基於有限元分析的高強鋼B柱零件的應用研究論文

基於有限元分析的高強鋼B柱零件的應用研究論文

　　1 前言

　　汽車B柱又稱中柱，位於前門和後門之間，是重要的承力構件。其作用是保證汽車在承受一定撞擊的情況下，前車門能夠開啟、不產生嚴重的破壞和殘餘變形。因此，必須具有足夠的剛度和強度。作為整車重要的側面結構，B柱侵入速度和變形模式與乘員的損傷有直接關係，對整車側碰效能有重要影響。目前，高強鋼零件在車身上的應用比例普遍不高，汽車 B 柱是應用開發的重點之一。

　　2 研究思路

　　本文基於CAE有限元分析方法，結合CAD工程設計和材料成型工藝，以某經過試驗模擬對標後的車型為研究物件，研究了 B 柱基礎模型的結構，並對高強鋼零件替換模型的結構進行了最佳化。經分析驗證，高強鋼零件的應用方案在實現減重的同時，滿足了結構效能的目標要求。

　　3 基礎模型的結構效能分析

　　B 柱的基礎模型由以點焊形式連線的 9 個零件組成，質量為11.76 kg。這9個零件均為普通冷衝壓零部件，其中強度最高的加強板下段零件的屈服強度為549 MPa，其餘零件的屈服強度均低於340 MPa。B柱承受的主要載荷是來自於側面的撞擊。下面從靜力分析和碰撞效能兩方面研究B柱的結構效能。

　　3.1 靜力分析

　　汽車B柱靜力分析內容主要包括彎曲工況下的剛度和強度，在分析過程中將 B 柱簡化為簡支梁來計算。

　　約束B柱上、下端與車身焊接處的所有平動自由度和轉動自由度，在B柱中部位置沿Y+向施加2 000 N的集中載荷。

　　3.2 碰撞效能

　　汽車 B 柱碰撞效能分析主要考慮側面撞擊的工況。建立半徑為 100 mm的柱體，並設定其為剛體；B 柱的上、下兩端約束所有的平動自由度和轉動自由度。剛性柱體質量為 500 kg，沿 Y 向以 2 m/s 的初速度撞擊 B 柱中部。

　　4 高強鋼零件替換模型效能分析

　　4.1 高強鋼零件替換方案

　　高強鋼零件材料的屈服強度高達936 MPa，可以代替普通鋼板零件以實現減重目標。本文將車身 B 柱的上、下加強板和頂梁加強板替換為高強鋼零件，並進行減薄，在此基礎上去除B柱內部加強件。B柱總成共有7個零件採用該方案，減重1.45 kg。

　　4.2 靜力分析結果對比

　　B 柱整體結構的最大應力位置相同，最大應力值降低14.6%；但高強鋼B柱整體的彎曲剛度降低14.9%，即剛度效能有所損失。B柱總成是白車身剛度靈敏度較高的零件，由於高強鋼零件的替換不利於白車身剛度效能水平的提高，因此需要透過結構最佳化設計彌補效能損失。

　　5 高強鋼零件替換模型的結構最佳化

　　為彌補高強鋼零件替換後B柱的結構剛度和碰撞效能的損失，在與基礎模型相同的靜力分析工況下，透過B 柱總成拓撲最佳化、加強板形貌最佳化及加強筋設計、加強板尺寸最佳化及設計，對B柱高強鋼零件替換模型的結構進行最佳化，在實現減重的同時，充分發揮高強鋼零件的使用效能，使最佳化模型結構效能得以提升。

　　5.1 B柱總成拓撲最佳化及設計

　　拓撲最佳化是在給定的設計空間內尋求最佳的`材料分佈。其最佳化結果不涉及結構尺寸設計，而是展示靜力分析彎曲工況的載荷傳遞路徑和主要承載區域，以便在最優的材料分佈情況下開展最佳化設計。

　　5.2 加強板形貌最佳化及加強筋設計

　　形貌最佳化是在板型結構中尋找最優的加強筋分佈的概念設計方法，用來設計薄壁結構的強化壓痕，在不增加結構質量的前提下，提高結構的剛度。

　　6 最佳化模型的結構效能驗證

　　綜合拓撲最佳化、形貌最佳化及尺寸最佳化的最佳化設計方案，建立 B 柱總成高強鋼零件替換最佳化模型。該最佳化模型由 7 個零件組成，比基礎模型減重 0.47 kg，B 柱的外加強板和頂梁加強板為高強鋼零件，其餘均為普通冷衝壓零部件。下面對最佳化模型的B柱整體結構剛度和碰撞效能進行分析驗證。

　　7 結論

　　a.透過研究B 柱基礎模型的結構、效能，建立了B柱總成與整車的效能關係，確定了能夠反映B柱總成結構和效能的典型模擬工況，評估了基礎模型的結構剛度、應力大小和碰撞效能水平。

　　b.對高強鋼零件替換模型採取拓撲最佳化、形貌最佳化和尺寸最佳化的綜合最佳化方法，使最佳化模型在質量減少0.47 kg的情況下，零件數目減少、結構剛度達到基礎模型水平、碰撞效能明顯提升。達到了預期研究目的。

　　c.本文中的高強鋼零件應用及結構最佳化是CAE 有限元分析、CAD 工程設計和材料工藝分析等多學科的綜合應用，形成了一套可行的結構最佳化流程及效能研究方法，對汽車其他新材料和新工藝的應用開發具有重要的參考價值。