某校車頂部抗壓試驗及仿真分析

藍平輝，韓　勇，彭　倩，王　方，紀碧端

(1.廈門理工學院機械與汽車工程學院，福建 廈門 361024；2.廈門金龍旅行車有限公司，福建 廈門 361006)

某校車頂部抗壓試驗及仿真分析

藍平輝1，韓勇1，彭倩1，王方1，紀碧端2

(1.廈門理工學院機械與汽車工程學院，福建 廈門 361024；2.廈門金龍旅行車有限公司，福建 廈門 361006)

為更好地評價專用校車頂部結構強度，提高校車頂部抗壓性能，基于校車國家新標準GB24407—2012《專用校車安全技術條件》，建立整車有限元仿真模型.基于均勻加載方法定義頂部抗壓邊界條件，分析頂部結構的能量吸收特性并與實車頂壓試驗進行對比，驗證了模型的有效性.仿真分析表明：校車頂部結構變形較小，應力分布均勻，上部結構強度較好；各項法規(guī)評價指標誤差在10%以內.仿真與實驗結果一致性較好，本研究可為校車后期安全性評價及結構改進提供參考方法.

專用校車;頂部結構；抗壓性能；有限元方法

隨著國家經濟社會的快速發(fā)展，城市化水平不斷提高，農村人口“空心化”程度也在加劇[1-2]，伴隨而來的是城市兒童上下學道路擁擠問題及農村學校合并問題，導致城市交通緊張和農村學生上下學回家距離加大[3].校車成為了解決這些問題的關鍵，然而近年來“校車”事故頻繁發(fā)生[4-7]，校車安全問題日益突出.2012年，國家相關部門發(fā)布了我國校車領域的第一部強制性國家標準GB24407—2012《專用校車安全技術條件》[8](以下簡稱《條件》)，標準要求校車生產企業(yè)對校車進行安全性評估并驗收合格后方可允許上市.新標準頒布后，國內各高校及科研機構聯(lián)合校車生產企業(yè)進行了各種安全性研究.張燕君等在傳統(tǒng)TTR側翻中利用T-S模糊神經網(wǎng)絡方法得到了較為準確的側翻預警方法，研究有利于改善校車的行駛安全性[9].宋佳等利用有限元軟件考慮側翻安全性對某校車上部結構進行改進，對校車制造具有一定的指導意義[10].黃登峰按照最新標準，利用有限元軟件研究了某長頭型校車的側翻安全性，然后優(yōu)化[11].目前，校車上部結構強度安全性研究主要集中在側翻試驗方面，較少有關于校車頂部抗壓強度方面研究的突破.多數(shù)情況下，校車直接頂部抗壓不足所導致的交通事故損失更為嚴重，抗壓結果更直接地反應校車頂部結構強度的優(yōu)劣.本文利用有限元方法對某校的車身骨架進行詳細建模，基于最新校車的專用標準要求建立頂部抗壓強度的工況及邊界條件，然后進行頂壓仿真試驗及分析.通過對數(shù)據(jù)的分析處理及頂壓實車試驗，驗證模型的有效性，通過指出試驗中出現(xiàn)的缺點，為后續(xù)研究、企業(yè)生產、法規(guī)修正提出參考意見.

1　校車仿真模型的建立

1.1校車模型的建立

利用三維幾何建模軟件建立校車外圍總體骨架模型．校車三維幾何模型車身外形長5 543mm，寬2 103mm，高2 831mm，主要包括車輪、車身封閉結構及底盤總成等(如圖1所示).

有限元模型是在適當?shù)貙π＼嚾S模型進行簡化[12-13]處理后采用Hypermesh?模塊對整車骨架進行網(wǎng)格劃分，同時，安裝有企業(yè)生產的配套校車安全座椅.網(wǎng)格劃分尺寸為10mm，模型車身骨架、座椅骨架、加強板支撐架和地板等構件主要采用四邊形和少量的三角形單元模擬，座椅海綿座墊采用六面體及少量四面體模擬.模型總單元數(shù)為1 109 851，節(jié)點數(shù)為1 056 422.圖2為放置了校車專用座椅的整車有限元模型.

1.2 材料參數(shù)與校車頂壓工況建立

車身結構為承載式，車身骨架桿件采用Q235和Q345普通彈塑結構鋼，車身材料特性如表1所示.

表1　車身材料特性

1.3優(yōu)化變量的選取

根據(jù)《條件》[8]中校車頂部抗壓試驗方法要求，在校車頂部仿真一長寬至少能夠覆蓋乘員區(qū)域的鋼性平板(如圖3所示).在試驗中利用LS-DYNA模塊中*BOUNDARY_PRESCRIBED_MOTION關鍵字卡片定義剛性板以1mm/ms的速度垂直向下運動，給車身骨架施加均勻載荷[14-15]，直至達到校車整備質量的1.5倍載荷，并保持至少5s變形穩(wěn)定時間[16-17].為保證剛性板向下運動所產生的力完全作用于整車車身結構和消除懸架及輪胎變形，對四個車輪剛性化后施加全自由度約束的同時在車身底盤縱梁多處進行完全約束[18-19].給整個工況施加一重力場9.81m/s2，計算時間控制為100ms.文中所建立的頂部抗壓工況所涉及到的接觸如表2所示.

表2　仿真中的接觸

2　校車頂壓仿真分析

2.1頂壓法規(guī)評價

根據(jù)《條件》要求[9]，文中試驗時，剛性板以1mm/ms的加載速度均勻垂直向下運動，隨著時間的推移，加載力不斷增加.從圖4可以得知，當t=0.025s時校車頂部結構受到整車準備質量的1.5倍載荷，t=0.09s時校車整車已經在超過額定1.5倍整車準備質量載荷下維持了0.065s(折合標準要求13mm/s下穩(wěn)定5s要求).仿真結束后，將校車的各項指標與標準評價進行對比，如表3所示.

表3　法規(guī)評價項

2.2 仿真吸能分析

在前期的頂部抗壓工況建模經計算完成后，可以從有限元后處理軟件Hyperview模塊中導出計算仿真能量變化結果，如圖5所示.

從圖5可以看出：在均勻速度鋼性板作用下的車體骨架，內能與總能量不斷增加，動能基本保持恒定；沙漏能也隨鋼板的向下運動不斷增加，在t=0.1s時，沙漏能最大為1.49×105J/s，此時整車的總能量為2.46×107J/s；沙漏能占總能量的0.61%，遠遠小于失真可能的5%要求[10]；各種能量變化趨勢基本保持穩(wěn)定狀態(tài)，仿真結果可信度較高.

2.3 頂壓動態(tài)響應分析

校車頂壓工況的不同時刻變形云圖如圖6所示.觀察各時刻校車頂壓變形云圖發(fā)現(xiàn)，隨著試驗的進行，頂部首先受到不斷增大的外力作用，變形逐漸增加.隨后外力向車身側圍及前部結構傳遞，形成了以上部頂蓋受力變形集中區(qū)向外圍均勻輻射的中心面形式.此外，從整車的最大位移量可以發(fā)現(xiàn)：在試驗過程中，即使在變形較為嚴重的區(qū)域(頂部中前部結構和車身側圍支撐立柱)，加載板給頂部施加的載荷并未造成上部結構及側圍立柱嚴重塌陷、壓潰現(xiàn)象，乘客門、應急門、應急窗和撤離艙口保持完好.

2.4校車頂壓實車驗證

將準備試驗的校車放置在頂壓試驗臺.為避免試驗中車輪對試驗結果的影響，試驗前，在校車縱梁多處利用千斤頂支撐并固定.試驗時，通過給上部承載板緩慢添加一定質量的物件直至達到校車整備質量的1.5倍載荷，并保持一定的穩(wěn)定變形時間(如圖7).試驗后，對校車變形情況進行測量.測量結果如文中表3所示，誤差范圍控制在10%左右.同時，車身結構承受規(guī)定的載荷后，結構完整，車門沒有開啟，車身與底架沒有分離.實車試驗結果與仿真結果基本吻合，具有較好的車身上部結構強度.

3　結論

本文利用有限元方法對某款專用校車，依據(jù)最新的校車專用標準條件進行校車頂部抗壓強度試驗和模擬，結果發(fā)現(xiàn)模擬的過程較好地反應了真實的試驗情況,并結合校車實車頂部抗壓試驗的結果，驗證了前期有限元模擬的準確性.頂部抗壓仿真分析具有較好的工程適應性和指導性，有利于縮短校車實車開發(fā)周期，降低研發(fā)成本.同時，通過此次研究結果可得知頂壓過程中在車身側圍立柱及車頂中前部結構變形較為嚴重，可以作為對后續(xù)校車結構改進方案的擬定提供參考及為校車頂部抗壓試驗法規(guī)的各項試驗條件及評價方案的修改完善提供意見和建議.

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(責任編輯李寧)

Compression Test on a Bus Top and Analysis of Simulation Experiments

LAN Ping-hui1，HAN Yong1，PENG Qian1，WANG Fang1，JI Bi-Duan2

(1.SchoolofMechanical&AutomotiveEngineering,XiamenUniversityofTechnology,Xiamen361024,China；2.XiamenGoldenDragonVanCo.Ltd.，Xiamen361006,China)

Inordertogiveagoodevaluationofthetopstructurestrengthofschoolbusandimprovethepassivesafetyperformanceofitstopcompressivestrength,afiniteelement(FE)modeloftheschoolbuswasdevelopedbasedontheRegulationGB24407—2012 “TechnicalSpecificationsforSafetyofSchoolBuses”.Thecompressiveboundaryconditionsoftheschoolbusweredefinedonuniformloadingapproach.Themodelwasvalidatedbycomparingthetopstructureenergyabsorptionfeatureswiththeexperimentalresultsoftheschoolbus.Thesimulationresultsshowsmalltopdeformation,uniformstressdistribution,goodstructuralstrengthonupperpart,evaluationerrorlessthan10%forregulations,andgoodagreementbetweentestresults.TheFEmodelcanbeusedforsafetyevaluationandstructureimprovementoftheschoolbus.

schoolbus;topstructure;compressiveproperties;finiteelementmethod

2014-12-23

2015-01-23

國家自然科學青年基金項目(31300784) ；廈門理工學院對外合作科技項目(DW12006)；廈門市科學技術項目( 2014S0898)

藍平輝(1990-)，男，碩士研究生，研究方向為汽車被動安全．通訊作者： 韓勇(1984-)，男，副教授，博士，研究方向為汽車碰撞安全、人體損傷生物力學、兒童乘員安全等．E-mail：yonghan@xmut.edu.cn

U461.91A

1673-4432(2015)01-0013-05