应用正交试验法汽车B 柱轻量化设计分析

陈满秀，陈德林

（1.柳州铁道职业技术学院，广西 柳州 545616；2.开封大学机械与汽车工程学院，河南 开封 475004）

1 引言

B 柱位于汽车侧面，前门和后门之间，上端连接上边梁，下端与门槛梁连接，是重要的支撑承载件。在车辆发生侧面碰撞时，B柱是重要的承载和吸能部件，对乘员保护起到重要的作用。B 柱内侧安装有安全带，在发生紧急情况时，起到保护乘员的作用[1]。因此，B 柱必须具备一定的强度和刚度，同时零件的形状必须与整车一致。轻量化是汽车设计的内容，对B 柱进行轻量化设计，既要保证零件的承载吸能要求，又要保证零件的质量最小。激光拼焊是重要的轻量化设计方法，这里采用激光拼焊技术对B 柱进行设计。

学者对此进行了一定的研究：文献[2]采用高强钢替换方式，对B 柱进行轻量化设计，实现减重10%的轻量化目标；文献[3]采用热成形钢对B 柱进行工艺优化，实现轻量化设计；文献[4]采用仿真的方法对B 柱的碰撞安全吸能特性进行分析；文献[5]采用试验方法对结构优化的B 柱进行特性分析，在保证特性的前提下，通过结构优化实现轻量化3%。

根据B 柱的结构特点，对B 柱进行三维建模分析；根据B 柱在车辆侧面碰撞中的结构形态，搭建B 柱侧面碰撞仿真分析模型；根据侧面碰撞分析结果，基于正交试验法对B 柱材料和厚度进行设计，并根据乘员的相对位置对激光拼焊的焊缝进行设计，根据侧面碰撞的侵入量和侵入速度对比，选出最优设计方案；基于侧面碰撞分析模型，对优化前后的安全性进行对比分析，以检验分析的可靠性。

2 B 柱安全性分析

2.1 分析模型

B 柱的结构形态必须与汽车侧面的结构保持一致，因此为曲面形式，模型如图所示。B 柱在发生侧面碰撞时，能够吸收一部分能量，保证传递到乘员的能力不至于过大而造成成员损伤；同时，保证一定的空间，保护乘员各部位损伤最小[6]。这里对B 柱的安全性分析，选取侧面碰撞，为模拟真实的碰撞工况，搭建B 柱安装支架，模拟真实碰撞的分析工况。

在CATIA 内建立B 柱和安装支架模型，选用LSTC 的台车模型，根据三者的相对位置进行组装，侧面碰撞仿真模型，如图1所示。在Hypermesh 内对模型进行网格划分，B 柱采用的材料为DP590，厚度为2.2mm。根据C-NACP2018 侧面碰撞的有关规定[7]，台车的运行速度为50km/h。设置好相关参数后，生成LS-DYNA软件仿真用的K 文件。

图1 仿真分析模型Fig.1 Simulation Analysis Model

2.2 碰撞结果分析

根据乘员与B 柱的相对位置，如图2（a）所示。在B 柱表面由下向上均匀选取5 个位置作为测量点，进行侧面碰撞侵入量的观察，如图2（b）所示。侧面碰撞仿真时间长度设置为150ms。分析结果，如图3 所示。

图2 测量点选取Fig.2 Measurement Point Selection

图3 分析结果Fig.3 Analysis Result

由图中的分析结果可知，D2 点的进入量最大，D3 点次之，下侧三个点直接侵入到车辆内部，有可能对人体造成伤害。因此，对B 柱进行轻量化设计时，要保证下端具有足够的强度，满足安全性的要求，而上端则可适当减轻重量，实现轻量化设计目标。

3 B 柱激光拼焊设计

原材料为DP590，在轻量化设计中，B 柱下部（A 区）需要使用高强度级别的材料来保证保护乘员的安全，选定DP590、DP780、DP980 三种材料，厚度选定 1.6mm、1.8mm、2.0mm；B 柱上部（B 区）可以使用稍低强度级别的材料，选定DP450、DP590、DP780 三种材料，厚度选定1.4mm、1.6mm、1.8mm。以四因素三水平设计正交试验，得到的正交试验表，如表1 所示。按照试验设计的参数设置拼焊材料仿真分别进行计算。

表1 拼焊材料正交试验表Tab.1 Orthogonal Test Table of Tailor Welded Materials

采用Autoform 成形分析软件，对激光拼焊B 柱零件的成形性进行分析，分析结果主要考虑三方面的因素：成形结果有无破裂等、材料的最大减薄率及Z向最大回弹量。经过计算可以得到的结果，如表2 所示。

表2 拼焊材料正交试验结果表Tab.2 Orthogonal Test Result of Tailor Welded Materials

观察对比试验结果，在9 个试验中，试验1、2、4 三个试验成形后没有发生破裂，属于拼焊有效数据。其他均发生破裂，属于无效数据。分析结果可知，零件下部可以使用DP780，上部可以使用DP590，差厚要小于0.6mm。

以试验4 为基础，找出焊缝的最佳位置。焊缝选取位置区域较宽，中心线为距离B 柱底端为460mm，如图4 所示。在可选取的范围内每隔40mm 可以选取5 条拼焊线，分别为距离底部540mm，500mm，460mm，420mm，380mm。采用Autoform 对零件的成形性进行分析，经过计算后，可以得到的结果，如图5 所示。

图4 焊缝结构设计Fig.4 Weld Structure Design

图5 危险区域最大减薄率Fig.5 Maximum Reduction Rate of Hazardous Area

随拼焊线向底部移动，危险区域的最大减薄率并不是线性增减，而是在距离380mm 的拼焊线位置出现最小值22.1%，如图5 所示。则，在可选取范围内将焊缝位置确定为距离底端380mm的位置。

4 B 柱轻量化设计分析

4.1 方案设计

根据B 柱可制造性分析结果可知，B 柱采用激光拼焊板结构可以将高强钢DP780 应用到该结构上，并且在保证成形性能的基础上，厚度也可以降低，零部件重量得以降低，实现车身零部件的轻量化设计[9-10]。根据B 柱成形分析结果，拼焊板结构B 柱下部材料A 区用DP780，上部材料B 区采用DP590，并且由于要保证人的头部和胸部等关键位置，上部材料A 区还需要一定的刚度和安全性，厚度应该不小于下部材料B 区的厚度，因此B 柱优化方案设计，如表3 所示。

表3 B 柱优化设计方案Tab.3 B-column Optimization Design

4.2 侧面碰撞仿真分析

同前文的仿真方法，在B 柱表面由下向上均匀选取5 个位置作为测量点，获取6 种方案的侵入量和侵入速度，如表4、表5所示。侧面碰撞仿真时间长度设置为150ms。根据C-NACP 的五星标准设定侵入量和侵入速度的目标值。

表4 侵入量最大值Tab.4 Maximum Intrusion

表5 侵入速度最大值Tab.5 Maximum Intrusion Speed

由表5 中数据可知，方案5 为在保证侧碰性能的前提下，B柱厚度可以减小的最大值。而方案6 的侧碰结果不理想，侵入量和侵入速度都超出了设计目标值。因此，该B 柱选择拼焊板结构，下部材料为DP780，厚度为1.8mm，上部材料为DP590，厚度为1.6mm。

4.3 优化后方案对比分析

对比分析原方案设计和轻量化设计后侵入量变化，如图6所示。

图6 两种方案侵入量对比Fig.6 Comparison of the Intrusion of the two Schemes

由图6 可以看到，不同结构类型的B 柱在汽车侧面碰撞中各测量点侵入量变化趋势相似，取B 柱最上顶点作为参考点，测量B 柱各测点的相对位移。各测量点侵入量均按照D1、D2、D3、D4和D5的顺序由大到小排列。在拼焊仿真过程中，前50ms，D1 点侵入量变化较D2点小，50ms 之后，D1点侵入量在D2点侵入量之上。

选择三种不同的侵入速度40km/h、50km/h、60km/h，两种方案，不同速度下的侵入量最大值对比，如表6 所示。

表6 不同速度侵入量最大值对比Tab.6 Comparison of Maximum Speed Intrusion of Different Speeds

通过表中的6 组不同工况B 柱进行侧面碰撞仿真侵入量最大值比较，获得了侧面碰撞中优化结构对于B 柱性能影响的规律，为B 柱结构设计提供了研究基础和设计依据。由表中侵入量最大值数据可以看出，在不同速度下，拼焊结构在减小B 柱侵入量最大减小量发生在40km/h 的测点4 附近，侵入量减小约为25%。随着速度的增加侵入量减小比率有所减小。通过结构优化后的拼焊结构中弯折发生在D2 和D4 所在的主体结构附近，对应人体H 点和胸部，通过测量B 柱变形情况，考虑对人体的危害程度。由此可以看出，改进后的拼焊结构，对人体胸部的伤害可以得到有效的降低。

根据对碰撞初始速度50km/h 的方案对比，可以看到采用激光拼焊结构的B 柱重量减轻23.1%，各位置测量点的侵入量最高减少18.6%（D4 位置）。因此，采用激光拼焊结构的B 柱设计是一种较好的B 柱结构方式，可在满足结构耐撞性的要求下实现轻量化设计需求。

5 结论

搭建B 柱侧面碰撞分析模型，基于激光拼焊技术和零件的可制造性，对B 柱进行激光拼焊设计，并对安全性进行分析，结果可知：

（1）对B 柱进行轻量化设计时，要保证下端具有足够的强度，满足安全性的要求，而上端则可适当减轻重量，实现轻量化设计目标；

（2）随拼焊线向底部移动，危险区域的最大减薄率并不是线性增减，而是在距离380mm 的拼焊线位置出现最小值22.1%。则，在可选取范围内将焊缝位置确定为距离底端380mm 的位置；

（3）该B 柱选择拼焊板结构，下部材料为DP780，厚度为1.8mm，上部材料为DP590，厚度为1.6mm；

（4）采用激光拼焊结构的B 柱重量减轻23.1%，各位置测量点的侵入量最高减少18.6%（D4 位置）。因此，采用激光拼焊结构的B 柱设计是一种较好的B 柱结构方式，可在满足结构耐撞性的要求下实现轻量化设计需求。