构的侵入量以保证乘员的人身安全。轻量化前后B柱的相关参数对比，如表2所示。

表2 方案参数对比
Tab.2 Comparison of Scheme Parameters

由分析结果可知，轻量化优化设计后，实现轻量化减重24.4%；优化后，最大侵入量由243.6mm减小至221.3mm，减小了10.1%，整个结构的侧面碰撞安全性较原设计得到提升。

为了检验轻量化方案结果的可靠性，将其进行零件装车测试，侧围及B柱，应用整车碰撞台车进行侧碰测试，碰撞后车辆，如图10所示。在B柱上布置5个参数测点，获取整个侧碰过程中的侵入量和侵入速度，测试结果，如表3所示。

表3 B柱侧碰结果对比
Tab.3 Comparison of B-Pillar Side Impact Results

图10 实车对比分析
Fig.10 Comparative Analysis of Real Vehicles

由分析结果可知，实测结果满足碰撞要求，侵入量最大值为230.4mm，侵入速度的最大值为4.33mm/s，均小于最大限制；仿真分析和实测各个测点的结果保持基本一致，侵入量的最大误差为5%，而侵入速度的最大误差为5.4%，表明模型仿真分析结果的可靠性。从安全性分析结果可知，激光拼焊方案的安全性整体保持了原设计的效果，部分指标略有提升，表明激光拼焊设计结果是可靠的，为此类设计提供参考。

（1）侧碰发生过程中，最大变形的位置为B柱的D2位置，即人体的腰部位置，结构设计时需要重点予以关注；

（2）焊缝设计过程中，需要考虑侧碰安全性和成形工艺，同时满足轻量化要求，最终达到最优化设计；

（3）采用激光拼焊设计，材料为DP780+DP590，上部厚度为1.5mm，焊缝距底部380mm，实现轻量化减重24.4%；

（4）轻量化方案实现了产品减重，同时侧围局部总成侵入量由243.6mm减小至221.3mm，减小了10.1%碰撞安全性较原设计得到提升；

（5）实测结果满足碰撞要求，侵入量最大值为230.4mm，侵入速度的最大值为4.33mm/s，均小于最大限制；仿真分析和实测各个测点的结果保持基本一致，侵入量的最大误差为5%，而侵入速度的最大误差为5.4%，表明模型仿真分析结果的可靠性。