Automobile Technology & Material
6种高强钢材质的汽车B柱耐碰撞性能对比研究… ………孟庆刚 海超 郭晓静Comparative Study on Crashworthiness of Automobile B-pillar Made of Six Kinds of High Strength Steel……meng Qinggang, Hai Chao, Guo Xiaojing
LS-DYNA MDB B摘要：在显式有限元软件 中，精准地建立研究汽车侧碰所需的 模型，并对某车型的 柱侧
B DP590，DP780、MS1180、PHS1500、PHS1800碰过程进行完整的数值模拟。模拟过程依次将 柱材质设置为 和PHS2000，钢板厚度设置为1.2 mm、1.5 mm、1.8 mm、2.0 mm 2.5 mm。模拟完成后，提取各种材质和厚度的B
和柱典型节点侧碰后的位置坐标进行对比。对比结果表明：B柱表面最大位移和弯曲方式均与钢板强度密切相B B关，钢板的屈服强度越高，侧碰后 柱侵入变形量越小，但是高强度厚板制成的 柱容易在碰撞时发生压溃弯曲，引发零件失稳，综合以上因素，1.5 mm DP780 B厚度的 为该 柱的最佳材质。
关键词：B柱 高强钢 碰撞 数值模拟中图分类号：U465.1+1 文献标识码：B 10.19710/J.cnki.1003-8817.20210063 DOI: 1 前言出于节能环保需要，全世界都对汽车的燃油消耗量和尾气排放量都进行了严格的限制。为了能够达标，各大车企均采用了相似的应对措施：提高发动机的燃油效率和车身轻量化。研究表明，
车身重量减少10%，可以节省燃油5%～6%[1]。车身轻量化就是在保证汽车强度、刚度、耐久性和安全性的前提下进行的减重。目前主要通过以下3种方式实现[2-4] ：一是采用低密度的铝合金或复合材料替代钢；二是进行零件的拓扑优化，去除零件上不承受载荷的部分；三是使用高强钢替代普通钢种，并在保证安全与承载能力的前提下进行减薄，从而实现车身轻量化。
LS-DYNA
本研究基于显式有限元程序 的碰撞模
B 3
拟，以车身 柱为研究对象，对上述第 种方式进行研究。
B
柱位于两侧车身的中间，在车身侧碰测试中起到防止车身变形、保护车内乘客的作用。因此，
B
柱通常都采用高强钢制造，是整个车身中强度最
5
[5-6]。采用本溪钢铁集团生产的
高零件之一 种典
5
型高强钢，系统地研究了钢板厚度对这 种高强钢
B
柱耐冲击性能的影响。
2 有限元模型
2.1 车身B柱与MDB模型
B Mov⁃
碰撞发生在车身 柱与移动变形壁障（
able Deformable Barrier，mdb MDB
）之间。 模型遵
IIHS
循美国 碰撞标准，主要由位于前端蜂窝铝板
1.5 t。蜂窝铝
和后端的刚性体台车组成，总重量
5251
板完全被 铝合金薄板包裹，在碰撞过程中起到缓冲吸能的作用。为了避免实体单元与壳单元之间出现接触问题，在蜂窝铝板与包裹铝合金薄
1
板之间添加 层空材料，这种材料没有质量没有强
B
度，不会对碰撞结果产生任何影响。车身 柱与
MDB 1
模型如图 所示。
2.2 材料模型
B 6 6
计算过程将 柱分别赋予 个钢种。这 个钢种的力学性能曲线取自静态拉伸试验，然后将试验所得的工程应力应变曲线转化为真应力真应变曲线，并输入至有限元程序中作为材料模型。高强钢的延伸率会随着强度的提高而逐渐降
低。6 DP590，其工程
个钢种中，延伸率最高的是
25%，如果直接将曲线输入至有限元
延伸率大约为程序中会导致计算错误。为了避免出现这一问题，行业内的普遍做法是选择合适的本构方程进
1
行拟合与延长，直至真应变等于 处，并且要求所有曲线在拟合过程中不得发生交叉。本研究采用
1。
的本构方程见公式
= k∙ ( - 1
σ ε ε )n （ ）
0
式中， σ 为真应力； ε 为真应变； ε 为材料发
0生屈服变形时的真应变； k和 n均为待定的系数。
2
延伸后的曲线如图 所示。2.3 约束、初始条件及接触
B
为了最大程度地还原车身侧碰过程，需要对
2 2 3
柱模型最上 层和最下 层节点施加 个坐标轴方
向的平动约束。MDB
模型所有节点均在水平面内
18 km/h。
运动，初始运动速度设为
B
车身柱与前端蜂窝结构之间采用双面接触，蜂窝铝板与包裹铝合金薄板中之间均采用自接触。刚性车体与蜂窝结构之间采用刚体梁连接，刚性车体的零件之间为刚体全约束连接。
3 计算结果与讨论
3.1 基于最大位移的结果评价
1 B
表 为不同材质和厚度的 柱在经受冲击变形后表面节点的最大位移量。使用此表中数据，
3
绘制三维曲面图，结果如图 所示。由图可知，该
B
柱经冲击变形后，其表面节点的最大位移与钢板的厚度和强度均呈负相关。这就意味着，钢板越
厚，强度越高，B
柱的弯曲变形量就越小，该结果与直观经验相符。
3 1.5 mm
图 中的等高线大致呈对角线分布，即
DP590 1.2 mm DP780
厚度的 与 厚度的 的最大位移
2.0 mm DP590、1.5 mm
基本一致， 厚度的 厚度的
DP780 1.2 mm MS11800
与 厚度的 三者的最大位移量基本一致，依次类推。如果单纯考虑最大位移量，这些最大位移量相近似的材质和厚度之间，就可以互相替换，将厚板替换为薄板，即可实现车身轻量化的目的。
3.2 关于压溃现象的讨论
1.2 mm 2.0 mm B
不同钢种、厚度 和 的 柱经冲
4
击变形后的形状如图 所示。
MDB B柱时，B 13～16
当 撞击 柱节点 部分与
MDB
发生直接接触，作用力巨大，所以该处节点均发生了较大的位移。与此同时，由于该处较为粗壮，变形难度较大，所以会将撞击力传到至其他部
B
位，最终导致 柱中上部发生明显的压溃折弯，如
4
图 中圆圈标识处。尤其是对于变形难度较大的高强钢更容易发生此类现象。
B 1.5 mm 1.8 mm
高强度的厚板 柱，例如 和 厚
PHS2000、1.8 mm 2.0 mm PHS1800
度的 和 厚度的
4
均出现了严重的压溃折弯现象，如图 中的圆圈内B标识部分。因为压溃后的 柱已经处于失稳状态，所以不能起到任何保护作用，在选材时应将此类钢板排除在外或者重新进行设计，并对压溃处进行加强处理。
B 19
在 柱表面由上至下均匀选取 个节点，如
1a
图 所示，并记录经碰撞变形后各个节点的位
5 5
移，制成曲线，如图 所示。图 中可以观察到
4
的规律与图 类似：钢板强度越高，厚度越大，就
B 1180
越容易在 柱上部发生压溃现象。 级别以上的钢板均出现了不同程度的压溃现象，相反，
DP780 DP590
薄规格的 和 却并未出现这类失稳现象。
1.2 mm、
未发生折弯失稳现象的钢板包括
1.5 mm 1.8 mm DP590，以及1.5 mm 1.2
和 厚度的 和
mm DP780。在经受冲击后，这5 B
厚度的 种 柱的
6 1.5 mm
最大侵入位移对比如图 所示。其中 厚度
DP780 1.8 mm DP590
和 厚度 厚度对应的最大侵入
DP780
位移相近，但是 钢板却更薄，能够有效减
B
重，所以应为该 柱的最佳材质。如果主机厂能
B B
够修改 柱，对 柱上部进行加强防止出现压溃现象，才可以考虑采用更高强度的钢板。
4 结论
a.基于抵御碰撞性能，1.5 mm DP780
厚度的 既能有效抵抗台车的碰撞侵入又不发生压溃变形，
B
所以是该 柱的最佳选材方案；
B
b.碰撞后， 柱被侵入位移随着钢板强度和厚度的增加而逐渐减小，但是高强度厚规格的钢板
B
制成的 柱容易在上部发生压溃变形，所以不适
B
合作为 柱选材；
B
c.根据碰撞模拟结果，必须在对该 柱的上部
易压溃处进行加强处理后才可选用高强度低厚度的热成型钢，实现车身的轻量化。
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