基于1 800 MPa级热成形钢的车门防撞梁轻量化设计分析

曹广祥 芦强强 宋起峰 常悦彤

（1.中国第一汽车股份有限公司材料与轻量化研究院，长春130011；2.中国第一汽车股份有限公司研发总院，长春130000）

1 前言

在汽车碰撞过程中，由于汽车侧面吸能构件较少且车内乘员与车门之间空间小不足以产生大的变形来吸收碰撞变形能量[1]，所以侧面碰撞中对人员伤害较大。车门防撞梁的应用可以在侧面碰撞过程中提升车门刚度，减少车门变形以及车门对乘员生存空间的侵入量，延迟乘员与车体的接触时间，有效降低乘员伤害。

目前车门防撞梁用材以超高强钢为主，如980 MPa级、1 180 MPa级冷成形超高强度，1 500 MPa级热成形钢等。热成形技术可用于成形复杂形状的零件、消除冷成形高强钢遇到的回弹大及易开裂等困难且成形后零件具有超高强度，所以应用热成形钢已成为车门防撞梁轻量化设计的主要选材方案。以1 500 MPa级热成形钢制造的车门防撞梁为基础方案，使用1 800 MPa级热成形钢通过提高材料强度，减薄料厚进行轻量化设计分析。

2 材料性能

选择某钢厂生产的1 800 MPa级热成形钢作为研究对象，其化学成分见表1，与基础方案使用的1 500 MPa热成形钢相比，主要通过提高C、Mn元素的含量来提高材料的强度。采用相同的热成形工艺参数进行压淬试验得到样板进行力学性能测试，结果见表2。

表1 化学成分（质量分数） %

表2 压淬后钢板力学性能

3 零件三点弯曲试验

准静态三点弯曲试验可以用于车门防撞梁的抗弯曲性能评价，本试验对使用1 500 MPa级和1 800 MPa级材料的车门防撞梁分别进行三点弯曲试验，对比零件的抗弯性能，同时使用获得的三点弯曲试验数据对材料卡片进行标定以用于CAE仿真分析。1 800 MPa级的试验零件在1 500 MPa级基础方案的生产模具上进行试制，为保证成形过程中材料的淬透性，零件厚度与基础方案一致，均为1.6 mm，试验零件如图1所示。

图1 试验零件

3.1 试验条件

车门防撞梁弯曲加载的冲头半径为152.4 mm，使用跨距为400 mm的2个支承座，支承座上端圆柱半径12.5 mm，加载速度50 mm/min，加载到冲头位移为100 mm时停止试验。载荷测量使用万能试验机力传感器，位移测量使用非接触变形测量系统计算分析，三点弯曲试验装置如图2所示。

图2 三点弯曲试验装置

3.2 试验结果

车门防撞梁三点弯曲试验得到的力-位移曲线如图3所示，试验数据见表3。

图3 力-位移曲线

从曲线可以看出，零件厚度和形状相同的情况下，使用1 800 MPa级材料的车门防撞梁的最大抗弯力和弯曲变形能明显大于基础方案的车门防撞梁。在零件形状不变的情况下，三点弯曲的最大抗弯力和弯曲变形能与厚度正相关，因此在达到基础方案车门防撞梁的抗弯曲性能的前提下可以使用1 800 MPa级材料对车门防撞梁进行减薄，实现轻量化设计。

表3 试验数据

4 车门防撞梁轻量化设计及验证

使用高强钢板进行轻量化设计，常用的方式是使用高强度材料代替低强度材料，在保证使用性能不降低的前提下进行料厚的减薄。钢板的强度和料厚的乘积关系大体上由变形方式决定，在不改变零件结构强度的情况下，减薄后的材料厚度可以根据公式（1）进行估算[2]。

式中，t1为低强度钢板厚度；t2为减薄后的高强度钢板厚度；σ1为低强度钢板的屈服强度；σ2为高强度钢板的屈服强度；N为由变形形式决定的数值，各种受力情况下N的取值情况见表4。

表4 各种受力情况下N的取值

车门防撞梁在碰撞中主要承受弯曲载荷，取N=1/2，将1 800 MPa级和1 500 MPa级热成形钢热成形后的屈服强度代入公式（1）计算得出使用1 800 MPa级热成形钢减薄后的车门防撞梁厚度为1.42 mm，取1.4 mm进行分析。对减薄后的车门防撞梁进行三点弯曲仿真分析，与基础方案1.6 mm的1 500 MPa级车门防撞梁进行抗弯曲性能比较。

基于车门防撞梁的三点弯曲试验，建立LS-DY-NA仿真模型如图4所示，其中防撞梁为壳网格，网格尺寸5 mm，材料属性赋为基于三点弯曲试验数据标定的1 800 MPa级热成形钢材料卡；冲头、支承座均为刚体，网格单元大小为8 mm，支承座全约束，冲头以恒定速度向下移动。根据试验实际情况建立冲头与横梁、横梁与支承座之间的接触。

图4 三点弯曲仿真模型

仿真分析得到的零件变形与三点弯曲试验后的零件变形一致，验证了仿真分析模型和材料卡片的准确性，如图5所示。

图5 零件变形对比

仿真分析得到1 800 MPa级车门防撞梁的力-位移曲线与基础方案1 500 MPa级车门防撞梁三点弯曲试验得到的力-位移曲线对比如图6所示。

图6 力-位移曲线

最大抗弯力和弯曲变形能值见表5。由分析结果可以看出，使用1 800 MPa级热成形钢减薄后的车门防撞梁其抗弯曲性能与基础方案的1 500 MPa级车门防撞梁进行抗弯曲性能相当。

表5 最大抗弯力和弯曲变形能

为进一步验证减薄方案是否满足碰撞工况车体防护要求，将车门防撞梁搭载整车进行侧面碰撞分析。依据C-NCAP 2018侧面碰撞规程，建立侧面碰撞模型，分别计算1 500 MPa级热成形钢的基础方案和1 800 MPa级热成形钢的减薄方案，对比B柱及前后车门的侵入量。

1 800 MPa级热成形钢减薄方案与基础方案的碰撞仿真结果对比如图7所示，减薄方案B柱及前后车门的侵入量与基础方案相当。分析结果表明在不改变车门防撞梁形状的前提下，使用1 800 MPa级热成形钢减薄的方案可行。

图7 侧面碰撞仿真分析结果（图中曲线M1为基础方案，M2为减薄方案）

5 总结

a.在1 500 MPa级车门防撞梁生产模具上试制1 800 MPa级车门防撞梁，通过三点弯曲试验对抗弯曲性能进行评价。建立仿真分析模型并进行材料卡标定，对减薄方案进行仿真分析，将减薄方案的仿真分析结果和1 500 MPa级基础方案的三点弯曲试验结果进行对比，得出2种方案的抗弯曲性能相当，验证了仿真分析模型和材料卡片的准确性以及减薄方案的可行性。

b.1 800 MPa级热成形钢代替1 500 MPa级热成形钢用于车门防撞梁的轻量化设计，在保证抗弯曲性能不降低的条件下，可实现12.5%的降重效果。