摘 要

本文以某合资品牌的一款高级轿车的B柱为研究对象，利用Hypermesh软件建立了其有限元模型。根据国家标准GB20071-2006规定的要求建立了可变形移动壁障小车（MDB）模型，在此基础上建立了B柱的侧碰仿真模型。然后利用LS-DYNA软件进行分析。提取出了B柱的侵入量以及侵入速度的云图和B柱对应乘员五个评价点的侵入量、侵入速度变化曲线。为后续优化设计奠定了基础。接下来，利用激光拼焊技术，通过设计正交试验对B柱进行轻量化设计。然后将优化前后的B柱性能参数作对比，优化后的B柱最大侵入量下降了11.3%，最大侵入速度下降了6.7%，质量下降了3.9%。安全性得到提高的同时，也实现了轻量化。

关键词：B柱；轻量化；正交试验；侧碰仿真

Abstract

This article takes the B-pillar of a luxury car of a joint venture brand as the research object, and establishes its finite element model using Hypermesh software. According to the requirements of the national standard GB20071-2006, the MVB model was established and the B-pillar side impact simulation model was established. Then use LS-DYNA software for analysis. The intrusion volume and incursion velocity of the B-pillar were extracted and the intrusion volume and incursion velocity curve of the B-column corresponding to the five evaluation points of the occupant were extracted. It laid the foundation for subsequent optimization design. Next, the B-pillars are designed to be lightweight by designing orthogonal tests using laser tailor-welding techniques. Then compare the performance parameters of the B-pillar before and after optimization. The maximum intrusion volume of the B-pillar decreased by 11.3%, the maximum intrusion speed decreased by 6.7%, and the quality decreased by 3.9%. While improving safety, we have also realized lightweighting.

Key Words：B-pillar; lightweight; orthogonal test; side impact simulation

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景和意义 1

1.2 B柱轻量化国内外研究现状 1

1.2.1 高强度轻质材料 2

1.2.1 先进的加工工艺 2

1.2.1 结构化设计 3

1.3 本文的主要研究内容 4

第2章 B柱侧碰有限元模型的建立及分析 5

2.1 汽车侧面碰撞法规 5

2.2 B柱侧碰有限元建模 5

2.2.1 B柱有限元建模 5

2.2.2 可变形移动壁障建模 7

2.2.3 侧碰整体有限元模型的建立 8

2.3 B柱侧碰仿真分析 9

2.3.1 变形模式 9

2.3.2 侵入量侵入速度分析 9

2.4 本章小结 12

第3章 B柱轻量化设计 13

3.1 正交试验 13

3.2 B柱变形模式分析 13

3.3 B柱轻量化设计 14

3.4 优化前后对比分析 17

3.5 本章小结 19

第4章 总结与展望 21

4.1 结论 21

4.2 展望 21

参考文献 22

致谢 23

第1章 绪论

1.1 研究背景和意义

随着汽车工业的快速发展，汽车的保有量在不断增加。节能、环保和安全已经成为了汽车工业急需解决的三个重要的课题。对于汽车本身，燃油消耗量的70%用在了克服自身重力上，汽车质量每减少10%，可节约燃料约6.6%^[1]。而汽车车身质量约占汽车总质量的40% ^[2]，因此，降低燃油消耗率最有效的办法之一就是降低汽车车身的重量。庞大的世界汽车保有量不断消耗着化石能源，对环境也带来了极高的挑战。汽车尾气的排放在环境污染物中占有很大的比例，它严重影响着人们的健康。根据美国对11个城市做的空气成分调查报告显示，空气污染物中碳氢化合物含量的67%以上、一氧化碳含量的92%以上、氮氧化合物含量的86%以上都是由汽车尾气排放产生的^[2]。降低汽车车身的质量，就会减少资源的消耗，从而降低汽车尾气的排放量。除去环境问题之外，还有对汽车被动安全方面的考虑。根据数据显示，在发生的交通事故中，正面碰撞占事故总量的28.21%，死亡人数占总量的29.01%；侧面碰撞占总量的36.84%，死亡人数占总量的25.68%^[2]。由此可以看出，在车祸中侧面碰撞发生的概率以及造成的损失相对而言更大。为了实现节能减排，轻量化已经成为汽车行业发展的重要方向之一，如何在满足每个国家的侧面碰撞的安全法规的条件下，实现侧碰安全件的轻量化成为了汽车行业研究的重要课题之一。

1.2 B柱轻量化国内外研究现状

汽车轻量化是在保证汽车的行驶性能和安全性能的前提下，尽可能的减轻整车的质量，从而降低燃油消耗，达到节能减排的目的。近年来，随着新材料、新工艺等在汽车车身中的运用，为车身轻量化设计提供了各种新的思路，同时也间接提高了汽车的侧碰安全性能。其中，B柱作为汽车侧碰中最重要的安全件，对其进行轻量化设计及性能分析有重要的意义。下面将通过实现B柱轻量化的三种途径（如图1.1）来简述B柱轻量化设计的国内外研究现状。

图1.1 B柱轻量化技术路线

1.2.1 高强度轻质材料

（1）高强度钢

为了降低整车的质量，同时又要保证各国汽车安全法规规定的安全性能，高强度钢板无疑是一种便宜、易获得、强度足够的非常合理材料。一般高强度钢板性对于普通钢板屈服强度更高，同样的厚度质量更低，相对于普通钢板高强度钢板有着诸多的优势。高强度钢目前已经运用到汽车的各个零部件上。沃尔沃XC90等国外的豪华品牌轿车都使用了高强钢作为车身结构件，由于它在车身部件使用了约40%的硼钢，使得整车质量相对于老款减轻了122kg。同时由国内自主研发的汽车，新奇骏在一些关键部分使用了超高强度钢材，诸如AB柱、顶部横梁、侧梁等重大安全件，在降低了整车质量的同时，碰撞安全性能也得到了提升。

（2）铝合金