基于有限元分析的高强钢B柱零件的应用研究论文

1 前言

汽车B柱又称中柱，位于前门和后门之间，是重要的承力构件。其作用是保证汽车在承受一定撞击的情况下，前车门能够打开、不产生严重的破坏和残余变形。因此，必须具有足够的刚度和强度。作为整车重要的侧面结构，B柱侵入速度和变形模式与乘员的损伤有直接关系，对整车侧碰性能有重要影响。目前，高强钢零件在车身上的应用比例普遍不高，汽车 B 柱是应用开发的重点之一。

2 研究思路

本文基于CAE有限元分析方法，结合CAD工程设计和材料成型工艺，以某经过试验仿真对标后的车型为研究对象，研究了 B 柱基础模型的结构，并对高强钢零件替换模型的结构进行了优化。经分析验证，高强钢零件的应用方案在实现减重的同时，满足了结构性能的目标要求。

3 基础模型的结构性能分析

B 柱的基础模型由以点焊形式连接的 9 个零件组成，质量为11.76 kg。这9个零件均为普通冷冲压零部件，其中强度最高的加强板下段零件的屈服强度为549 MPa，其余零件的屈服强度均低于340 MPa。B柱承受的主要载荷是来自于侧面的撞击。下面从静力分析和碰撞性能两方面研究B柱的结构性能。

3.1 静力分析

汽车B柱静力分析内容主要包括弯曲工况下的刚度和强度，在分析过程中将 B 柱简化为简支梁来计算。

约束B柱上、下端与车身焊接处的所有平动自由度和转动自由度，在B柱中部位置沿Y+向施加2 000 N的集中载荷。

3.2 碰撞性能

汽车 B 柱碰撞性能分析主要考虑侧面撞击的工况。建立半径为 100 mm的柱体，并设定其为刚体；B 柱的上、下两端约束所有的平动自由度和转动自由度。刚性柱体质量为 500 kg，沿 Y 向以 2 m/s 的初速度撞击 B 柱中部。

4 高强钢零件替换模型性能分析

4.1 高强钢零件替换方案

高强钢零件材料的屈服强度高达936 MPa，可以代替普通钢板零件以实现减重目标。本文将车身 B 柱的上、下加强板和顶梁加强板替换为高强钢零件，并进行减薄，在此基础上去除B柱内部加强件。B柱总成共有7个零件采用该方案，减重1.45 kg。

4.2 静力分析结果对比

B 柱整体结构的最大应力位置相同，最大应力值降低14.6%；但高强钢B柱整体的弯曲刚度降低14.9%，即刚度性能有所损失。B柱总成是白车身刚度灵敏度较高的零件，由于高强钢零件的替换不利于白车身刚度性能水平的提高，因此需要通过结构优化设计弥补性能损失。

5 高强钢零件替换模型的结构优化

为弥补高强钢零件替换后B柱的结构刚度和碰撞性能的损失，在与基础模型相同的静力分析工况下，通过B 柱总成拓扑优化、加强板形貌优化及加强筋设计、加强板尺寸优化及设计，对B柱高强钢零件替换模型的结构进行优化，在实现减重的同时，充分发挥高强钢零件的使用性能，使优化模型结构性能得以提升。

5.1 B柱总成拓扑优化及设计

拓扑优化是在给定的设计空间内寻求最佳的材料分布。其优化结果不涉及结构尺寸设计，而是展示静力分析弯曲工况的载荷传递路径和主要承载区域，以便在最优的材料分布情况下开展优化设计。

5.2 加强板形貌优化及加强筋设计

形貌优化是在板型结构中寻找最优的加强筋分布的概念设计方法，用来设计薄壁结构的强化压痕，在不增加结构质量的前提下，提高结构的刚度。

6 优化模型的结构性能验证

综合拓扑优化、形貌优化及尺寸优化的优化设计方案，建立 B 柱总成高强钢零件替换优化模型。该优化模型由 7 个零件组成，比基础模型减重 0.47 kg，B 柱的外加强板和顶梁加强板为高强钢零件，其余均为普通冷冲压零部件。下面对优化模型的B柱整体结构刚度和碰撞性能进行分析验证。

7 结论

a.通过研究B 柱基础模型的结构、性能，建立了B柱总成与整车的性能关系，确定了能够反映B柱总成结构和性能的典型模拟工况，评估了基础模型的结构刚度、应力大小和碰撞性能水平。

b.对高强钢零件替换模型采取拓扑优化、形貌优化和尺寸优化的综合优化方法，使优化模型在质量减少0.47 kg的情况下，零件数目减少、结构刚度达到基础模型水平、碰撞性能明显提升。达到了预期研究目的。

c.本文中的高强钢零件应用及结构优化是CAE 有限元分析、CAD 工程设计和材料工艺分析等多学科的综合应用，形成了一套可行的结构优化流程及性能研究方法，对汽车其他新材料和新工艺的应用开发具有重要的参考价值。

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