车身结构用材的多少到底能不能代表安全性能？

在很多消费者眼中，汽车安全比动力和舒适性更重要。 我们都知道汽车安全分为主动安全和被动安全。 主动安全技术主要是用来避免事故发生的，所以我们可以通过亲身体验来感受。 被动安全技术用于减少事故中车辆乘员的伤害。 事故发生后往往会反映出来。 因此，我们无法直观地感受到它。 我们只能依靠品牌的宣传或者车辆在国内外碰撞测试中的表现。 做出判断。

由于这种信息不对称，一些自称专业人士的人开始以“钢板厚度影响汽车安全”的说法误导消费者。 然而，随着安全知识的普及，人们开始认识到汽车的结构安全主要取决于车身结构而不是车身覆盖件。 但在钢板厚度的话题平息之前，人们开始使用卷尺、游标卡尺等来测量前后防撞钢梁的长度和钢材的厚度。 他们声称用料的多少决定了安全性能，这引起了很多消费者的关注。 。

那么车身结构用料量能否代表安全性能呢？ 目前高强钢在汽车上的应用水平如何？ 工程师如何确定材料的基本机械性能？ 这次，我们来到专业实验室，邀请了清华大学苏州汽车研究院（相城）轻量化研究所副所长黄毅博士及其团队，共同探讨福特翼虎上硼钢材质的前保险杠。 防撞钢梁和B柱加强件经过严格的材料力学性能测试。

我们常说的汽车被动安全性是指在发生交通事故后，汽车本身减少人身伤害和货物损失的能力。 听起来很容易理解，但实际上，由于汽车碰撞过程是一个复杂的瞬时物理过程，它包含了成百上千个零件的复杂变形和相互作用，具有很强的非线性特性。 因此，汽车被动安全技术涉及很多问题，需要非常复杂的分析才能在碰撞事故中最大限度地保护车辆乘员。

一般来说，汽车的被动安全系统主要包括安全车身结构和乘员保护约束系统（安全带、安全气囊和汽车座椅）。 研究表明，道路交通事故中，大部分碰撞能量被车身吸收。 身体吸收大部分冲击动能后，部分能量需要通过座椅、安全带和安全气囊来化解。 因此，汽车的碰撞安全性更多地取决于车身的吸能结构和主车架的设计。

在大多数消费者看来，车身结构的安全性主要取决于所用材料的性能。 由于很多人没有专业知识，无法量化汽车的安全性能。 他们只能简单地通过主要结构部件的厚度或者所用材料的强度来判断。

通常，汽车结构材料最重要的两个性能是强度和伸长率。 强度主要指抗拉强度，代表材料抵抗外力作用变形的能力。 强度越高，破坏相同横截面的材料所需的力越大。 伸长率代表了材料的“柔韧性”，是我们通常对材料的脆性或韧性的主观感受。 它影响材料的加工性能和结构碰撞安全中的能量吸收。

对于材料来说，拉伸强度和伸长率都应尽可能高。 但往往很难两全其美，材料也是如此。 从汽车常用钢材的强度和伸长率分布图（俗称“香蕉图”）我们可以看到一些规律：材料的拉伸强度和伸长率是权衡的。 关系，如汽车常用的高强度低合金钢（HSLA）和热成型钢。 HSLA可以达到20%以上的伸长率，但抗拉强度一般只能达到600MPa左右； 而热成型钢，抗拉强度可达1500MPa，但延伸率往往小于10%。 但从图中也可以看出，目前一些企业正在研发的第三代先进超高强钢，抗拉强度覆盖1000MPa~2000MPa大范围，延伸率也可接近40 %。 其韧性几乎是目前热成型钢的四倍。 这就是汽车用钢的未来。

汽车常用钢材强度伸长率分布图

由于汽车用钢的强度和韧性无法同时实现，因此除了选择性能合适的钢材外，合理设计整个车身结构，特别是乘员室的结构也很关键。 这确保了汽车乘员在发生碰撞时得到充分保护。 一般我们把整车纵向划分为三个区域：前后两个溃缩区和中间的“安全笼”区。

车身按照功能和功能划分为区域。

溃缩区就是我们常说的能量吸收区。 这部分金属件在碰撞时发生塑性变形，耗散动能，从而减少碰撞载荷对车厢的影响，减少乘员所经历的惯性。 加载。 因此，对于构成前后防撞缓冲区的部件，材料选择必须同时考虑强度和韧性。 更进一步，塌陷区的塌陷行为需要仔细设计。 一般来说，塌陷过程产生的力应尽可能温和。 这种“力时程”在汽车碰撞工程中称为加速度波形。 它是乘员约束系统（安全带、安全气囊、座椅等）运行的关键输入，波形特性需要与约束系统相匹配。 因此，汽车乘员保护是一项复杂的系统工程。

另外，车辆前端的保险杠梁就是我们常说的防撞钢梁。 它负责将前端荷载，特别是集中荷载（与树木、灯柱碰撞等）分配到两侧的纵向吸能组件（吸能箱）上。 因此，该梁需要选择高强度材料，并通过几何设计实现高刚度。 对于这些需要高强度的部件，目前主流的选择是采用热成型钢（硼钢）来制作，比如这次测试的福特翼虎的前防撞钢梁。

所谓“安全笼”，就是乘客舱所在的地方。 它的主要作用是在发生碰撞时为乘员提供足够的生存空间。 因此，该区域的框架必须足够坚固，以抵抗外部载荷，防止其自身倒塌和外部物体的侵入，例如车辆的B柱。 B柱是在车辆发生侧面碰撞时首当其冲的结构。 B柱与乘员之间的距离较小，考虑到乘坐空间的舒适性，B柱缺乏横向支撑。 从几何结构上来说，是一种不稳定状态，因此B柱的刚度和强度要求较高。 ，以便将载荷传递至 B 柱周围的框架结构。

当然，不仅仅是B柱。 有的厂家会在车身的A柱、B柱、C柱、车顶纵梁、门槛梁、前后防撞钢梁等处采用超高强钢，以增加乘员舱。 主车架的强度保证碰撞后车辆乘员的生存空间。 当然，每个品牌的理念是不同的。 欧美汽车相对更积极地使用热弯型钢，即使成本较高。

一般来说，进行特殊材料力学性能测试有两个目的：一是对于零部件厂或整车厂来说，往往需要验证材料性能是否符合本批次的标准，以保证汽车产品的质量； 其次，提取材料的真实应力应变曲线，甚至材料失效的条件，输入到仿真模型中进行仿真计算。 当有限元计算尚未普及时，主机厂需要不断进行碰撞测试，以验证车身结构是否达到了最初的设计目标性能。 但整车碰撞试验成本太高； 随着有限元分析方法在汽车制造业中的广泛应用。 如果能够获得准确的材料模型，就可以用模拟测试来代替许多物理测试，减少昂贵的物理测试的次数。 这对于缩短开发周期、节省开发成本有很大帮助。 。

当然，对于我们来说，主要目的不是验证材料是否达到了设计的目标性能，而是了解福特Escape车身材料（硼钢）的基本力学性能。 因此，参考常规汽车通用材料及冲击试验方案，从前防撞钢梁及B柱加强件的平坦区域选取所需的准静态和动态试验试件，共选取了3个准静态和动态试验试件。 -进行静态和动态应变速率（0.001/s、1/s、100/s）单轴拉伸试验。 同时，还根据经验设定相应的试验条件（如锤头的重量、形式、跌落高度等），进行落锤动态冲击试验。

对于准静态测试，我们使用电子准静态万能试验机。 试件由上下两个液压卡盘夹紧，加载过程中控制卡盘的移动速度。 机器会自动停止，直到试样被拉伸至断裂。 同时用机械引伸计的两个卡盘夹住试样的标距断面，记录试样拉伸过程中标距断面的相对变化，从而得到应变。

对于准静态试验，由于拉伸速度较低，我们经常使用机械引伸计来夹紧试样并测量相对变形。 然而，对于高速测试，由于机械引伸计可能会损坏，因此需要采用图像分析方法来分析变形情况。 即利用高速相机捕捉喷洒在试件上的散斑，利用数字相关图像处理获得散斑在拉伸过程中的变形情况。 图像分析方法的优点之一是可以获得材料变形过程中关键部位的应变场，便于与有限元分析中的计算结果进行比较。 这对于涉及材料失效的模拟预测尤其重要。

当然，对于高速测试，高速冲击会导致载荷传感器本身产生较大振荡，干扰输出信号，影响后续的有限元分析。 因此，我们需要在试件上贴上应变片，相当于在试件上自制了一个载荷传感器。 通过测量弹性变化区域的应变，我们可以推断出拉伸过程中试样所受的载荷。 该方法原理简单，但在实施过程中需要考虑很多细节，如材料本身的力学性能、试件的几何尺寸、试验的加载条件等。 需要结合理论分析、有限元模拟计算和长期的测试经验积累才能获得针对不同材料的最佳测试参数。

在进行落锤动态冲击试验时，我们通常采用动态三点弯曲试验方法，即让锤头落入试件的中心进行冲击。 在此过程中，测量锤头的加速度以获得冲击时锤头所​​受的载荷，同时记录锤头的位移。 如果测试结果需要与模拟结果进行比较，我们还会判断材料裂纹的位置、裂纹的大小、皱纹的形状是否与计算机中的相同。 这是一个非常复杂的模拟计算。

一般来说，任何车型只要符合一定的碰撞安全法规，满足一定的碰撞标准要求，就可以说是合格的产品。 有许多不同的方法可以实现这一目标。 如果想降低制造成本，可以使用强度较低的材料，并依靠厚度和结构设计来保证安全。 不过这样会使得车辆质量更大，所以动力会比较差，同时也会影响燃油经济性。 另一种是采用高强度材料。 虽然成本较高，但整体结构可以做得更薄、更轻，在不影响安全性能的情况下减轻车辆的重量。 一般来说，当车身材料的抗拉强度达到500MPa以上时，我们称为高强钢，当抗拉强度达到700MPa以上时，称为超高强钢。

由于样品是直接从成形件上切割下来的，每个样品的切割位置都不同，因此成形工艺可能会对材料的性能产生一定的影响。 但从材料拉伸试验的结果来看，至少对于单轴拉伸工况，材料性能的一致性是可以接受的。 将本次试验的结果与其他材料（选择DP钢）进行比较可以看出，本次试验所测试的硼钢的强度远高于常用牌号DP钢的最高等级。

不同材料应力应变曲线对比

对于保险杠梁，屈服强度在1200MPa以上，抗拉强度在1500MPa水平。 B柱的屈服强度和拉伸强度与保险杠相似。 在动态测试中，几乎所有试件断裂时的工程应变都达到了10%以上，表明材料具有可接受的韧性，并不是特别“脆”。 但在车辆设计中，此类材料仍需要与其他韧性更强的材料相结合，以保证碰撞时结构的完整性，提高能量吸收效果。

防撞钢梁落锤试验，锤头质量为85kg，初速度为8.85m/s，相当于输入能量为3328.7 J。B柱落锤试验，锤头质量为85kg，初速度为8.77m/s，相当于输入能量为3268.8J。下面是滤波前后的数据对比。

保险杠梁落重滤波前后结果对比

滤波前后B柱落重结果对比

测试后，两个部件都没有完全弯曲，样品上也没有发现明显的裂纹。 也就是说，在这种能量的冲击下，两个部件都没有完全失去承载能力，这说明防撞钢梁和B柱能够承受很大的载荷，吸收大量的能量。 可以说，结果还是相当不错的。

另外，在一些细节设计方面，对于前保险杠两端的吸能盒，由于需要去除保险杠传递过来的载荷，所以对钢材的韧性要求比较高。 由于这个折叠部分是冲压成管子的，我们可以看到上面压出了许多设计好的凹痕，以引导折叠过程中的折叠过程，提高破碎过程的能量吸收效率，降低破碎的风险。 初始峰值力。 这种设计不仅成本较高，而且对材料的加工性能也有很高的要求。 同时，吸能箱的厚度、长度和形状截面设计必须与车型和车辆重量相匹配，并进行优化设计。 甚至必须根据约束系统（安全带、安全气囊、座椅）进行优化和匹配。 可以说非常复杂。

特别值得一提的是，福特翼虎的B柱加强件是整件热成型件，但不同位置的厚度有明显差异。 试件最厚处厚度为2.08mm，最薄处仅为1.25mm。 对比试件的切割位置可以发现，B柱沿其长轴方向中间较厚，两侧较薄，且总体上是上部比下部厚。 这表明B柱是由一块不同厚度的热成型钢块冲压而成。 该工艺相对复杂，需要对制造过程进行精确控制，对冷却方案设计也有较高要求。

之所以采用如此复杂的工艺来生产B柱，主要原因是B柱在车辆碰撞（尤其是侧面碰撞）中起着非常重要的作用。 虽然理论上来说，B柱越强越好，但是当涉及到B柱的不同位置时，实际的性能要求还是不同的。 当发生侧面碰撞时，B柱下部将与撞击车辆的保险杠结构接触。 该部分与乘员有一定的距离，可以适当减弱刚度以增加能量吸收，有利于整体安全。 中间部分在进一步挤压时受到较大的弯矩，因此需要专门加固，防止屈曲后过度侵入，可能对乘员造成伤害。 为了实现这样的性能差异，目前主流的解决方案有两种：一是采用一虎等变厚度轧制板，二是采用激光拼焊将下部较弱的板材与上部连接起来。 。 然后冲压出更坚固的金属板连接件。 与这两种方案相比，我个人认为前一种方案在性能方面优势稍大，因为它可以实现连续的厚度变化，增加元件的可设计性。 此外，板材不需要焊接，这也避免了硼钢等超高强度钢焊接质量的潜在问题。

总结

通过以上测试，不仅充分证明了福特翼虎的车身材料（硼钢）的基本力学性能确实具有较高的水平，让汽车的被动安全性能得到了充分的保证。 同时我们也希望大家能够理解，要判断一辆汽车的安全性，不能通过简单的测量来得出结论。 研发团队的每一次努力都必须得到严谨的对待。