基于轻量化的热成形钢PHS2000 侧碰性能分析

供稿|孙倬，郭晶，王铭泽

内容导读

基于有限元方法，依据C-NCAP 碰撞法规，利用热成形钢替换先进高强钢，对白车身侧碰工况进行数值模拟，依据白车身结构安全性能要求，建立侧面碰撞的有限元模型，并进行评价分析。为满足新车型轻量化需求，B 柱加强板以热成形钢PHS2000 替代传统先进高强钢，再进行侧面碰撞分析。结果表明：应用PHS2000 的白车身的B 柱头部、胸部、腹部、胯部等参考点的入侵量和入侵速度明显降低，大大提升了乘客安全性，同时B 柱加强板轻量化19.99%，达到了新车型轻量化的目的。

目前，汽车轻量化能够达到节约能耗和降低碳排放等目的，但是车身在轻量化的同时，还要考虑车身的碰撞性能是否降低等问题[1-4]。因此，轻量化和安全性能是汽车行业重点关注的两大问题[5-7]，而热成形钢由于其具有高强度、成形性好等优点[8-12]，正被广泛的应用在车身结构件上，是解决两大问题的有效方法。

本文以某新车型白车身为研究对象，依据C-NCAP 碰撞法规，对B 柱加强板的侧碰性能进行分析。在保证驾驶室成员生存空间及B 柱质量要求下，通过热成形钢PHS2000 选材及优化，探究热成形钢PHS2000 在白车身侧碰安全性能中的应用。

材料力学性能

材料的升级替代是车身主要的轻量化方式之一，但随着材料强度的提升，成型性能随之下降，零部件难以生产，也是制约着轻量化主要问题。热成形钢在淬火后，组织从奥氏体组织转变成马氏体组织，从而获得超高强度。而成型过程中钢材处于高温状态，有着较高的延展性能。因此热成形钢解决了随着钢板屈服强度提高其成形性能变差的问题，车身零件可以减薄从而实现轻量化。

本文优化白车身中的B 柱加强板用材，应用PHS2000 热成形钢替代传统高强钢DP590，厚度从1.5 mm 降到1.2 mm。依据标准GB/T228.1—2010 进行静态拉伸实验，如图1 所示。常温下PHS2000 力学性能与DP590 基本相当，但在淬火后，其屈服、抗拉有了极大的提升。

图1 不同钢种工程应力应变曲线：（a）DP590；（b）PHS2000

有限元模型建立

本研究的白车身重307.9 kg，网格划分标准为10 mm×10 mm，控制其最小尺寸为3 mm。有限元模型如图2 所示，基础数据见表1，表中ACM（Area Contact Method）为载荷通过接触面传递的焊点。

表1 白车身基础数据

图2 白车身的侧面碰撞仿真分析数模

车身模型的连接，包含缝焊、点焊、螺栓/铆钉、胶粘、铰接等装配方式，设置REB2 刚性螺栓，焊点为Hexa 多边形焊点，焊缝采用二维面网格焊缝，焊点的密度设为7.85×10-9t/mm3，弹性模量为210 GPa，泊松比为0.3。对于整车侧面碰撞仿真， 材 料 属 性 有MAT1 、MAT20 、MAT24、MAT100 等材料卡片。

侧面碰撞研究

车身侧碰模型

白车身侧碰模型如图3 所示，依据C-NCAP 2018 法规，侧面碰撞速度50 km/h，设置刚性地面及可移动壁障，壁障重量为1400 kg，壁障撞击位置为前排座椅的设计参考点，依据法规，台架小车前端为蜂窝铝结构，蜂窝铝离地300 mm。

图3 白车身侧碰模型

侧碰仿真结果分析

在碰撞模拟分析过程中，涉及多种积分算法和不同的接触算法，系统为保证计算正常进行有时会自动增加某些部件的质量，如果该质量增加太多则会导致后期计算结果不可信。同时为节约计算时间计算中更多时候采用了非全积分的积分算法，这时将有可能在计算中发生沙漏，导致系统动能、内能不守恒。白车身侧碰工况下结构质量增量图如图4所示，图中可以看出最大质量增量为0.89%，远小于5%。白车身结构在碰撞过程中的动能、内能、沙漏能和总能量曲线如图5 所示，在碰撞过程中，满足能量守恒定律，台车系统的动能转化成台车蜂窝铝及白车身零部件系统的内能，沙漏能与滑移能的变化较小。沙漏能占总能量比率远小于5%，说明模型计算结果真实可信。

图4 侧碰工况下白车身结构质量增量

图5 碰撞能量曲线图

材料优化侧碰分析

对B 柱加强板进行材料优化，传统材料DP590的B 柱加强板重量为4.397 kg，优化PHS2000 后的B 柱加强板重量为3.518 kg，因此B 柱加强板实现轻量化19.99%。

分别选择B 柱对应乘客头部、胸部、腰腹及骨盆位置的点位进行考察，在模型中抓取相应位置刚性点并选取右侧B 柱加强板对应点位，以考察B 柱加强板侵入量及侵入速度。

对于汽车碰撞来说，车身变形量的大小反映了车体被损坏的程度与车身的抗碰撞能力。图6 分别为优化前与优化后整个B 柱加强板在侧碰后的形变云图，随着时间推移B 柱加强板变形越来越严重。仿真中仅有白车身承受台车的力，缺乏车门、防撞梁等结构，因此B 柱加强板变形很严重，但是从图中依然可以看到，优化材料后的白车身B 柱加强板变形量明显小于原白车身，优化效果明显。

图6 B 柱加强板形变云图：（a）优化前；（b）优化后

图7 为B 柱加强板材料优化前后头部入侵量，图8 为头部入侵速度曲线。从图中可以看出头部入侵量从优化前的477 mm 降低至优化后的445 mm，降幅为6.7%，入侵速度也有所降低。

图7 头部侵入量：（a）优化前；（b）优化后

图8 头部入侵速度：（a）优化前；（b）优化后

统计各考察点的入侵速度，整理后的最大侵入量如表2 所示，可以看出相比于原白车身，优化B 柱加强板材料后的白车身侧碰性能更好，在碰撞过程中结构保持更加完好，在侧碰中头部、胸部、腹部、髋部侵入量分别降低6.7%、10.2%、14.0%、25.6%，材料替换效果良好。

表2 原材料与优化材料后B 柱加强板侧碰最大侵入量 mm

结论

通过有限元分析方法，对新车型B 柱加强板材料优化前后的碰撞性能进行了分析，应用热成形钢PHS2000 替代传统高强钢，结果表明：

1)热成形钢替代传统高强钢后，B 柱加强板材料优化前后头部入侵量从优化前的477 mm 降低至优化后的445 mm，降幅为6.7%。

2）侧碰过程中，头部、胸部、腹部、髋部侵入量分别降低6.7%、10.2%、14.0%、25.6%。

3）对B 柱加强板进行材料优化后，B 柱加强板轻量化19.99%，轻量化的同时达到了碰撞性能提升的目的。