側(cè)翻安全性的校車側(cè)圍結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)

孫貴斌, 韓勇, 藍(lán)平輝, 謝金萍, 紀(jì)碧端

(1. 廈門理工學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院， 福建 廈門 361024;2. 廈門金龍旅行車有限公司 技術(shù)中心， 福建 廈門 361006)

側(cè)翻安全性的校車側(cè)圍結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)

孫貴斌1, 韓勇1, 藍(lán)平輝1, 謝金萍1, 紀(jì)碧端2

(1. 廈門理工學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院， 福建 廈門 361024;2. 廈門金龍旅行車有限公司 技術(shù)中心， 福建 廈門 361006)

根據(jù)《客車上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的規(guī)定》對(duì)校車車身結(jié)構(gòu)側(cè)翻安全性的規(guī)定，建立和驗(yàn)證某校車有限元分析模型.采用均勻設(shè)計(jì)方法對(duì)校車的側(cè)圍結(jié)構(gòu)厚度參數(shù)進(jìn)行多水平多因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和側(cè)翻仿真分析,并擬合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)獲得輕量化水平較優(yōu)的因素水平組合.結(jié)果表明：在側(cè)圍結(jié)構(gòu)滿足法規(guī)對(duì)生存空間要求的前提下，選擇因素水平組合U2465并參考實(shí)際型鋼的厚度規(guī)格(1(1.0，1.0)，2(2.0，1.5)，3(3.0，2.0)，4(2.5，2.0))，可使側(cè)身結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕量化24.39%.

校車； 側(cè)翻； 輕量化； 均勻設(shè)計(jì)； 側(cè)圍結(jié)構(gòu).

校車是城市、農(nóng)村承載學(xué)校與家庭之間兒童上下學(xué)的交通工具.在國(guó)內(nèi)，2008年專用校車的保有量?jī)H為56輛，2009年增加到702輛，2011年則快速增加到6 315輛,需求量巨大[1].然而，生產(chǎn)出來的校車為了保證足夠的安全性，卻忽略了車身結(jié)構(gòu)的輕量化，導(dǎo)致車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，過于臃腫笨重，增加了燃料損耗.這樣即使能滿足安全法規(guī)的要求，卻較難適應(yīng)當(dāng)今汽車發(fā)展中節(jié)能、環(huán)保的主題目標(biāo).因此，校車的安全性及輕量化設(shè)計(jì)是校車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的兩個(gè)重要目標(biāo).Su等[2]采用響應(yīng)面法和代理模型，對(duì)客車的強(qiáng)度和側(cè)翻安全性進(jìn)行了梁厚度的多目標(biāo)優(yōu)化.Liang等[3]采用改變梁的厚度方法，優(yōu)化車身各結(jié)構(gòu)的吸能特性以改善客車的側(cè)翻安全性.Negrut等[4]利用靈敏度分析方法確定優(yōu)化設(shè)計(jì)變量，并對(duì)客車骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì).校車法規(guī)《專用校車安全技術(shù)條件》(簡(jiǎn)稱《條件》)和《校車座椅系統(tǒng)及其車輛固定件的強(qiáng)度》的相繼出臺(tái)，對(duì)設(shè)計(jì)安全又節(jié)能的校車非常具有挑戰(zhàn)性[5-6].本文采用有限元軟件，根據(jù)某校車原始設(shè)計(jì)方案中的幾何尺寸建立校車有限元模型，對(duì)滿足側(cè)翻安全性的校車車身側(cè)圍進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì).

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 校車模型的建立和驗(yàn)證

文中模型的建立是基于前期車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，滿足側(cè)翻安全性的校車整車有限元模型[7].模型運(yùn)用Hypermesh網(wǎng)格軟件，模塊采用網(wǎng)格大小為10 mm、雅克比(Jacobian)為0.5等網(wǎng)格劃分標(biāo)準(zhǔn)劃分校車模型.完成后的校車整車有限元模型主要由四邊形和少量的三角形單元構(gòu)成，單元數(shù)為656 753，節(jié)點(diǎn)數(shù)為696 421.整車有限元模型中包括根據(jù)ECE R66法規(guī)建立的生存空間[8]，如圖1(a)所示.此外，校車整車結(jié)構(gòu)采用的材料是普通碳素結(jié)鋼Q235和Q345.

完成整車材料屬性后，依據(jù)《客車上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的規(guī)定》(簡(jiǎn)稱《規(guī)定》)要求[9]，建立校車側(cè)翻試驗(yàn)工況.考慮計(jì)算效率，校車的側(cè)翻仿真從觸地時(shí)刻開始計(jì)算[10].在整個(gè)側(cè)翻過程中,通過能量守恒定律計(jì)算得知，臨界狀態(tài)時(shí)刻的動(dòng)能加重力勢(shì)能之和與接觸地面時(shí)刻的動(dòng)能加重力勢(shì)能之和相等，即

整理得

式(1)～(3)中：ED1為臨界位置動(dòng)能(J)；ES1為臨界位置重力勢(shì)能(J)；ED2為將觸地面動(dòng)能(J)；ES2為將觸地面重力勢(shì)能(J)；h1為臨界位置整車重心距離碰撞地面高度(mm)；h2為臨界位置整車重心距離碰撞地面高度(mm)；g為重力加速度9.8 m·s-2；J為整車的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kg·m-2).

臨界時(shí)刻，給模型設(shè)置任意角速度為1 rad·s-1，將模型導(dǎo)入LS-DYNA中，計(jì)算得到初始動(dòng)能值，表達(dá)式為

整理得J值，即

將式(3)與式(5)聯(lián)立,得到接觸地面時(shí)的角速度,即

將ω=1，臨界ω1=0代入式(6)，LS-DYNA計(jì)算出初始的動(dòng)能值ED，得出觸地角速度ω2=2.31 rad·s-1，如圖1(b)所示.

(a) 有限元模型 (b) 側(cè)翻仿真試驗(yàn)

仿真結(jié)束后，通過后處理Hypermesh軟件,輸出側(cè)翻過程中能量、外力功的變化情況，如圖2所示.圖2中：E為能量.

(a) 側(cè)翻各能量 (b) 側(cè)翻總能量與外力功

由圖2(a)可知：初始時(shí)刻動(dòng)能出現(xiàn)最大值為44.30 MJ·s-1，此后動(dòng)能開始減小，因車身結(jié)構(gòu)變形，整車內(nèi)能不斷增加；當(dāng)t=0.10 s時(shí)，沙漏能出現(xiàn)最大0.40 MJ·s-1，此時(shí)總能量為51.80 MJ·s-1(沙漏能占總能量0.77%，遠(yuǎn)小于5%的失真標(biāo)準(zhǔn)[11]);整個(gè)過程動(dòng)能的減小與內(nèi)能的增加趨勢(shì)基本是一致的.對(duì)側(cè)翻整個(gè)過程分析實(shí)質(zhì)是研究能量轉(zhuǎn)換的過程分析，在能量圖中總能量的增加是額外功引起的.由圖2(b)可知：總能量與外力功的變化趨勢(shì)基本吻合.綜上所述，仿真求解過程能量守恒，所建立的有限元模型結(jié)果穩(wěn)定、準(zhǔn)確、有效,是可以接受的.

此外，觀察整個(gè)側(cè)翻仿真動(dòng)態(tài)過程,并未發(fā)現(xiàn)車身任何部位的位移量侵入生存空間，生存空間內(nèi)的任何部分也不曾突出到變形的車身結(jié)構(gòu)外，符合《規(guī)定》[9]中側(cè)翻結(jié)果評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn).

校車實(shí)車身長(zhǎng)5 543 mm,寬2 103 mm,高2 831 mm，主要由頂蓋、地板、側(cè)圍和底架構(gòu)成.試驗(yàn)采用規(guī)格大小為CBC-45的側(cè)翻臺(tái)進(jìn)行實(shí)車側(cè)翻試驗(yàn).開始后,側(cè)翻臺(tái)繞側(cè)邊旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，在試驗(yàn)前鎖死校車4個(gè)車輪,防止校車沿側(cè)翻臺(tái)前后運(yùn)動(dòng).校車側(cè)翻實(shí)車試驗(yàn),如圖3所示.當(dāng)側(cè)翻臺(tái)轉(zhuǎn)到臨界側(cè)翻位置時(shí)(圖3(a))，校車開始脫離翻轉(zhuǎn)臺(tái),在自身重力作用下撞擊地面;接觸地面后,校車車身結(jié)構(gòu)變形劇烈，而后車架反彈變形減小直至最后穩(wěn)定，試驗(yàn)結(jié)束.在整個(gè)實(shí)車側(cè)翻過程中，校車車身結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定，經(jīng)歷了臨界側(cè)翻、空中側(cè)翻、觸地側(cè)翻及側(cè)翻結(jié)束等幾個(gè)階段，但未發(fā)現(xiàn)車身任何結(jié)構(gòu)件對(duì)生存空間侵入，生存空間內(nèi)的任何部分也不曾突出到變形的車身結(jié)構(gòu)外,如圖3(b)所示.

(a) 側(cè)翻試驗(yàn) (b) 側(cè)翻結(jié)果

通過上述實(shí)車與仿真對(duì)比可知：仿真結(jié)果與實(shí)車結(jié)果基本吻合.所建立的校車有限元模型能較好地反映校車車身在側(cè)翻過程中的變形情況，在側(cè)翻的整個(gè)過程中，生存空間并未被變形的車身結(jié)構(gòu)侵入.因此，不僅驗(yàn)證了模型的有效可用性，同時(shí)，模型也是符合《規(guī)定》法規(guī)要求的校車模型.

1.2 均勻設(shè)計(jì)方法

均勻設(shè)計(jì)方法又稱均勻設(shè)計(jì)試驗(yàn)法,是由我國(guó)著名數(shù)學(xué)家方開泰教授和王元開發(fā)的一種考慮試驗(yàn)點(diǎn)在試驗(yàn)范圍內(nèi)均勻散布的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法[12].因其具體試驗(yàn)次數(shù)少、每列不同數(shù)據(jù)只出現(xiàn)一次且均勻分散在各個(gè)試驗(yàn)格點(diǎn)上的特點(diǎn)，且能較好地反映試驗(yàn)數(shù)據(jù)變化影響的可信度，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、化學(xué)、農(nóng)學(xué)等工程應(yīng)用領(lǐng)域，并取得了大量實(shí)踐研究成果.

圖4 各因素示意圖

采用均勻設(shè)計(jì)方法，對(duì)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，發(fā)現(xiàn)車身左右(除車門對(duì)側(cè)外)側(cè)圍結(jié)構(gòu)基本一致.將對(duì)稱的左右側(cè)圍分成4個(gè)因素情況(1,2,3,4),作為試驗(yàn)變量進(jìn)行均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì),如圖4所示.每個(gè)因素X均由立柱A及橫梁B組成(因素A與B均指對(duì)應(yīng)矩形管的壁厚).

各因素具體參數(shù)為：校車車門對(duì)側(cè)立柱A1厚度A1;門立柱之間的橫梁B1厚度B1;立柱A2的厚度A2;立柱A2與立柱A3之間的橫梁B2厚度B2;立柱A3的厚度A3;立柱A3與立柱A4之間的橫梁B3厚度B3;立柱A4與立柱A5的厚度A4;立柱A4與立柱A5之間的橫梁B4厚度B4.因素Xi(i=1,2,3,4)對(duì)校車的側(cè)翻安全性能及側(cè)圍結(jié)構(gòu)的質(zhì)量有很大的影響，考慮實(shí)際鋼材厚度情況，確定因素Xi(i=1,2,3,4)的厚度范圍:Ai為0.5～3.0 mm；Bi為0.5～2.0 mm(即均勻設(shè)計(jì)中的水平取值范圍).

文中所定義側(cè)翻碰撞地面中的車身結(jié)構(gòu)與生存空間之間的剩余量L，如圖5所示.取側(cè)翻過程中L的最小值[13],同時(shí)，設(shè)L1為門框立柱A1的剩余空間量，L2為立柱A2的剩余空間量，L3為立柱A3的剩余空間量，L4為立柱A4的剩余空間量，L5為立柱A5的剩余空間量.當(dāng)Li(i=1,2…5)為負(fù)值時(shí)，表示生存空間被侵入;當(dāng)Li(i=1,2…5)為正值時(shí)，表示生存空間未被侵入.

圖5 剩余空間量

經(jīng)過優(yōu)化變量的選取，得到了均勻設(shè)計(jì)中的各因素水平.試驗(yàn)設(shè)計(jì)的目標(biāo)是在滿足側(cè)翻法規(guī)安全性的前提下，車身側(cè)圍結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量最小，具體數(shù)學(xué)模型為

其中,

式(7)中:F(y)為目標(biāo)函數(shù);n為全部?jī)?yōu)化結(jié)構(gòu)個(gè)數(shù);Mj為第j優(yōu)化結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量.

mm

根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)表中各因素水平數(shù)值，調(diào)整模型參數(shù).建立側(cè)翻仿真工況條件，完成仿真試驗(yàn).

2 結(jié)果與分析

經(jīng)過6組仿真試驗(yàn)后，對(duì)各組試驗(yàn)中各因素的質(zhì)量進(jìn)行輕量化目標(biāo)分析.各試驗(yàn)組因素質(zhì)量結(jié)果表，如表2所示.各試驗(yàn)中,側(cè)圍輕量化的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w),如圖6所示.

由表2可知：不同試驗(yàn)因素水平值的輕量化結(jié)果不一樣，即使在同一組試驗(yàn)中，由于均勻數(shù)據(jù)分配原因?qū)е赂饕蛩厮街档妮p量化結(jié)果也不一樣.

由圖6對(duì)比可知：每組試驗(yàn)均具有較高程度的輕量化結(jié)果，可以作為輕量化目標(biāo)結(jié)果.但是在保證車身側(cè)圍輕量化的同時(shí)，更需要保證車身側(cè)圍與生存空間具有足夠的安全空間，防止其在側(cè)翻過程中侵入生存空間，威脅到乘員的生命安全.分別測(cè)量各車身立柱與生存空間的剩余空間量Li(i=1,2…5)值，判斷是否符合法規(guī)要求，并具有足夠大的空間剩余量保證乘員區(qū)安全.各立柱對(duì)應(yīng)測(cè)量點(diǎn)的剩余空間數(shù)值表，如表3所示.

表2 各因素水平表

表3 各立柱剩余空間數(shù)值表

由表4可知：立柱A2～A5的剩余生存空間均有較大的剩余值，且后部的剩余空間大于前部的剩余空間，前部結(jié)構(gòu)變形比較嚴(yán)重，剩余空間較小.但是，6組試驗(yàn)均未發(fā)生生存空間的入侵情況，均滿足《規(guī)定》法規(guī)及數(shù)學(xué)模型中的Li≥0前提目標(biāo)要求.同時(shí)，對(duì)比各個(gè)試驗(yàn)的立柱剩余空間量平均值：82.37，99.27，95.84，97.57，81.15，91.86.在試驗(yàn)2輕量化參數(shù)設(shè)置下，車身側(cè)圍結(jié)構(gòu)可以獲得滿足法規(guī)生存空間的要求，且具有最大的平均剩余空間量，更好地保證乘員區(qū)免受被車身側(cè)圍侵入生存空間造成乘員傷害的風(fēng)險(xiǎn)，具有較好的側(cè)翻安全性能.

綜上所述，車身側(cè)圍結(jié)構(gòu)基于均勻設(shè)計(jì)方法的理論結(jié)果,采用U2465(試驗(yàn)2)因素水平值進(jìn)行生產(chǎn)加工,不僅可以較好地滿足校車側(cè)翻安全性要求，還可以較大程度地減少材料用量、減低生產(chǎn)成本.考慮到因素組成中的B因子的厚度分配與實(shí)際鋼材生產(chǎn)厚度規(guī)格(以0.5mm為一生產(chǎn)單位)不相稱.故對(duì)B1，B2，B4三個(gè)因子考慮安全性,進(jìn)行理論數(shù)值的實(shí)際擬合修正試驗(yàn)1(1.0，1.0)，2(2.0，1.5)，3(3.0，2.0)，4(2.5，2.0)，然后建立側(cè)翻試驗(yàn)工況條件進(jìn)行模擬仿真.輸出結(jié)果經(jīng)測(cè)量,立柱1～5的生存空間剩余量分別為30.61，52.02，117.04，137.24，160.79，車身側(cè)圍結(jié)構(gòu)質(zhì)量為148.80kg.車身變形均滿足法規(guī)目標(biāo)要求未侵入生存空間，同時(shí)，側(cè)圍結(jié)構(gòu)與原車模型質(zhì)量輕了24.39%，達(dá)到了較大程度輕量化的目標(biāo)要求.

3 結(jié)論

通過對(duì)某校車的車身側(cè)圍結(jié)構(gòu)輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，可以得到以下4個(gè)結(jié)論.

1) 通過對(duì)比實(shí)車側(cè)翻試驗(yàn)結(jié)果與有限元分析結(jié)構(gòu)驗(yàn)證了校車有限元模型是有效的.

2) 對(duì)側(cè)圍結(jié)構(gòu)采用了均勻設(shè)計(jì)方案進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)后，找出了最佳的因素組合,即U2465的因素厚度組合(Ai,Bi)=(1.0,0.8)，(2.0, 1.4)，(3.0,2.0)，(2.5,1.7).

3) 結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)材料標(biāo)準(zhǔn),對(duì)均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)最佳方案進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)可行性數(shù)據(jù)擬合，即對(duì)U2465試驗(yàn)數(shù)據(jù)修正，結(jié)果(Ai,Bi)=(1.0，1.0)，(2.0，1.5)，(3.0，2.0)，(2.5，2.0)不僅達(dá)到法規(guī)安全目標(biāo)，也較大程度的在原模型側(cè)圍輕量化了24.39%.

4) 該結(jié)論對(duì)校車的實(shí)車后續(xù)生產(chǎn)和研究具有較大的實(shí)踐指導(dǎo)性意義，從而節(jié)約材料，降低能耗，降低成本.

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(責(zé)任編輯： 黃曉楠 英文審校： 楊建紅)

Lightweight Design of School Bus Side Structure for Rollover Safety

SUN Guibing1, HAN Yong1, LAN Pinghui1, XIE Jingping1, JI Biduan2

(1. School of Mechanical and Automotive Engineering, Xiamen University of Technology, Xiamen 361024， China; 2. Technology Center, Xiamen Golden Dragon Van Limited Company, Xiamen 361006, China)

According to the requirement of the rollover safety for school bus in theprovisionsofstrengthforthebussuperstructure. A school bus finite element model was developed and validated. The uniform design experiment method was adopted for optimizing thickness parameter of the lateral confining structure using multi-level and multi-factor experiment design and rollover simulations. The optimum levels of the factors for light weighting was obtained by fitting the experimental data. The optimization result shows that under the premise of the lateral confining structure meeting the regulatory requirements on the living space, the weight of body structure was decreased by 24.39% by choosingU2465factor level combination group and referring to the actual type of steel thickness specifications (namely: 1(1.0, 1.0), 2(2.0, 1.5), 3(3.0, 2.0), 4(2.5, 2.0) unit: mm).

school bus; rollover; lightweight; uniform design; lateral confining structure

1000-5013(2015)06-0620-06

10.11830/ISSN.1000-5013.2015.06.0620

2015-02-01

韓勇(1984-)，男，副教授，博士，主要從事汽車碰撞安全、人體損傷生物力學(xué)和兒童乘員安全的研究.E-mail:yonghan@xmut.edu.cn.

國(guó)家自然科學(xué)青年基金資助項(xiàng)目(31300784); 福建省高校杰出青年科研人才培育計(jì)劃及客車制造工藝精品課改項(xiàng)目(0000900167); 福建省廈門市科技計(jì)劃項(xiàng)目(3502Z20153023)

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