李彥云 張東升 李超

（北京汽車研究總院有限公司，北京 101000）

1 前言

正面25%偏置碰撞工況是中國保險汽車安全指數(shù)（CHINA INSURANCE AUTOMOTIVE SAFETY INDEX，C-IASI）車內(nèi)乘員安全指數(shù)的重要工況之一，又稱小偏置碰撞撞試驗。小偏置碰撞撞是道路交通事故的重要形式之一。因小偏置碰撞撞事故導致的乘員死亡約占正面道路交通事故中乘員死亡總數(shù)的四分之一,嚴重損害了人民生命財產(chǎn)安全，近兩年關(guān)注度比較高[1]。碰撞的載荷通過輪胎和前輪罩上邊梁向后傳遞到A 柱，可造成駕駛艙嚴重變形，直接威脅乘員艙人身安全。A 柱的變形程度直接影響乘員的安全空間，因此A 柱的設(shè)計對于小偏置碰撞非常重要。

近年來各車企在A 柱用材及成形技術(shù)方面進行了大量研究和試驗。其中，熱成形鋼熱沖壓成形技術(shù)是其實現(xiàn)輕量化和安全性的先進成形技術(shù)之一。目前應(yīng)用較廣泛的熱成形鋼為22MnB5[2]。雖然22MnB5 鋼經(jīng)熱沖壓成形后的強度可以達到1500 MPa 級別，但隨著汽車企業(yè)對輕量化要求的進一步提高，各大鋼廠相繼開發(fā)出1800 MPa、2000 MPa 級別的熱成形鋼[3-7]，并在車門防撞梁上進行輕量化應(yīng)用研究[8-10]。

基于某車型A 柱的1500 MPa 熱成形鋼設(shè)計方案，使用2000 MPa 熱成形鋼進行優(yōu)化設(shè)計，得到輕量化設(shè)計方案，并依據(jù)正面25%偏置碰工況的仿真分析，分析輕量化結(jié)構(gòu)方案的可行性分析和成本對比分析，綜合得出2000 MPa 熱成形鋼應(yīng)用于A 柱的可行性，輕量化效果及經(jīng)濟效益。

2 材料性能

與1500 MPa 熱成形鋼相比，采用2000 MPa 熱成形鋼提高了C 含量，增加V 元素。C 元素是固溶強化元素和奧氏體穩(wěn)定元素，在馬氏體中起到間隙固溶強化的作用，對馬氏體的強化效果遠大于置換固溶強化的合金元素。增加V 元素機理是VC的析出強化和細晶強化，綜合提高了強度和塑性。同時元素V 和C 結(jié)合，降低馬氏體中C 含量，抑制孿晶型馬氏體的出現(xiàn)，提高塑性和韌性；固溶的V 提高淬透性；含V 鋼中所含高結(jié)合能的不可逆的氫陷阱，提高抗氫脆性能[7-8]；相比其它成分體系，含V 熱成形鋼碳當量相對更低，低的含碳量有利于提高材料可焊性。

本研究中1500 MPa、2000 MPa 熱成形鋼基于某鋼廠數(shù)據(jù)，兩種熱成形鋼牌號分別使用1500HS和2000HS 表示。材料成分對比如表1 所示。

表1 1500 MPa、2000 MPa熱成形鋼材料化學成分（質(zhì)量分數(shù)） %

兩種熱成形鋼的性能指標對比如表2 所示。

表2 1500 MPa、2000 MPa熱成形鋼性能指標

本文研究所采用2000 MPa 熱成形鋼實際3 點彎曲最大力值彎曲角如表3 所示，實際高速拉伸試驗結(jié)果如圖1 所示。

表3 三點彎曲最大力值彎曲角

圖1 2000HS-1.4 mm 鋼板材料在不同應(yīng)變率拉伸下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

3 設(shè)計方案

圖2、圖3 分別是1500 MPa、2000 MPa 熱成形鋼的設(shè)計方案。表4 是兩種方案零部件說明及質(zhì)量?；?500 MPa 方案，在A 柱上加強板及A 柱上內(nèi)板應(yīng)用2000 MPa 熱成形技術(shù)，零件厚度不變，取消A 柱上加強板撐板及后撐板。2000 MPa熱成形方案比1500 MPa 方案零件數(shù)量減少2 個，焊點減少19 個，質(zhì)量降低0.734 kg，減重17.4%。

表4 兩種方案零部件說明

圖2 基礎(chǔ)車1500 MPa熱成形方案

圖3 優(yōu)化后2000 MPa熱成形方案

4 成形可行性分析

為研究A 柱上內(nèi)板及A 柱上加強板由1500HS鋼替換為2000HS 鋼成形可行性，用Autoform 軟件進行仿真分析。分析結(jié)果顯示，A 柱上加強板替換為2000HS 材料滿足成形要求，無需進行數(shù)據(jù)優(yōu)化，分析結(jié)果如圖4 所示。A 柱上內(nèi)板替換為2000HS 材料后，局部圓角有開裂風險。對尖點進行球化處理，數(shù)據(jù)優(yōu)化后減薄率滿足要求，優(yōu)化位置及分析結(jié)果如圖5 所示。

圖4 A柱上加強板成形分析結(jié)果

圖5 A柱上內(nèi)板優(yōu)化位置說明及成形分析結(jié)果

5 安全性能分析

基于某車型數(shù)據(jù)及仿真模型，其中國保險汽車安全指數(shù)（C-IASI）小偏置碰撞車輛結(jié)構(gòu)評級目標為G。在原車型C-IASI 小偏置碰撞仿真分析基礎(chǔ)上，將A 柱結(jié)構(gòu)由1500 MPa 熱成形鋼方案替換為2000 MPa 熱成形鋼方案，并將分析結(jié)果進行對比。小偏置碰撞分析工況說明如圖6 所示。

圖6 小偏置碰撞分析工況說明

仿真分析車身變形情況如圖7 所示。分析可知，兩種方案在小偏置碰撞工況下變形模式無顯著差異，均屬于合理變形模式。前防撞梁、前縱梁、前輪罩上邊梁、前圍下門檻位置發(fā)生吸能變形，乘員艙A 柱上位置無變形。

圖7 小偏置碰撞工況變形情況

車身測量點位置位移量如表7 所示，測量點對應(yīng)整車位置如圖8 所示。乘員艙侵入量略有差異，上下儀表板侵入量減小，其余位置略有上升，但均滿足G 目標值要求，滿足優(yōu)秀評級。

表7 小偏置碰撞工況仿真分析結(jié)果 mm

圖8 仿真變形位移測量點示意

性能分析結(jié)果表明，由1500 MPa 方案更改為2000 MPa 的輕量化方案可行。

6 成本對比分析

針對原方案及2000 MPa 方案進行零件成本及工裝費用分析，模具費攤銷按照20 萬輛進行估算費用如表8 所示。

表8 費用估算

目前2000 MPa 熱成形鋼原材料價格仍顯著高于1500 MPa 熱成形鋼，所以造成熱成形零件價格有一定程度上漲。由表8 估算費用可知，由原1500 MPa 熱成形鋼方案切換為2000 MPa 熱成形鋼方案，預(yù)估工裝費用可降低25 萬元，雖然熱成形零件成本增加4.85 元，但總體單車成本可降低7.05元。分析表明，應(yīng)用2000 MPa 熱成形鋼后，在滿足性能需求的條件下，雖熱成形零件成本上漲，但由于零件數(shù)量、焊點以及工裝的減少，最終實現(xiàn)了單車成本及工裝費用降低，具有顯著的經(jīng)濟效益。

7 結(jié)束語

基于某車型A 柱位置已應(yīng)用1500 MPa 熱成形鋼的方案，使用2000 MPa 熱成形鋼進行輕量化設(shè)計，并進行成形、性能及成本分析，可得出以下結(jié)論。

a.在左側(cè)車身A 柱上內(nèi)板、A 柱上加強板上采用2000 MPa 熱成形鋼，并取消內(nèi)部加強結(jié)構(gòu)及焊點，可實現(xiàn)零件數(shù)量減少2 個，焊點減少19 個，質(zhì)量降低0.734 kg，單車降重效果在17.4%；

b.通過工藝分析，采用2000 MPa 熱成形鋼，與1500 MPa 熱成形鋼相比，在成形性上略有下降，但可以通過局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化滿足成形性要求；

c.通過小偏置碰撞仿真分析，在A 柱上應(yīng)用2000 MPa 熱成形鋼，取消內(nèi)部加強件后，乘員艙A柱位置無變形，有效保障了小偏置碰撞工況下乘員的安全，檢測值與原1500 MPa 方案略有差異，但均滿足優(yōu)秀指標；

d.通過成本對比分析，由1500 MPa 熱成形鋼切換為2000 MPa 熱成形鋼，零件成本上升主要來源于原材料成本上漲；但通過減少零件數(shù)量及焊接成本，實現(xiàn)了單車成本和工裝費用的降低，具有顯著的經(jīng)濟效益。