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汽車側(cè)面碰撞安全性B柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計研究
周棟亮 2022/11/27 8:56:23
（泰州技師學院 江蘇泰州 225300）
摘要：近年來，我國交通事故造成人員傷亡問題較為嚴重。其中，側(cè)面碰撞安全性問題發(fā)生頻率較高，對乘員人身安全威脅較大。由于汽車側(cè)面碰撞安全性在很大程度上取決于部件B柱結(jié)構(gòu)設計，因此，無論是材料的選取，還是結(jié)構(gòu)設計方案均需要給予足夠的安全性保障，在不同入侵速度條件下減少碰撞傷害。以汽車B柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計為例，采用局部加強的方式，在B柱結(jié)構(gòu)關鍵位置焊接補丁板。其中，優(yōu)化結(jié)構(gòu)中的B柱結(jié)構(gòu)材料為DP780，厚度為1.2mm，補丁板的加強板材料為DP780，材料厚度為1.0mm，該優(yōu)化結(jié)構(gòu)的重量僅有2.9kg。本次模擬仿真測試布設5個測點，設定3種工況，檢測不同工況下運用原設計加強方案和補丁板加強方案的入侵量最大值，通過對比相同工況下的兩種不同加強方案應用下的侵入量最大值，從而判斷本文提出的B柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案是否可靠。應用結(jié)果顯示，補丁板加強方案的侵入量最大值更小，3種工況下的應用均可以降低汽車B柱侵入量，40km/h、50km/h、60km/h工況的下降幅度分別為23.57%、18.60%、18.60%。
關鍵詞：B柱結(jié)構(gòu)；側(cè)面碰撞；補丁板
汽車結(jié)構(gòu)安全性的保障在很大程度上取決于B柱設計，當汽車側(cè)面遭受碰撞時，B柱在保護乘員和吸能方面起著較大作用[1]。因此，汽車的B柱設計顯得尤為重要。一般情況下，為了滿足汽車結(jié)構(gòu)安全性要求，以汽車B柱剛度和強度作為主要限定指標，所以選取加工材料的屈服強度較高，導致加工難度增加[2]。另外，從汽車燃油性能方面考慮設計問題，還應該將輕量化添加至設計要求中[3]。以往提出的汽車B柱側(cè)面設計方案，未能達到輕量化、安全性要求[4-5]。為了滿足這些汽車B柱結(jié)構(gòu)設計要求，本文嘗試提出一種補丁板結(jié)構(gòu)設計方案展開探究。
一、汽車B柱結(jié)構(gòu)
汽車前車門和后車門之間的位置布設B柱，作為汽車結(jié)構(gòu)中的主要承力構(gòu)件，當外界施加一定沖力時，需要保證前門可以打開。該部位集高度調(diào)節(jié)器、安全帶收卷器、后車門鉸鏈、前車門鎖扣為一體，這些裝置均安裝在此處，因而對結(jié)構(gòu)機械剛度和強度要求較高，并且對于裝置安裝空間布設要求也很高。一般情況下，汽車B柱外觀呈現(xiàn)曲面狀態(tài)，根據(jù)車身的整體外形打造[6]。B柱零件結(jié)構(gòu)與其他零件結(jié)構(gòu)差異性較大，不僅截面變化復雜，成形深度偏大，而且成型件上部高度與下部高度差較大，圓角半徑偏小[7]。
從當前掌握的研究資料來看，從改善B柱結(jié)構(gòu)強度角度出發(fā)，對其結(jié)構(gòu)設計方案進行優(yōu)化，能夠達到提高側(cè)面碰撞安全性[8-9]。目前，尚未形成較為完善的設計方案，本研究嘗試對此展開探究。
二、基于補丁板處理的汽車B柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計
1、汽車B柱側(cè)面碰撞安全性分析
為了獲取B柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計參考依據(jù)，本研究通過創(chuàng)建B柱側(cè)面碰撞仿真模型，對B柱側(cè)面碰撞安全性進行仿真分析，從而確定側(cè)面碰撞特性。本次仿真實驗中，選擇LSTC公司的模型材料參數(shù)為標準，搭建B柱試驗臺架，在剛性墻壁面加以固定。其中，B柱材料厚度為1.3mm，材質(zhì)為DP780。設置3種碰撞工況，以碰撞初始速度為變量加以設置，各組仿真實驗工況碰撞初始速度分別為60km/h、50km/h、40km/h，探究B柱結(jié)構(gòu)側(cè)面耐撞性能受撞擊速度和B柱厚度的影響。利用Hypermesh軟件劃分網(wǎng)格，模擬汽車B柱碰撞，生成K個文件，形成碰撞仿真模型。在模型中設置5個測點，編號依次為D1、D2、D3、D4、D5，測點部署如圖1所示。
圖1 仿真模型測點部署方案
側(cè)面碰撞仿真時間設定為50ms，利用仿真模型模擬不同工況下的側(cè)面碰撞侵入速度、侵入量。
關于侵入量的模擬仿真結(jié)果顯示，碰撞期間各個測點的侵入量的變化形式基本相同，變形幅度最大的測點是D2，最小的測點為D5，除此之外，按照D3、D4、D1的順序排列。侵入車內(nèi)的先后順序為D1、D2、D3、D4、D5。碰撞期間，各個測點侵入車內(nèi)的過程存在一定差異。測點D4和測點D5的變形過程相同，先向車外凸起，而后逐步侵入車內(nèi)，而其他3個測點則是直接侵入車內(nèi)。當B柱碰撞初始速度逐漸增加時，5個測點的侵入量均隨之增加。
關于侵入速度的模擬仿真結(jié)果顯示，碰撞期間各個測點的侵入速度變化形式基本相同，測點D3首先產(chǎn)生峰值，最后產(chǎn)生峰值的測點為D5，其他測點的按照D4、D2、D1順序排列。碰撞過程中，產(chǎn)生侵入速度的測點先后順序為D1、D2、D3、D4、D5。當碰撞初始速度逐漸增加時，5個測點的侵入速度均隨之增加。
另外，對B柱碰撞整體侵入（未完，下一頁）
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