客車側(cè)翻的結(jié)構(gòu)安全性仿真研究與設(shè)計改進

莊雋濤

（合肥工業(yè)大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院，安徽 合肥230009）

據(jù)歷年來的道路交通事故統(tǒng)計數(shù)據(jù)，客車的碰撞、側(cè)翻和墜落往往是造成重大交通事故的主要形式［1，7］。研究客車的被動安全意義重大，而這其中提高客車上部結(jié)構(gòu)的抗彎剛度和抗變形能力為研究的重點，其在碰撞發(fā)生后能為乘員保留足夠的生存空間，對增加乘員生還的機會大有幫助。客車側(cè)翻試驗是檢驗新車型側(cè)翻結(jié)構(gòu)安全性的主要手段，能夠直觀的判斷上部結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理程度。但是側(cè)翻試驗耗費的人力物力財力較大，且具有不可重復(fù)的特點。而計算機仿真很好的彌補了這個缺點，在產(chǎn)品設(shè)計初期就對結(jié)構(gòu)的設(shè)計提出改進意見，可以大大縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期和研發(fā)費用。本文對客車側(cè)翻結(jié)構(gòu)安全進行了仿真研究，并從車身結(jié)構(gòu)變形、碰撞力方面進行了分析，針對出現(xiàn)的問題進行了多種結(jié)構(gòu)改進，并對改進結(jié)構(gòu)進行了一定的探討。

1 有限元分析

1.1 客車模型建模

客車車身外部尺寸為9500 mm×2500 mm×3000mm。在側(cè)翻過程中，一些附件和結(jié)構(gòu)對承受沖擊載荷、吸能所起的作用并不明顯，為減少計算規(guī)模，在建立模型時需進行必要的簡化［4］：車身蒙皮，車窗玻璃以均布質(zhì)量的形式附加在邊框附近；由于客車未采用乘員約束系統(tǒng)，故在加載座椅質(zhì)量外僅在駕駛員處增加65kg人員配重；發(fā)動機，油箱、電瓶，空調(diào)，操作臺質(zhì)量點創(chuàng)建在相應(yīng)結(jié)構(gòu)的質(zhì)心處并用rbe3單元與安裝點連接；前橋、后橋等對整車轉(zhuǎn)動慣量影響較大的部件，用beam單元創(chuàng)建，并賦予轉(zhuǎn)動慣量；車輪和車橋在側(cè)翻過程中對車身上部結(jié)構(gòu)強度的貢獻量有限，為節(jié)省運算時間采用MAT20材料定義，上部結(jié)構(gòu)采用多線段彈塑性材料MAT24來定義，除底盤材料采用Q345外其余材料均為20#。材料屬性如表1所示。

表1 材料參數(shù)

客車整車劃分完網(wǎng)格后，共有483656個節(jié)點和483796個單元?？蛙噦?cè)翻示意圖［5］，如圖1所示。

1.2 生存空間的定義［5，8，10］

圖2梯形框內(nèi)部即為生存空間截面。R點為定義生存空間的基準(zhǔn)點，該點位于座椅椅背上，具體定位參數(shù)如圖2所示。在客車縱向的乘客區(qū)內(nèi)，將該橫截面沿著各排座椅R點的連線掃略過的空間就是生存空間。R點的連線是從最前排座椅的R點依次掃略過各排座椅的R點直到最后一排座椅的R點為止。

1.3 相關(guān)控制參數(shù)

1）側(cè)翻過程仿真中，為防止不同部件因變形而發(fā)生互相穿透或在大變形時自身發(fā)生穿透，需要對可能接觸的表面進行接觸定義，本文用自動單面接觸實現(xiàn)。側(cè)翻側(cè)車身側(cè)圍與地面的接觸通過剛性墻接觸來模擬，并設(shè)定剛性墻上的摩擦系數(shù)為0.4［9］。

2） 時間步長根據(jù)網(wǎng)格大小定為 1.5×10－6；計算時間根據(jù)經(jīng)驗取0.3s，此時側(cè)翻形變過程已結(jié)束；為節(jié)省計算時間，采取質(zhì)量縮放，其系數(shù)為0.9。

3）完整的大客車臺架側(cè)翻試驗是一耗時較長的過程，客車隨側(cè)翻平臺以不超過 5（°）·s－1的速度旋轉(zhuǎn)，直到客車失穩(wěn)翻倒在平臺下方的地面上。若模擬整個過程，需要相當(dāng)長的運算時間。而撞擊開始時刻后的那一部分是關(guān)注的重點，通過能量轉(zhuǎn)換或者在計算中設(shè)定剛?cè)徂D(zhuǎn)換都可以大大提高計算效 率［6，9］， 本 文 選 用 了 能量 轉(zhuǎn) 換 的 方 法 。 通 過HyperMesh前處理器可以很方便地計算出客車重心從臨界位置到剛接觸地面時其重心高度變化Δh為0.7m，勢能變化量為mgΔh?？蛙囋趧偨佑|地面之前，都是繞著旋轉(zhuǎn)平臺的轉(zhuǎn)軸作轉(zhuǎn)動，總動能為

式中：Ek為總動能；J為轉(zhuǎn)動慣量；ω1為臨界翻時刻角速度；ω2為觸地時刻角速度；Δh為臨界位置到剛接觸地面時重心高度變化。

根據(jù)能量守恒原理，勢能的變化量與動能的變化量相等。LS－DYNA程序在正式計算之前都有一個能量統(tǒng)計的過程，先確定任一角速度ω0，由動能求出客車的轉(zhuǎn)動慣量，把該轉(zhuǎn)動慣量回帶入側(cè)翻數(shù)學(xué)模型中，根據(jù)能量守恒可以確定客車在剛接觸地面時的角速度為 ω 為 2.2rad·s－1。

2 結(jié)果查看

2.1 碰撞模型正確性分析

側(cè)翻過程實質(zhì)上研究的是能量轉(zhuǎn)換的過程，能量的變化清楚表現(xiàn)在車體的碰撞過程當(dāng)中。碰撞開始階段，動能迅速下降，車體動能轉(zhuǎn)化為地面和車體由于摩擦而產(chǎn)生的熱能及車體塑性變形能。由于碰撞過程中車體在地面上位移較小，所以在整個分析過程中，由地面摩擦力所產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)化很小可忽略不計。因此，客車側(cè)翻過程中的能量變化主要為車體動能轉(zhuǎn)化為車體變形能。

檢驗仿真精度的重要指標(biāo)是能量守恒，要求沙漏能不能超過總能量的5%，質(zhì)量增量不得大于5%。

由能量統(tǒng)計結(jié)果知最大沙漏能僅占總能量的0.52%，最大質(zhì)量增量為0.34%?？偰芰康脑黾邮穷~外功引起的，總能量與外力功的變化趨勢基本吻合，如圖3a中點畫線為二者差值，基本保持不變。圖3b中能量比率維持在之間，表示求解過程中能量守恒未發(fā)生突變。綜上所述本次仿真所建有限元模型其結(jié)果是穩(wěn)定、準(zhǔn)確、有效的［4］。

2.2 碰撞過程分析

由圖4a能量變化曲線可知從0.002 s客車觸地動能迅速下降，內(nèi)能急劇升高，在0.14s，內(nèi)能升至最大值78kJ，此時即車身變形最大的時刻，隨后車身變形開始恢復(fù)，在0.24s前后車身開始彈離地面，由碰撞力可知第一個峰值為頂蓋沖擊地面所致，隨后的一片區(qū)域為車架掉落過程逐漸施加給地面的力，0.24 s車身脫離地面，整個撞擊過程從0.002 s到 0.24 s，持續(xù) 238 ms，這段時間內(nèi)的平均沖擊力為 184.8kN［4］。

2.3 乘員生存空間評價

根據(jù)ECE66法規(guī)要求，檢查客車側(cè)翻安全性能的一項主要指標(biāo)就是查看生存空間是否遭到入侵。法規(guī)要求側(cè)翻后車身任何部分的位移都不得侵入到生存空間，生存空間內(nèi)的任何部分都不能突出至變形的車身結(jié)構(gòu)外［6，11］。為方便觀察生存空間的侵入情況，截取一段完整的客車截面，并等效出這個截面內(nèi)的剩余空間，以查看變形后是否有車身其它部件結(jié)構(gòu)伸入到生存空間中?？蛙噦?cè)翻前后生存空間對比示意圖見圖5，可以看出：車身側(cè)圍已入侵安全區(qū)域，乘員安全受到威脅，該結(jié)構(gòu)不合格。

3 車身結(jié)構(gòu)的改進研究

比對各家客車公司的改進方案，找到可能的突破點，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)、成本水平，提出概念方案。

基于表2提出的方案對車身上部結(jié)構(gòu)進行了一定的改進。改進主要按5個步驟進行:1）分別增加窗立柱和頂弧桿厚度，再同時增加窗立柱和頂弧桿厚度，以檢驗窗立柱和頂弧桿對側(cè)翻安全性的影響。2）窗立柱分別采用不同截面形狀，檢查不同截面形狀抵抗彎曲能力。3）側(cè)立柱采貫通至頂縱梁，并嘗試采用不用截面，利用閉環(huán)加強橫向剛度。4）在側(cè)立柱兩端焊接處加加強板，彌補焊接造成的應(yīng)力集中。5）采用高強度鋼，以輕量化車身，降低側(cè)翻碰撞能量。

?

經(jīng)計算知，側(cè)立柱剛度、頂弧桿剛度對側(cè)翻安全性影響較大，通過在接頭處內(nèi)嵌加強鋼管能明顯提高焊接連接處強度；底盤和地板結(jié)構(gòu)相對來說對側(cè)翻安全性影響較小。日字型截面在側(cè)翻試驗中具有較好的抗變形能力。改進前后的客車中段骨架最大變形如圖6所示。由圖6可知在改進之前側(cè)立柱對生存空間的入侵已經(jīng)得到明顯改善，乘員安全得到了有效保障，由圖可知該車身結(jié)構(gòu)是安全的。符合ECE R66法規(guī)中的相關(guān)規(guī)定。

由圖7改進前后內(nèi)能的變化情況可以看出，改進前后內(nèi)能的變化趨勢基本一致，改進后內(nèi)能的最大值為75112 J，較之前的78245 J有所減小，說明新結(jié)構(gòu)有更好的緩沖吸能效果［5］，同時最大內(nèi)能出現(xiàn)的時間提早，這是結(jié)構(gòu)改進后質(zhì)心下降導(dǎo)致的。

4 結(jié)論

1）基于安全性要求，在設(shè)計客車結(jié)構(gòu)時應(yīng)重點關(guān)注側(cè)圍立柱與頂蓋，側(cè)圍立柱與腰梁之間的連接，尤其是第一窗立柱因為第一窗立柱亦為門框，側(cè)向強度較弱，應(yīng)予以加強。

2）如果全面考慮客車車身附件以及其它一些小部件或部件總成對吸能的貢獻，將導(dǎo)致計算規(guī)模過大，效率低下。因此從車身骨架人手分析客車在側(cè)翻時的安全性能較好的權(quán)衡其計算規(guī)模、計算精度和計算時間，實際仿真也證明這是可行的。

3）利用計算機仿真研究客車的側(cè)翻過程，能在設(shè)計初期及時修正問題，優(yōu)化結(jié)構(gòu)。減少實車試驗次數(shù)，對節(jié)約經(jīng)費，縮短研發(fā)周期都有一定幫助。

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