基于侧碰安全性的车身B 柱优化设计与研究

宋百玲 黄 瑾

（东北林业大学交通学院，黑龙江 哈尔滨150040）

2007 年，我国C-NCAP（中国新车评价规程）的实施[1-2]，将侧面碰撞试验指定为强制性试验计划。这意味着汽车被动安全设计的困难程度大大增加，汽车侧围结构抗撞性及乘员约束系统设计也受到了更高的挑战。汽车侧面碰撞设计水平的提高成为车辆被动安全领域必不可少的工作[3]，B 柱作为重要的抗侧碰结构，对车身侧围的强度和刚度有很大的影响[4-5]。本文旨在确保安全性能的前提下，对车身侧围B 柱进行侧面抗撞性设计[6]，有效实现侧碰安全，以提高车身刚度、减少乘员舱变形，优化设计方案以满足碰撞法规要求，为实车试验提供参考。

1 多材料分段式车身侧围设计方案

1.1 多材料分段式侧围设计

由于B 柱位于车身侧围中，首先对车身侧围进行整体设计。车身侧围主要由侧围外板、内板、外板加强板及车身附件安装部位的局部加强板构成，其强度和刚度主要由其使用的材料和所采用的结构形式决定。因此，各部件材料选择及各部件间的配合结构是保证刚度和强度的重要影响因素。以车身侧围B柱设计为目标，基于合适材料用于合适部位、合适位置配合合适工艺的设计理念，综合考虑车身的各项性能、质量和成本后进行设计，整体车身侧围设计方案。

根据设计方案，外覆盖件摒弃传统钢材而改用塑料件，对钣金侧围的外观品质不再有较高要求，如同侧围外板加强板总成一样，对侧围外板进行合理的分段，将其分为A 柱外板、A 柱上边梁外板、B 柱外板、门楣外板、C/D 柱外板上下段等，各部件通过自冲铆接和热熔自攻铆接连接成为一个整体。

1.2 侧围B 柱结构设计

B 柱主要包括外板、外板加强板和内板等。设计时，三层板之间相互形成腔体结构，既能保证B 柱的抗压刚度和屈服强度，又有利于在碰撞过程中B 柱分段变形吸收更多的能量。由于侧面几乎没有缓冲吸能空间，因此，中段抵抗向车内变形的弯曲刚度要足够大；同时，为防止因局部进入塑性变形阶段而产生塑性铰，通常采取加强措施。由于前排座椅安全带、后门铰链以及限位器均安装在B 柱上，所以在安装部位应增加相应的加强板以保证B 柱的结构强度，B 柱外板加强板、铰链加强板的作用就在于此。

此外，还应考虑B 柱受到撞击后的变形模式，以求尽量减少其向车内的侵入量并将变形位置放置至对人体伤害最轻的位置。理想的B 柱变形模式呈倒“S”型。新的设计要求是实现侧碰力的有效传递，保证良好的车身变形空间。

将设计的B 柱与整车总成连接成为一个“笼式”框架结构，并且每部分做成了“H”形结构，便于实现碰撞载荷分流。

2 整车侧面碰撞模型的建立

2.1 侧面碰撞模型建立的流程

按照《C-NCAP 管理规则（2018 年版）》规定的侧面碰撞要求，建立车身有限元模型，再通过与动力总成、底盘进行集成，完成整车侧面碰撞有限元模型的搭建，具体流程图如图1 所示。

图1 侧面碰撞CAE 分析流程图

2.2 车身有限元模型的建立

2.2.1 材料参数设置

有限元分析计算中材料的正确选择是保证部件性能的主要条件之一，且能够提高侧碰仿真模型的可靠性。下表所示为部分材料类型及力学属性，赋予模型中每个零部件正确的材料参数。

2.2.2 整车侧面碰撞有限元模型的建立

整车侧碰仿真模型的计算环境在LS-DYNA 中进行，由于汽车碰撞过程是结构的复杂变形过程，涉及结构的大位移、大变形和大转动，所以进行汽车碰撞模拟时，采用非线性有限元方法。在碰撞模拟中，显式算法具有明显的计算优势，它包括单元的单点积分、时间积分的中心差分法、时间步长控制等一些基本方程和概念。

单元内任意点的坐标用节点坐标插值表示为：

式中φj为参数坐标（ξ，η，ζ）表示的形函数；m 为该单元的节点数；xji为节点j 的i（i=1，2，3）方向坐标。

式（1）用矩阵表示为：

对于n 个单元，虚功原理的变分列式得：

将式（2）代入式（3），得到矩阵表达式为：

将式（4）进行单元计算并组集后，可写为：

考虑到δxT的任意性，有

式中M为总体质量矩阵；x¨为总体节点加速度矢量；P 为总体载荷矢量，包括节点载荷、面力、体力；ft为单元应力场等效节点力矢量的组集，即

当按时间步长求解运动方程式（5）时，需要计算∫VBTσdV。此时，根据ε˙与单元速度场x˙1，x˙2，x˙3的关系，即

材料种类及力学属性

由式（1）可推出m 个节点的速度分量为：

所以，根据式（6）-（8）求出ε˙，进而求出σ，并在单元形心处（ξ=η=ζ=0）采用单点高斯积分，计算出∫VBTσdV。

结合模型的网格尺寸，设置时间步长为9e-7s，选取壳单元网格积分类型为单点积分，沙漏系数设置为0.1。

3 整车侧碰仿真分析

3.1 侧面碰撞模型精度验证

经LS-DYNA 软件计算结束后，将结果导入到后处理软件Hyperview和Hypergraph 中进行抗撞性能分析。当MDB 与试验车接触时，总能量将转化为试验车和移动变形壁障的动能、试验车和移动变形壁障之间开始发生弹性变形和塑性变形产生的内能、系统产生的沙漏能等。图2 为整车在侧面碰撞过程中的能量变化曲线。从图中可以看出，整个碰撞过程中能量曲线平滑无尖角，侧面碰撞开始后，总能量和沙漏能波动都很小，各种能量变化平稳，无突变现象，且在60ms 后趋于稳定。0～5ms 内各种能量没有发生变化，5ms 时MDB 和整车模型开始接触；5～50ms 内，内能逐渐增加，随之动能相应逐渐减少；50～80ms 内，内能和动能均出现回落现象，说明部分车身侧围和MDB 的变形部件开始反弹，在60ms 左右达到稳定状态，此时，大部分动能已经被汽车吸收。其中，沙漏能比率（沙漏能与总能的比值）是校验模型是否合理的重要指标。图3 沙漏能比率变化曲线显示沙漏能所占比例不足1%（低于5%），说明该整车侧碰模型并未出现过多沙漏模态，沙漏控制效果很好。从能量转换角度来说，该过程符合能量守恒定律。

由此说明，在有限元分析过程中，网格的建立、模型的匹配及各种求解参数的设置都是合理的，可以判定有限元模型的稳定性和有效性符合要求。

3.2 B 柱侵入量和侵入速度

在车身模型中将碰撞侧与非碰撞侧的B 柱外板加强板（以下简称“B 柱”）各选取12 个点依次对应假人的头部（Head）、肩部（Beltline）、胸部（Rib）、H 点、门槛梁位置，如图4 所示。通常，两侧相应位置测点之间会设置刚度很小的拉压弹簧（1e-10N/mm）。

在碰撞过程中，拉压弹簧不断伸缩，其数值变化可以准确表达两侧B 柱的距离，即碰撞侧B 柱侵入量变化情况，如图5 所示。从图10 中可知，碰撞侧12 个不同测点的侵入量随着时间的变化逐渐增加，在58ms 前后达到最高，之后随着部件的回弹，侵入量有所减小，最后趋于稳定。

图2 能量变化曲线

图3 沙漏能比率变化曲线

B 柱侵入速度常用来评价假人不同部位的损伤程度，如胸部肋骨的粘性指标（肋骨形变量与其形变速度的相乘数值）。相关研究表明，肋骨的形变量与B 柱侵入量成正比，而肋骨的形变速度与B 柱侵入速度呈正相关。因此，除考虑B 柱Y 方向的侵入量外，其侵入速度也是侧碰仿真中的重要输出结果。

图4 碰撞侧B 柱测点

从图6 所示的碰撞侧B 柱侵入速度变化曲线中可以看出，侵入速度在15ms 左右达到峰值，随后逐渐减小。其中，B 柱上部分点的侵入速度曲线出现负速度值，这是因为B 柱上部和车顶横梁的连接强度较弱，使得B 柱上端发生翘曲，而不是内凹，所以出现了相反方向的速度。《C-NCAP 管理规则（2018 年版）》中有规定假人不同部位的各项损伤指标值[1]，因此，在仿真分析前期设定了各评价指标目标值，即B 柱最大侵入量为130mm，最大侵入速度为7.0m/s。将后处理分析结果与前期设定的B 柱目标值对比，发现：部分测点不满足设计要求，特别是B 柱中段侵入量和侵入速度远超出设定限值。

3.3 B 柱改进

B 柱作为重要的抗侧碰结构，其抗弯强度的提高主要靠提高各截面惯性矩和相关材料的强度来实现。根据B 柱变形模式（折弯点在高度方向上的位置、各关键区域的侵入量和侵入速度）改进优化截面特性，从有利改善伤害值的角度看，B 柱在下端折弯为佳。因此，对B 柱做如下改进。

（1） 材料改进。原B 柱外板加强板材料为高强度钢板HC420/780DP，经CAE 分析需做调整，提出选择热成型高强度钢板BR1500 和碳纤维两种方案。综合考虑生产工艺、成本等因素，选择热成型高强度钢板BR1500 作为B 柱外板加强板的材料，厚度也由1.8mm 减为1.5mm。（2）结构改进。原两个B 柱内板改成一个件（即贯穿件），上面搭接上边梁，下面和铰链加强板一起延伸到门槛梁，在大幅提升各截面惯性矩的同时，增强搭接处的刚度；原内板下段和门槛梁搭接位置向内变形甚至出现断裂的风险，所以将原有内板上下分段取消，改为一个整体以便提升整体性能。

图5 碰撞侧B 柱侵入量变化曲线

图6 碰撞侧B 柱侵入速度变化曲线

4 结论

基于侧面碰撞安全的要求，在对侧围外板进行合理分段的基础上，重点进行了对侧碰起关键作用的B 柱进行设计，建立了多材料分段式侧围数模，以便后期CAE 分析优化。

（1）基于侧面碰撞过程、力的传递路径、主要影响因素等方面，对目标车型的侧围B 柱进行分段式设计。（2）按照我国侧碰法规要求，搭建整车侧面碰撞有限元模型，求解后进行侧面碰撞形式下车身的抗撞性能分析。（3）针对安全性能存在的缺陷，通过改变结构形式、选择合理的材料和厚度对B 柱进行改进，改进后B 柱的最大浸入量和最大浸入速度均比改进前有较大改善，且各指标均满足设计要求。