孟慶剛 海超 郭曉靜

（本鋼板材股份有限公司技術(shù)研究院，本溪117000）

1 前言

出于節(jié)能環(huán)保需要，全世界都對(duì)汽車的燃油消耗量和尾氣排放量都進(jìn)行了嚴(yán)格的限制。為了能夠達(dá)標(biāo)，各大車企均采用了相似的應(yīng)對(duì)措施：提高發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油效率和車身輕量化。研究表明，車身重量減少10%，可以節(jié)省燃油5%～6%[1]。

車身輕量化就是在保證汽車強(qiáng)度、剛度、耐久性和安全性的前提下進(jìn)行的減重。目前主要通過(guò)以下3種方式實(shí)現(xiàn)[2-4]：一是采用低密度的鋁合金或復(fù)合材料替代鋼；二是進(jìn)行零件的拓?fù)鋬?yōu)化，去除零件上不承受載荷的部分；三是使用高強(qiáng)鋼替代普通鋼種，并在保證安全與承載能力的前提下進(jìn)行減薄，從而實(shí)現(xiàn)車身輕量化。本研究基于顯式有限元程序LS-DYNA的碰撞模擬，以車身B柱為研究對(duì)象，對(duì)上述第3種方式進(jìn)行研究。

B柱位于兩側(cè)車身的中間，在車身側(cè)碰測(cè)試中起到防止車身變形、保護(hù)車內(nèi)乘客的作用。因此，B柱通常都采用高強(qiáng)鋼制造，是整個(gè)車身中強(qiáng)度最高零件之一[5-6]。采用本溪鋼鐵集團(tuán)生產(chǎn)的5種典型高強(qiáng)鋼，系統(tǒng)地研究了鋼板厚度對(duì)這5種高強(qiáng)鋼B柱耐沖擊性能的影響。

2 有限元模型

2.1 車身B柱與MDB模型

碰撞發(fā)生在車身B柱與移動(dòng)變形壁障（Movable Deformable Barrier，MDB）之間。MDB模型遵循美國(guó)IIHS碰撞標(biāo)準(zhǔn)，主要由位于前端蜂窩鋁板和后端的剛性體臺(tái)車組成，總重量1.5 t。蜂窩鋁板完全被5251鋁合金薄板包裹，在碰撞過(guò)程中起到緩沖吸能的作用。為了避免實(shí)體單元與殼單元之間出現(xiàn)接觸問(wèn)題，在蜂窩鋁板與包裹鋁合金薄板之間添加1層空材料，這種材料沒有質(zhì)量沒有強(qiáng)度，不會(huì)對(duì)碰撞結(jié)果產(chǎn)生任何影響。車身B柱與MDB模型如圖1所示。

圖1 有限元碰撞模型

2.2 材料模型

計(jì)算過(guò)程將B柱分別賦予6個(gè)鋼種。這6個(gè)鋼種的力學(xué)性能曲線取自靜態(tài)拉伸試驗(yàn)，然后將試驗(yàn)所得的工程應(yīng)力應(yīng)變曲線轉(zhuǎn)化為真應(yīng)力真應(yīng)變曲線，并輸入至有限元程序中作為材料模型。

高強(qiáng)鋼的延伸率會(huì)隨著強(qiáng)度的提高而逐漸降低。6個(gè)鋼種中，延伸率最高的是DP590，其工程延伸率大約為25%，如果直接將曲線輸入至有限元程序中會(huì)導(dǎo)致計(jì)算錯(cuò)誤。為了避免出現(xiàn)這一問(wèn)題，行業(yè)內(nèi)的普遍做法是選擇合適的本構(gòu)方程進(jìn)行擬合與延長(zhǎng)，直至真應(yīng)變等于1處，并且要求所有曲線在擬合過(guò)程中不得發(fā)生交叉。本研究采用的本構(gòu)方程見公式1。

式中，σ為真應(yīng)力；ε為真應(yīng)變；ε0為材料發(fā)生屈服變形時(shí)的真應(yīng)變；k和n均為待定的系數(shù)。

延伸后的曲線如圖2所示。

圖2 各種材料的真應(yīng)力真應(yīng)變曲線

2.3 約束、初始條件及接觸

為了最大程度地還原車身側(cè)碰過(guò)程，需要對(duì)B柱模型最上2層和最下2層節(jié)點(diǎn)施加3個(gè)坐標(biāo)軸方向的平動(dòng)約束。MDB模型所有節(jié)點(diǎn)均在水平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，初始運(yùn)動(dòng)速度設(shè)為18 km/h。

車身B柱與前端蜂窩結(jié)構(gòu)之間采用雙面接觸，蜂窩鋁板與包裹鋁合金薄板中之間均采用自接觸。剛性車體與蜂窩結(jié)構(gòu)之間采用剛體梁連接，剛性車體的零件之間為剛體全約束連接。

3 計(jì)算結(jié)果與討論

3.1 基于最大位移的結(jié)果評(píng)價(jià)

表1為不同材質(zhì)和厚度的B柱在經(jīng)受沖擊變形后表面節(jié)點(diǎn)的最大位移量。使用此表中數(shù)據(jù)，繪制三維曲面圖，結(jié)果如圖3所示。由圖可知，該B柱經(jīng)沖擊變形后，其表面節(jié)點(diǎn)的最大位移與鋼板的厚度和強(qiáng)度均呈負(fù)相關(guān)。這就意味著，鋼板越厚，強(qiáng)度越高，B柱的彎曲變形量就越小，該結(jié)果與直觀經(jīng)驗(yàn)相符。

圖3 B柱表面節(jié)點(diǎn)侵入位移與鋼種和厚度之間的關(guān)系

表1 B柱表面節(jié)點(diǎn)最大位移與鋼種和厚度之間的關(guān)系mm

圖3中的等高線大致呈對(duì)角線分布，即1.5 mm厚度的DP590與1.2 mm厚度的DP780的最大位移基本一致，2.0 mm厚度的DP590、1.5 mm厚度的DP780與1.2 mm厚度的MS11800三者的最大位移量基本一致，依次類推。如果單純考慮最大位移量，這些最大位移量相近似的材質(zhì)和厚度之間，就可以互相替換，將厚板替換為薄板，即可實(shí)現(xiàn)車身輕量化的目的。

3.2 關(guān)于壓潰現(xiàn)象的討論

不同鋼種、厚度1.2 mm和2.0 mm的B柱經(jīng)沖擊變形后的形狀如圖4所示。

當(dāng)MDB撞擊B柱時(shí)，B柱節(jié)點(diǎn)13～16部分與MDB發(fā)生直接接觸，作用力巨大，所以該處節(jié)點(diǎn)均發(fā)生了較大的位移。與此同時(shí)，由于該處較為粗壯，變形難度較大，所以會(huì)將撞擊力傳到至其他部位，最終導(dǎo)致B柱中上部發(fā)生明顯的壓潰折彎，如圖4中圓圈標(biāo)識(shí)處。尤其是對(duì)于變形難度較大的高強(qiáng)鋼更容易發(fā)生此類現(xiàn)象。

高強(qiáng)度的厚板B柱，例如1.5 mm和1.8 mm厚度的PHS2000、1.8 mm和2.0 mm厚度的PHS1800均出現(xiàn)了嚴(yán)重的壓潰折彎現(xiàn)象，如圖4中的圓圈內(nèi)標(biāo)識(shí)部分。因?yàn)閴簼⒑蟮腂柱已經(jīng)處于失穩(wěn)狀態(tài)，所以不能起到任何保護(hù)作用，在選材時(shí)應(yīng)將此類鋼板排除在外或者重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)壓潰處進(jìn)行加強(qiáng)處理。

圖4 B柱經(jīng)撞擊后的形狀

在B柱表面由上至下均勻選取19個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖1a所示，并記錄經(jīng)碰撞變形后各個(gè)節(jié)點(diǎn)的位移，制成曲線，如圖5所示。圖5中可以觀察到的規(guī)律與圖4類似：鋼板強(qiáng)度越高，厚度越大，就越容易在B柱上部發(fā)生壓潰現(xiàn)象。1180級(jí)別以上的鋼板均出現(xiàn)了不同程度的壓潰現(xiàn)象，相反，薄規(guī)格的DP780和DP590卻并未出現(xiàn)這類失穩(wěn)現(xiàn)象。

圖5 不同鋼種的B柱，經(jīng)撞擊后的表面節(jié)點(diǎn)位移分布

未發(fā)生折彎失穩(wěn)現(xiàn)象的鋼板包括1.2 mm、1.5 mm和1.8 mm厚度的DP590，以及1.5 mm和1.2 mm厚度的DP780。在經(jīng)受沖擊后，這5種B柱的最大侵入位移對(duì)比如圖6所示。其中1.5 mm厚度DP780和1.8 mm厚度DP590厚度對(duì)應(yīng)的最大侵入位移相近，但是DP780鋼板卻更薄，能夠有效減重，所以應(yīng)為該B柱的最佳材質(zhì)。如果主機(jī)廠能夠修改B柱，對(duì)B柱上部進(jìn)行加強(qiáng)防止出現(xiàn)壓潰現(xiàn)象，才可以考慮采用更高強(qiáng)度的鋼板。

圖6 5種B柱的最大侵入位移對(duì)比

4 結(jié)論

a.基于抵御碰撞性能，1.5 mm厚度的DP780既能有效抵抗臺(tái)車的碰撞侵入又不發(fā)生壓潰變形，所以是該B柱的最佳選材方案；

b.碰撞后，B柱被侵入位移隨著鋼板強(qiáng)度和厚度的增加而逐漸減小，但是高強(qiáng)度厚規(guī)格的鋼板制成的B柱容易在上部發(fā)生壓潰變形，所以不適合作為B柱選材；

c.根據(jù)碰撞模擬結(jié)果，必須在對(duì)該B柱的上部易壓潰處進(jìn)行加強(qiáng)處理后才可選用高強(qiáng)度低厚度的熱成型鋼，實(shí)現(xiàn)車身的輕量化。