目前，汽车轻量化能够达到节约能耗和降低碳排放等目的，但是车身在轻量化的同时，还要考虑车身的碰撞性能是否降低等问题。因此，轻量化和安全性能是汽车行业重点关注的两大问题[5-8]，而热成形钢由于其具有高强度、成形性好等优点，正被广泛的应用在车身结构件上，是解决两大问题的有效方法。

 

本文以某新车型白车身为研究对象，依据 C-NCAP 碰撞法规，使用 ABAQUS 软件对 B柱加强板的侧碰性能进行分析。在保证驾驶室成员生存空间及 B 柱质量要求下，通过热成形钢 PHS2000 选材及优化，探究热成形钢 PHS2000 在白车身侧碰安全性能中的应用。

 

材料力学性能

热成形钢材料在淬火后，组织从奥氏体组织转变成马氏体组织，从而获得超高强度。因此热成形钢解决了随着钢板屈服强度提高其成形性能变差的问题，可以减薄实现轻量化。

 

本文优化白车身中的B柱加强板用材，应用PHS2000热成形钢替代传统高强钢DP590，厚度从 1.5 mm 降到 1.2 mm。依据标准 GB/T228.1—2010 进行静态拉伸实验，如图 1 所示。

 

 

图 1 不同钢种工程应力应变曲线：（a）DP590；（b）PHS2000

 

有限元模型建立

本研究的白车身重 307.9 kg，网格划分标准为 10 mm×10 mm，控制其最小尺寸为 3 mm。有限元模型如图 2 所示，基础数据见表 1。ACM（Area Contact Method）为载荷通过接触面传递的焊点。

 

 

图 2 白车身的正面碰撞仿真分析数模

 

表 1 白车身基础数据

 

 

车身模型的连接，包含缝焊、点焊、螺栓/铆钉、胶粘、铰接等连接方式装配，如图 3所示，设置 REB2 刚性螺栓，焊点为 Hexa 多边形焊点，焊缝采用二维面网格焊缝，焊点的密度设为 7.85×10-9 t/mm3，弹性模量为 210 GPa，泊松比为 0.3。

 

 

图 3 白车身的连接

 

侧面碰撞研究

3.1 车身侧碰模型

白车身侧碰模型如图 4 所示，依据 C-NCAP 2018 法规，侧面碰撞速度 50 km/h，设置刚性地面及可移动壁障，壁障重量为 1400 kg，壁障撞击位置为前排座椅设计参考点，蜂窝铝离地 300 mm。

 

 

图 4 白车身侧碰模型

 

侧碰仿真结果分析

白车身侧碰工况下结构质量增量图如图 5 所示，图中可以看出最大质量增量为 0.89%，远小于 5%。白车身结构在碰撞过程中的动能、内能、沙漏能和总能量曲线如图 6 所示，在碰撞过程中，满足能量守恒定律，台车系统的动能转化成台车蜂窝铝及白车身零部件系统的内能，沙漏能与滑移能的变化较小。沙漏能占总能量比率远小于 5%，说明模型计算结果真实可信。

 

 

图 5 侧碰工况下白车身结构质量增量

 

图 6 碰撞能量曲线图

 

材料优化侧碰分析

对 B 柱加强板进行材料优化，传统材料 DP590 的 B 柱加强板重量为 4.397 kg，优化PHS2000 后的 B 柱加强板重量为 3.518 kg，因此 B 柱加强板实现轻量化 19.99%。

 

分别选择 B 柱对应乘客头部、胸部、腰腹及骨盆位置的点位进行考察，在模型中抓取相应位置刚性点并选取右侧 B 柱加强板对应点位，以考察 B 柱加强板侵入量及侵入速度。

 

对于汽车碰撞来说，车身变形量的大小反映了车体被损坏的程度与车身的抗碰撞能力。图 7 分别为优化前与优化后整个 B 柱加强板在侧碰后的形变云图，随着时间推移 B 柱加强板变形越来越严重。仿真中仅有白车身承受台车的力，缺乏车门、防撞梁等结构，因此 B柱加强板变形很严重，但是从图中依然可以看到，优化材料后的白车身 B 柱加强板变形量明显小于原白车身，优化效果明显。

 

 

 

图 8 为 B 柱加强板材料优化前后头部入侵量，图 9 为头部入侵速度曲线。从图中可以头部入侵量从优化前的 477 mm 降低至优化后的 445 mm，降幅为 6.7%，入侵速度也有所降低。

 

 

图 8 头部侵入量：（a）优化前；（b）优化后

 

 

图 9 头部入侵速度：（a）优化前；（b）优化后

 

统计各考察点的入侵速度，整理后的最大侵入量如表 2 所示，可以看出相比于原白车身，优化 B 柱加强板材料后的白车身侧碰性能更好，在碰撞过程中结构保持更加完好，在侧碰中头部、胸部、腹部、髋部侵入量分别降低 6.7%、10.2%、14.0%、25.6%，材料替换效果良好。

 

表 2 原材料与优化材料后 B 柱加强板侧碰最大侵入量 mm

 

 

通过有限元分析方法，对新车型 B 柱加强板材料优化前后的碰撞性能进行了分析，应用热成形钢 PHS2000 替代传统高强钢，结果表明：

1)热成形钢替代传统高强钢后，B 柱加强板材料优化前后头部入侵量从优化前的 477 mm 降低至优化后的 445 mm，降幅为 6.7%。

2）侧碰过程中，头部、胸部、腹部、髋部侵入量分别降低 6.7%、10.2%、14.0%、25.6%。

3）对 B 柱加强板进行材料优化后，B 柱加强板轻量化 19.99%，轻量化的同时达到了碰撞性能提升的目的。

 

资料来源：达索官方