基于側(cè)翻碰撞分析的鋁合金客車車身型材優(yōu)化設(shè)計

劉艷，傅小燕，陳飛宏

基于側(cè)翻碰撞分析的鋁合金客車車身型材優(yōu)化設(shè)計

劉艷，傅小燕，陳飛宏

（比亞迪汽車工業(yè)有限公司，廣東深圳518118）

建立某客車的側(cè)翻碰撞有限元模型，根據(jù)正交設(shè)計思想對該客車進(jìn)行側(cè)翻碰撞仿真分析，得到車身各關(guān)鍵型材對生存空間侵入量和型材質(zhì)量的影響。對優(yōu)化方案進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明，優(yōu)化方案不僅減輕了車體質(zhì)量，而且提高了側(cè)翻安全性，滿足了相關(guān)法規(guī)要求。

客車車身；側(cè)翻碰撞；鋁合金型材；正交設(shè)計；優(yōu)化設(shè)計

客車側(cè)翻碰撞分析對客車的研發(fā)有著極為重要的意義。目前關(guān)于客車側(cè)翻性能的標(biāo)準(zhǔn)主要是歐盟ECE R66［1］及國標(biāo)GB 17578-2013［2］，標(biāo)準(zhǔn)中均指出可以采用計算機(jī)模擬整車側(cè)翻試驗對客車側(cè)翻時上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行驗證，國內(nèi)學(xué)者們以及各汽車企業(yè)專業(yè)人員已經(jīng)積極開展了相關(guān)研究［3-5］。

1　客車側(cè)翻碰撞有限元模型

1.1模型建立

客車模型骨架、支架、板材等均采用10 mm網(wǎng)格殼單元進(jìn)行劃分，焊縫采用無質(zhì)量的spotweld模擬［6］，整車有限元模型網(wǎng)格數(shù)量為946 117個，整車模型采用鋪撒質(zhì)量點的方式配重。

整車向右側(cè)翻，為節(jié)省計算時間，本文調(diào)整模型至觸地時刻開始計算，如圖1所示。碰撞初速度可由公式E=Mg△h=Iω2/2計算得出［7］，客車的碰撞初速度為2.244 rad/s。設(shè)置其他接觸參數(shù)和邊界條件后，進(jìn)行側(cè)翻仿真分析。

1.2有限元分析結(jié)果

計算得到側(cè)翻的初始動能為55.14 kJ，總吸能為67.74 kJ，沙漏能為0.215 kJ，總能為83.22 kJ，額外功為28.25 kJ；質(zhì)量增量為3.6%，總吸能與初始動能之比大于75%，沙漏能小于總能的5%，整車模型真實可靠。

如圖2所示，客車側(cè)翻時，車架基本不變形，車身大變形，右圍各立柱侵入生存空間，且從第一根立柱至最末立柱，侵入依次減小，本文記錄第一立柱（即乘客門前立柱）與生存空間的最小距離為侵入量。約定若側(cè)圍侵入生存空間，則侵入量為負(fù)；未侵入，則侵入量為正。本客車侵入量為-126.15 mm，不滿足法規(guī)要求。側(cè)翻過程中，整車各部分通過變形吸能，能量吸收最大的前六大片分別為前圍骨架、后圍骨架、左圍骨架、右圍骨架、后艙骨架和頂圍主橫梁，其中后艙骨架通過支架和牛腿與后圍骨架、左圍骨架、右圍骨架及車架連接。六大片吸能值及其占總吸能百分比值如表1所示。此六大片吸收的能量占到了總內(nèi)能的84.16%，其中頂圍主橫梁、左圍立柱、右圍立柱及門立柱的吸能之和占總內(nèi)能的25.82%，質(zhì)量僅為49.56 kg，占主要吸能骨架（車身五大片、牛腿、后艙骨架）質(zhì)量的10.65%。

表1　客車前六大片吸能及其占總吸能百分比

從客車塑變云圖（圖3）中可以看出，塑變主要發(fā)生在車身骨架上，其中，頂圍主橫梁、左圍立柱、右圍立柱及門立柱為主要的折彎型材，折彎位置如圖3所示的大塑變區(qū)域。通過提高該型材的剛度即減小其變形程度，或上移立柱和門立柱上的折彎位置，從而減小右圍與頂圍連接處的變形，可以控制車身側(cè)圍變形程度。

2　型材優(yōu)化分析

目前提高多邊形薄壁結(jié)構(gòu)剛度的方法主要有兩種：采用強(qiáng)度更合適的材料［8］；對壁厚、截面尺寸等進(jìn)行優(yōu)化［9-11］。本客車定義為鋁車身，車身材料不做更換，主要針對型材截面進(jìn)行優(yōu)化。為了保證與周圍骨架的連接不變，型材的外部尺寸不變。

頂圍主橫梁的型材外部尺寸為50 mm×50 mm，可采用的截面形狀為方型材A1、目字型材A2及不等厚型材A3；左圍、右圍立柱的型材外部尺寸為70 mm×50 mm，可用的截面形狀為矩型材B1、十字型材B2、不等厚型材B3；門立柱的型材外部尺寸為100 mm×50 mm，可用的截面形狀為矩型材C1、目字型材C2、不等厚型材C3。具體截面信息如表2所示。

表2　各部件型材截面信息及質(zhì)量統(tǒng)計表

本文以頂圍主橫梁截面形狀A(yù)、左圍、右圍立柱截面形狀B以及門立柱截面形狀C 3種參數(shù)為因子來研究整車的側(cè)翻碰撞強(qiáng)度。

正交設(shè)計［12］各方案的仿真結(jié)果見表3。侵入量（最小距離）越大，表明側(cè)翻安全性能越好。

表3　正交設(shè)計方案及仿真結(jié)果

方案3和方案9的侵入量（最小距離）為正值，滿足法規(guī)要求。對表3所示仿真結(jié)果采用極差分析法得到表4，評判各因素、各水平對侵入量和型材質(zhì)量的影響。

表4　仿真結(jié)果分析

以侵入量（最小距離）大為指標(biāo)，有以下分析結(jié)果：A、B、C因素的各水平變動對侵入量有影響，且A3、B3、C3分別是ABC因素中的優(yōu)水平，A3B3C3為最優(yōu)組合，仿真結(jié)果見表5；根據(jù)極差大小，可知因素對侵入量的影響的主次順序為BCA，即左右圍立柱影響最大，門立柱其次，頂圍主橫梁影響較小。

以ABC型材質(zhì)量小為指標(biāo)，有以下分析結(jié)果：A、B、C因素的各水平變動對ABC型材質(zhì)量有影響，且A1、B1、C1分別為ABC因素中的優(yōu)水平，A1B1C1為最優(yōu)組合；根據(jù)極差大小，可知因素對ABC型材質(zhì)量影響的主次順序為BAC，即左右圍立柱影響最大，頂圍主橫梁其次，門立柱影響較小。

設(shè)計要求，整車需滿足法規(guī)要求，并實現(xiàn)輕量化。由以上分析結(jié)果可得出以下推論，且各推論驗證方案的仿真結(jié)果如表5所示。B必須為3，方案10證明；C至少為2，方案11證明；方案12為滿足設(shè)計要求的最優(yōu)方案。

表5　仿真結(jié)果

統(tǒng)計以上13個方案的吸能值，并按照侵入量（最小距離）由小到大進(jìn)行排序，得表6。由此可以看出，總吸能以及ABC型材吸能與侵入量并非單調(diào)關(guān)系，吸能受整車結(jié)構(gòu)的影響制約，是綜合作用。

表6　仿真結(jié)果之能量統(tǒng)計

根據(jù)表6可知，滿足法規(guī)要求的方案滿足兩個條件：總吸能不大于66 kJ，且ABC型材吸能占總吸能百分比大于28%，見表7。分析結(jié)果顯示，方案12是滿足設(shè)計要求的最優(yōu)方案。

表7　最優(yōu)方案之仿真結(jié)果

3　結(jié)論

1）本客車總吸能在66 kJ以下，且型材吸能占總吸能的百分比高于28%時，容易滿足法規(guī)要求。

2）左右圍立柱是確?？蛙嚌M足法規(guī)的主要因素，門立柱其次，頂圍主橫梁最次。在客車型材優(yōu)化中，應(yīng)按照由主及次順序逐步進(jìn)行合理優(yōu)化。

3）型材截面優(yōu)化在車身優(yōu)化中作用較為顯著。本文僅依據(jù)設(shè)計人員提供的型材截面方案進(jìn)行了優(yōu)化分析。開發(fā)客車新型材時，建議在質(zhì)量一定的情況下進(jìn)行型材的截面優(yōu)化，更合理分配型材質(zhì)量，實現(xiàn)更完善的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

［1］ECE Regulation No.66.Uniform Technical Prescriptions Concerningthe Approval ofLarge Passenger Vehicles with Regard to the Strength ofTheir Superstructures［S］.United Nations，2006.

［2］GB 17578-2013，客車上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求及試驗方法［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2013.

［3］查官飛.大客車車身結(jié)構(gòu)側(cè)翻試驗仿真與安全研究［D］.重慶：重慶交通大學(xué)，2011.

［4］范子杰，馬林，桂良進(jìn)，等.大客車側(cè)翻安全性多目標(biāo)優(yōu)化［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報，2012，（5）：1109-1113.

［5］李毅.大客車側(cè)翻碰撞安全性設(shè)計與優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.廣州：華南理工大學(xué)，2012.

［6］亓文果.基于ECE R66法規(guī)的客車側(cè)翻碰撞安全性能的仿真與優(yōu)化［J］.汽車工程，2010，（12）：1042-1046.

［7］李臣，周煒，司景萍，等.客車側(cè)翻的結(jié)構(gòu)安全性仿真研究［J］.拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車，2008，35（5）：70-71.

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［10］郭敬文，姚成.客車車身側(cè)翻剛度仿真研究［J］.客車技術(shù)與研究，2011，33（1）：5-8.

［11］雷正保，付愛軍，杜青云，等.輕型客車車身的翻滾安全性設(shè)計方法［J］.交通科學(xué)與工程，2009，25（1）：63-71.

［12］李云雁，胡傳榮.試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.2.

修改稿日期：2015-05-19

Optimization Design for Coach Body Aluminum Extrusion Profile Based on Rollover Crash Analysis

Liu Yan，F(xiàn)u Xiaoyan，Chen Feihong
（BYDAutoIndustryCo.，Ltd，Shenzhen 518118，China）

The finite element model of a coach for rollover crash is constructed.The orthogonal design method is adopted for the coach rollover crash simulation analysis.The influences ofcoach body key aluminum extrusion profiles on the amount of intrusion into the survival space and the extrusion profile mass are obtained.The optimal design is simulated and the results showthat the optimal design not only lightens the mass of the coach body，but also improves the rollover safety，and meets the requirements ofrelative regulations.

coach body；rollover crash；aluminumextrusion profile；orthogonal design；optimization design

U463.82；U467.1+4

A

1006-3331（2015）06-0016-04

劉艷（1982-），女，碩士；CAE分析師；主要從事客車結(jié)構(gòu)CAE分析工作。