摘 要

近年来，随着汽车产业的高速发展，汽车在人们的日常生活中越来越必不可少，汽车的数量也开始高速增加，而汽车的增加带来是越来越多的交通事故的发生。而在汽车众多事故中，因为汽车与树木和杆子碰撞而造成的伤亡占11% ~15%，由此可见侧面柱碰撞的严重性，所以关于侧面柱碰撞的B柱的研究是很有必要的。

本次设计在美国FMVSS214法规的基础上，运用拼焊技术连接7075铝合金和2024铝合金，基于hypermesh和LS-DYNA软件进行分析，在FMVSS214法规的基础上对原本的高强钢焊接B柱进行建模和碰撞分析，并用拼焊板代替原B柱外板，最终对比分析原本的B柱和优化后的B柱碰撞性能，主要分析B柱的变形云图和侵入量以及侵入速度曲线，可以看出B柱的变形基本处于B柱下端。采用正交试验，以B柱外板的上下两部分板材的厚度 以及下端的距离h为影响因素，最终通过极差的对比，选出最佳的B柱拼焊结构，而它的:1.8mm :0.8mm h:250mm，经过优化后，B柱模型在碰撞试验后的变形云图得到改善，其质量减轻了25.7%，最大侵入速度减小3.3%，最大侵入量减少9.6%。最大侵入量83mm基本符合美国安全法规，侵入速度14.8m/s趋近美国安全法规。

本次设计在用拼焊板代替B柱外板方面做出了研究，对于B柱的轻量化设计和耐撞性能设计方面提出了自己的看法，对未来B柱的设计有一定帮助。

关键词：B柱；拼焊结构；轻量化；耐撞性；优化设计

Astract

In recent years, with the rapid development of the automobile industry, automobiles are becoming more and more essential in people's daily life, and the number of automobiles has begun to increase at a high speed, and the increase of automobiles brings more and more traffic accidents. In many automobile accidents, 12% to 16% of the casualties are caused by the collision of automobile with trees and poles, which shows the seriousness of side column collision, so it is necessary to study the B-pillar of side column collision.

On the basis of FMVSS214, this design uses tailor-welded technology to connect 7075 and 2024 aluminium alloys. Based on HyperMesh and LS-DYNA software, the collision simulation of the original B-pillar is carried out, and tailor-welded blanks are used to replace the original B-pillar outer plate. The collision performance of B-pillar before and after optimization is compared and analyzed. The deformation cloud diagram, intrusion amount and intrusion velocity curve of B-pillar are mainly analyzed. It can be seen that the deformation of B-pillar is basically at the bottom of B-pillar. The orthogonal test was used to select the best tailor-welded B-pillar structure by comparing the thickness of the upper and lower parts of B-pillar outer plate with the distance h of the lower end. The best tailor-welded B-pillar structure was obtained by comparing the extreme difference. After optimization, the deformation cloud of the B-pillar model was improved after collision test, and the best one was obtained by comparing the thickness :1.8 mm:0.8 mm h:250 mm ,its mass was reduced by 25.7%, the maximum intrusion velocity was reduced by 3.3%, Large invasion was decreased by 8.6%.The maximum amount of intrusion basically conforms to the U.S. security regulations, and the speed of intrusion approaches the U.S. security regulations.

In this design, tailor-welded blanks are used to replace B-pillar exterior plate. Some opinions are put forward on lightweight design and crashworthiness design of B-pillar, which will be helpful to the design of B-pillar in the future.

Key words: B pillar; tailor welded structure; lightweight; crashworthiness; optimize

目 录

第1章 绪论1

1.1 侧面碰撞和侧面柱研究的背景和意义 1

1.2 轻量化的意义 1

1.3 国内外研究现状2

1.4 侧面柱碰撞的法规3

1.5 本文主要研究内容3

1.6 本章小结4

第2章 与汽车碰撞相关的仿真理论和优化方法 5

2.1 与汽车碰撞相关的仿真理论5

2.1.1 有限元仿真分析方法 5

2.1.2 沙漏控制5

2.1.3 接触控制5

2.1.4 时间步长控制6

2.2 优化方法6

2.3 本章小结7

第3章 侧面柱碰撞仿真模型的建立和碰撞仿真8

3.1 侧面柱碰撞有限元模型的建立8

3.1.1 网格划分8

3.1.2 材料和属性设置9

3.1.3 部件的连接9

3.1.4 接触定义和时间步长11

3.1.5 测量点的选取11

3.2 侧面柱碰撞有限元模型验证12

3.3 B柱变形13

3.4 B柱侵入量和侵入速度分析14

3.5 本章小结15

第4章 B柱拼焊结构设计17

4.1 B柱拼焊仿真模型建立17

4.2 优化模型18

4.2.1 正交设计18

4.2.2 优化结果20

4.3 优化结果对比21

4.3.1 B柱变形分析21

4.3.2 B柱侵入量和侵入速度对比22

4.4 本章小结23

第5章 全文总结及展望25

参考文献26

致谢28

第1章 绪论

1.1侧面碰撞和侧面柱研究的背景和意义

近年来，随着汽车产业的高速发展，汽车在人们的日常生活中越来越必不可少，汽车的数量也开始高速增加，而汽车的增加带来是越来越多的交通事故的发生。2018年，我国的汽车整体拥有量再次增加2285万辆从而达到2.4亿辆，道路通车里程新增8.6万公里、达到486万公里，在这个背景下全国道路交通事故死亡人数达到64222人。而其中因为车祸一次死亡人数10人以上的事故达到了5次，分别发生在全年的3个月份，全国34个省中有11个省发生重大事故^[1]。由此可见，对于汽车安全性能的研究一直是必不可少的，而在汽车众多事故中，因为碰撞而发生伤亡是最常见的。如图1.1所示，在各种汽车碰撞事故形态中,70%的碰撞事故是由于侧面碰撞和正面碰撞。其中，34%~44%是由于车辆和车辆碰撞导致, 11% ~15%是因为汽车侧面与柱状物体碰撞导致^[2]。根据这些数据我们可以看出侧面柱碰撞的严重性，所以在侧面柱碰撞的B柱方面做研究是很有必要的。

图1.1 汽车碰撞事故对比^[1]

1.2 轻量化的意义

在当今全球要求节能减排的大前景下，汽车的轻量化成为了遏制全球气候变暖的重要方式，所以轻量化是我们目前汽车研究的一个重要方向。目前关于汽车轻量化，研究的方向主要还是材料轻量化与结构轻量化 ^[3]；在结构轻量化方面，B柱结构要求B柱上端刚度要大于下端刚度，这需要我们用不同的材料构成B柱，而拼焊技术可以将可以将两块不同厚度和不同材料的板材用拼焊的方式焊接起来，这正好满足B柱对于结构设计的要求；在材料轻量化的方面，铝的密度为2.7，接近钢密度的1/3(7.8)。汽车上使用铝材可以明显降低汽车重量，而中国的汽车用铝量一直低于全球的平均用铝量，关于铝合金在汽车上的使用一直是我国的一个重要研究方向。本次设计将在B柱外板上部选用7075铝合金和，在外板下部采用2024铝合金，其中7075铝合金的刚度高吸能效果差而2024铝合金刚度低吸能效果好，同时他们都拥有良好的焊接性能，所以我们选择将7075铝合金和2024铝合金进行拼焊，这样形成的B柱正好保证汽车侧面碰撞的安全性。对于7系铝合金和2系铝合金的拼焊，我们使用搅拌磨檫焊基本可以达到其强度需求^[4]。这次对于侧面碰撞的某轿车B柱拼焊的结构设计旨在促进我国汽车轻量化的研究和车用铝合金的使用。

1.3国内外研究现状

国外研究汽车侧面碰撞起始于20世纪初的30年代左右，奔驰等多家欧洲公司在50年代末开始了汽车正面碰撞研究，美国于1992年4月15日正式提出了美国侧面碰撞安全法规FMVSS214，之后欧洲也提出了欧洲ECER95法规，通过汽车安全法规的强制实施，促进汽车厂家切实改进产品安全性。美国Wayne州立大学在汽车碰撞中对于乘客的损伤指标做了许多次试验，并在乘客的损伤生物力学方面做出了不小的贡献。随着时代的发展，计算机仿真分析技术的出现大大提高了汽车碰撞方面的研究速度，国外从20世纪60年代中期就在进行计算机仿真分析工作，在90年代末期，汽车仿真技术进入了一个高速发展阶段。90年代末，国外出现了许多的仿真软件，著名的有美国LSTC公司的LS2DYNA、法国ESI公司的PAM2CRASH及PAM2SAFE等^[5]。正是在这种时代背景下，国外的仿真研究有了巨大的突破。

目前，我国的碰撞试验指标基本上是与欧洲相同，并且逐步的向ECE靠拢。在全球化的现代，我国在制定碰撞标准时为了以后能够与国际接轨基本是在依靠欧洲的法规基础上设定出了我国碰撞试验的相关指标。我国在80年代末期由清华大学的研究人员建成我国第一台台式试验车车架，并对汽车被动安全性进行了研究.在更多的运用现代化的虚拟仿真分析技术后，我国关于汽车的侧碰试验是越来越多，其中也有许多的B柱侧碰研究；南昌大学的叶盛，辛勇对拼焊技术的B柱耐撞性进行了大量试验，主要是运用了hyermesh和ls-dyna软件，通过拼焊技术对B柱内板和加强板的结构进行了优化设计从而使B柱最大侵入量减少13.0%,最大侵入速度减少38.8%,质量减轻5.8%^[6]；清华大学的王大志总结了许多种车型的汽车正面碰撞车辆加速度变化对乘员响应的影响,建立了车辆-乘员正面碰撞模型，对多种汽车进行了优化设计^[7]。

在对国内外研究现状调查中，发现在基于侧面碰撞的B柱拼焊结构设计方面关于铝合金的使用较少，而7系和2系铝合金的使用更是几乎空白，所以本次设计着重研究了7075铝合金和 2024铝合金两种铝合金拼焊板替代B柱外板后带来的B柱性能变化以获得最佳的拼焊结构B柱。

1.4 侧面柱碰撞的法规

全球现在主要使用两种侧面柱碰撞法规：欧洲的Euro-NCAP（Pole side Impact）和美国联邦法规FMVSS214（Oblique Pole Test）^[8]，他们的试验方法如图1.2和表1.1所示。

Euro-NCAP FMVSS214

图1.2 欧洲和美国侧面柱碰撞试验^[8]

表1.1 欧美侧面柱碰撞试验法规比较^[8]

1.5 本文主要研究内容

（1） 对国内外关于碰撞方面的文献进行了大量的研究工作，发现并了解到汽车侧面柱碰撞研究的必要性。对于B柱拼焊结构的选取给出了自己的理解，对7075和2024铝合金进行了性能分析。

（2） 针对本次设计使用的hyperworks和LS-DYNA软件，对有限元仿真分析的方法进行讲解，并对沙漏控制，接触控制，时间步长控制等理论进行讲述，详细介绍优化方法。

（3） 在美国FMVSS214法规的基础上建立B柱对碰撞柱的碰撞仿真模型，运用LS-DYNA软件完成碰撞计算，在此基础上分析B柱的变形云图和侵入量以及侵入速度曲线，给出自己的理解。

（4）运用7075和2024铝合金进行拼焊设计，用拼焊板代替原B柱外板后进行碰撞性能分析，选取最佳的B柱拼焊结构。

1.6 本章小结

本章对汽车侧面碰撞和侧面柱碰撞的研究进行了讲解，展示了侧面柱碰撞法规，并给出了本次论文的主要研究内容。

第2章 与汽车碰撞相关的仿真理论和优化方法

2.1 与汽车碰撞相关的仿真理论

2.1.1 有限元仿真分析方法

有限元仿真分析方法是目前车辆被动安全仿真分析的主要方法，其中关于模型的节点位置和时间之间的关系公式为：

(2.1)

初始：

(2.2)

(2.3)

能量关系：

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