基于热成形钢的白车身正碰性能模拟与评价.pdf

DOI:10.3969/j.issn.1000-6826.2021.12.2102基于热成形钢的白车身正碰性能基于热成形钢的白车身正碰性能模拟与评价模拟与评价Analysis and Evaluation of Frontal Impact Performance inBody-in-White Based on Hot-formed Steel供稿|郭晶1,2，孙倬1,2，宋博1,2/GUO Jing1,2,SUN Zhuo1,2,SONG Bo1,2导读内容为研究热成形钢在白车身正面碰撞中的性能影响，以 PHS1800 为例，通过实验获得PHS1800 的高速拉伸性能，建立其碰撞材料卡片。用 PHS1800 热成形钢替代部分先进高强钢，采用前处理 Hypermesh 软件对白车身零部件进行网格划分，建立有效的车身碰撞数模，进行正面碰撞性能模拟，计算结果表明热成形钢替代先进高强钢，能够在达到轻量化目的同时，有效提升车身碰撞性能，确保乘车人员被动安全。随着我国经济的快速发展，汽车保有量迅速增长，安全、节能、环保一直是汽车行业的 3 个重要课题17。随着环保法规要求越来越严格，白车身轻量化能够解决环保和节能的问题813。而轻量化的同时，车身的被动安全问题越来越受到人们的关注，在新车型的开发过程中，车身结构的碰撞性能分析成为研究热点1419。本文以 PHS1800 热成形钢轻量化材料为例，实验研究其在不同应变速率条件下的高速拉伸曲线，然后建立热成形钢碰撞卡片，依据汽车碰撞安全法规，以 LS-DYNA 为求解器进行了车身正面碰撞的模拟和分析，得到车身结构的耐撞性结果。实验材料及方法实验材料为 PHS1800 热成形钢，厚度为 1.4 mm，实验参照标准见表 1，通过材料的准静态和高速拉伸实验，获得 8 个应变速率（0.001，0.01，0.1，1，10，100，500 和 1000 s1）的工程应力工程应变曲线数据，见图 1（a）。将工程应力工程应变曲线进行数据处理，并采用 SwiftHockettSherby 模型对材料的不同应变速率曲线进行拟合外推，得到塑性应变 外 推 到 1 的 真 实 应 力 塑 性 应 变 曲 线，见图 1（b）。图 1（b）中可以明显看出，PHS1800 具有明显的应变率效应，随着应变率增加，材料的应变呈增加的趋势。利用 LS-PrePost 制作材料卡片，材料类型为MAT_24，输入 PHS1800 热成形钢的密度、弹性模量、泊松比等材料参数，并将不同应变速率的真实应力-塑性应变曲线导入 LS-PrePost，制成 PHS1800热成形钢碰撞材料卡片。通过 LS-DYNA 软件建立 作者单位：1.本钢集团有限公司技术中心，辽宁本溪117000；2.先进汽车用钢开发与应用技术国家地方联合工程实验室，辽宁本溪117000 1仿真模型对标，验证实验数据外推有效性，确保材料卡片准确性。有限元模型建立图 2 为新车型的三维数模，将原模型中的部分先进高强钢用 PHS1800 热成形钢进行替代，厚度从1.6 降为 1.4 mm。在 Hypermesh 软件中建立有限元模型，包括网格的划分、创建白车身零部件对应的材料和属性，建立完成部件之间的接触和约束关系等。依据C-NCAP 管理规则中现行国内外法规与相关实验要求的标准工况进行正面碰撞工况分析。图2整车中的白车身 正面碰撞分析重点考察白车身零部件的碰撞吸能特性，故将底盘件进行简化处理，采用质量点单元进行配重，均匀分布在地板上，建立无限大的刚性墙来模拟地面。为防止碰撞过程中白车身各部件发生穿透，将所有零部件定义一个单面接触*contact_automatic_single_surface，静动摩擦系数均定义为 0.2。实验车与可变形壁障之间定义面面接触*contact_automatic_surface_to_surface，静动摩擦系数均定义为 0.2。车体速度为 50 km/h，刚性墙法向为坐标系 x 轴正向。仿真中车体速度方向为整车坐标系 x 轴负方向，刚性墙固定不动。轮胎与接触的刚性地面采用车辆实车半载地面线高度。结果与讨论计算过程中选择整车模型作为计算对象（图 3），模拟整车与刚性墙发生碰撞过程中白车身所受到的伤害程度，设定正面碰撞考察对象：A 柱侵入量分析、前围板腿部部位防火板以及 B 柱下端加速度。A柱B柱图3模型示意图（A 柱、B 柱）塑性应变工程应变工程应力/MPa真实应力/MPa(a)(b)200015001000500000.030.060.090.120.152200200018001600140000.20.40.60.81.00.01 s10.1 s11 s1100 s1500 s11000 s1静态0.01 s10.1 s11 s110 s1100 s1500 s11000 s1图1不同应变速率下 PHS1800 的高速拉伸曲线：（a）实验数据；（b）外推数据 表1测试参考标准 标准号标准名称GB/T228.12010金属材料拉伸实验第1部分：室温实验方法GB/T30069.22016高应变速率拉伸实验第2部分：液压伺服型与其他类型实验系统ASTM E11197Standard Test Method for Youngs Modulus,Tangent Modulus,and Chord Modulus（杨氏模量、切线模量和弦线模量的标准试验方法）白车身模拟Metal World 22023 年第 4 期能量分析图 4 给出了整车碰撞的分析结果，白车身结构在整车中的碰撞效果如图 4（a）所示，从图 4（a）可以看出经过正面碰撞后，其驾驶舱部位保存较为完好，前舱变形相对严重，在这个过程中白车身前舱防撞梁、吸能盒及前舱中的发动机变速箱等吸收大量能量，确保了乘员安全性。正碰过程中的动能、内能、沙漏能和总能量曲线如图 4（b）所示。从图 4（b）可知，沙漏能占比均远小于 5%，说明计算结果真实可信。在碰撞过程中，满足能量守恒定律，白车身零部件系统的动能与内能相互转化，沙漏能的变化较小。(a)yxz时间/s能量/(1013 J)沙漏能内能动能总能量(b)0.020.040.061614121086420图4白车身正碰分析：（a）正碰效果图；（b）能量变化曲线 A 柱入侵量A 柱入侵量测点示意图如图 5（a）所示，选择碰撞左侧 A 柱上的点作为测点，以 B 柱上相应位置作为参考对象，测量 A 柱侵入量。A 柱各时刻的最大变形云图见图 5（b），最终变形云图见图 5（c）所示。yxz36.7532.6628.5824.5020.4216.3312.258.174.088.63yxzyxz34.5430.2238.8625.9121.5917.2712.958.634.320yxz位移/mm位移/mm(a)(b)(c)A柱侵入量参照点A柱侵入量考察点yxz图5A 柱入侵量模拟：（a）考察点；（b）最大变形云图；（c）最终变形云图 入侵量曲线如图 6 所示，在正面碰撞过程中A 柱随着时间推移开始入侵乘员舱，并在 0.049 s 时入侵量达到最大值，随后车身的动能减小，系统的动能很大一部分转化为势能，因而结构的回弹力大于碰撞的力，A 柱入侵量减小，在 0.08 s 时入侵量仅有不到 0.3 mm。白车身模拟热点聚焦Highlights Focus3时间/s入侵量/mm优化前优化后7654321000.020.040.060.08图6A 柱入侵量测试点位图 A 柱优化前后入侵量见表 2，对比原白车身与优化的白车身，可以看出应用了 PHS1800 热成形钢后的白车身在正碰工况下 A 柱侵入表现更加优良，优化前最大入侵量为 5.93 mm，优化后的入侵量为5.44 mm，入侵量降低了 8.26%。前围板入侵量在正面碰撞过程中，前围板保护前排驾驶员与乘客的腿部，因此前围板入侵量是衡量白车身正碰被动安全性能的重要指标，计算中前围板考察点如图 7（a）所示，对应驾驶员腿部及足部区域。在正碰过程中前围板将入侵至驾驶舱内，挤压乘坐人员的腿部空间，通过有限元分析可得出当时间为0.049 s 时前围板入侵量达到最大值，随后零件在内应力等力的作用下开始回弹，前围板的最大变形云图和最终变形云图见图 7。正碰过程中的前围板入侵量曲线如图 8 所示，其中图 8（a）为原车型入侵量曲线，8（b）为优化材料后白车身入侵曲线。可以看出用 PHS1800 热成形钢替换部分先进高强钢后，车型对应驾驶员腿部、脚上部及脚下部的前围板部分侵入量有所降低，降幅分别为 6.10%、5.87%、5.25%，优化前后前围板入侵量见表 3。因此使用热成形钢后的白车身具备更好的碰撞安全性。B 柱下方加速度B 柱正面碰撞加速度考察点位置如图 9（a）所示，选取 B 柱下方的某个点作为整车加速度计算点，这是因为在正碰过程中 B 柱下方是整车中结构完整性最好的部位，变形量较小，可以充分地反映出整车的加速度变化情况。yxzyyxz(a)(b)(c)前围板腿部驾驶员搁脚板上部驾驶员搁脚板下部65.6357.1748.7140.2531.7923.3314.876.412.0510.50yxz57.1765.6348.7140.2531.7923.3314.876.412.0510.50yxz位移/mm位移/mm图7前围板入侵量模拟：（a）考察点；（b）最大变形云图；（c）最终变形云图(b)脚板下部脚板上部前围板腿部时间/s入侵量/mm时间/s入侵量/mm00.020.040.060.0800.020.040.060.08363024181260363024181260(a)脚板下部脚板上部前围板腿部图8前围板侵入量曲线：（a）优化前；（b）优化后 表2优化前后 A 柱入侵量 优化前/mm优化后/mm入侵量降低/%5.935.448.26白车身模拟Metal World 42023 年第 4 期B 柱加速度曲线如图 9（b）所示，在正面碰撞过程中原车身最大加速度为 51.6 mm/s2，优化后白车身为 50.4 mm/s2，加速度下降了 2.38%，表明替换为热成形钢后碰撞性能得到提升。结束语1）实验中获得了不同速率的应力应变曲线，为碰撞分析提供准确的数据支持。同时，应用 LS-DYNA软件能够很好地预测新车型的正面碰撞性能。2）PHS1800 热成形钢替代后的白车身在正碰工况下 A 柱侵入表现更加优良，入侵量降低了 8.26%。3）优化后的车型对应驾驶员腿部、脚上部及脚下 部 的 前 围 板 部 分 入 侵 量 降 幅 分 别 为 6.10%、5.87%、5.25%，表明热成形钢具有能够明显的提升车身正面碰撞性能。4）优化后正面碰撞过程中 B 柱加速度下降了2.38%，表明替换为热成形钢后碰撞性能得到提升。参考文献 冯奇，范军锋，王斌，等.汽车的轻量化技术与节能环保.汽车工艺与材料，2010（2）：41 唐葆君，刘江鹏.中国新能源汽车产业发展展望.北京理工大学学报（社会科学版），2015，17（2）：12 康 永 林.汽 车 轻 量 化 先 进 高 强 钢 与 节 能 减 排.钢 铁，2008（6）：13 白崤.汽车驾驶节能技术研究学位论文.西安：长安大学，20114 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测量部位优化前/mm优化后/mm入侵量降低/%前围板腿部33.6031.556.10前围板搁脚上部21.3020.055.87前围板搁脚下部9.539.035.25白车身模拟热点聚焦Highlights Focus5