客車側(cè)翻生存空間仿真評價方法研究

周德生

客車側(cè)翻生存空間仿真評價方法研究

周德生

（比亞迪汽車工業(yè)有限公司汽車工程研究院，廣東 深圳518118）

為了能更直觀地評價客車側(cè)翻生存空間的侵入狀況，提出以接觸力作為評價指標的仿真分析方法。根據(jù)法規(guī)ECE R66要求，建立某客車骨架及生存空間的有限元模型，并進行側(cè)翻仿真分析，評價其上部結(jié)構(gòu)的變形及其侵入乘員生存空間的狀況?；诜抡娣治鼋Y(jié)果，驗證了該仿真評估方法是簡單實用、準確可靠的。

客車；側(cè)翻；生存空間；接觸力；有限元模型

客車側(cè)翻試驗已成為檢驗和評估客車上部結(jié)構(gòu)強度最直接、有效的試驗方法。但是，動態(tài)側(cè)翻試驗為不可重復(fù)的破壞性試驗，而且試驗成本高、工作難度大；而采用CAE技術(shù)進行客車側(cè)翻安全性分析是一種非常有效的方法。

目前國內(nèi)學(xué)者已經(jīng)開始采用計算機仿真技術(shù)研究客車側(cè)翻事故與乘員安全性問題［1-9］。因此，對客車側(cè)翻安全性能的優(yōu)化設(shè)計和分析方法研究，對客車的設(shè)計、生產(chǎn)和工程應(yīng)用都具有重要的意義。

本文通過分析現(xiàn)有側(cè)翻仿真分析對生存空間的評價方法，提出以接觸力評價乘員生存空間被侵入狀況的仿真分析方法；根據(jù)歐盟ECE R66法規(guī)要求［10］，建立某電動客車骨架及生存空間的有限元模型，采用LS_DYNA進行以計算接觸力為評價方法的動態(tài)側(cè)翻仿真分析。研究仿真分析變形結(jié)果，驗證了該評價方法是一種簡單實用、宏觀明了、準確可靠的方法，為客車側(cè)翻仿真分析提供參考價值。

1　LS_DYNA接觸碰撞原理

1.1接觸算法

接觸-碰撞的有限元數(shù)值計算方法是將兩撞擊物體分開建立有限元模型，通過位移協(xié)調(diào)條件與動量方程求解撞擊載荷。LS_DYNA中有三種不同的算法處理碰撞、滑動接觸問題［11-13］。

1）動態(tài)約束法。其原理是在每一時間步△t修正構(gòu)形之前，搜索所有未與主面接觸的從節(jié)點，看是否在△t內(nèi)穿透主面。如果有從節(jié)點貫穿主表面，則縮小△t，使那些穿透主面的從節(jié)點都不貫穿主面，而使其正好達到主面。在計算下一個△t之前，對所有已經(jīng)與主面接觸的從節(jié)點都施加約束條件，以保持從節(jié)點與主面接觸而不貫穿。此處，還檢查那些和主面接觸的從節(jié)點所屬單元是否受到拉應(yīng)力作用。如有，則釋放條件，使從節(jié)點脫離主面。這種算法比較復(fù)雜，要求主面網(wǎng)格劃分比從面網(wǎng)格細，某些主節(jié)點可以毫無約束地穿過從面，形成所謂的“紐結(jié)”現(xiàn)象。目前LS_DYNA程序中僅用于固連界面。

2）分布參數(shù)法。該方法是將每一個正在接觸的、從單位的一半質(zhì)量分布到被接觸的主面面積上，同時根據(jù)每個正在接觸的、從單元的內(nèi)應(yīng)力確定作用在接受質(zhì)量分配的主面面積上的分布壓力。在完成質(zhì)量和壓力的分配后，修正主面的加速度，然后對從節(jié)點的加速度和速度施加約束，以保證從節(jié)點在主面上滑動，不允許從節(jié)點穿透主表面，從而避免反彈現(xiàn)象。這種算法主要用來處理接觸界面具有相對滑移而不可分開的問題，在結(jié)構(gòu)計算分析中很少采用。目前主要用來處理接觸-滑移界面的問題，如爆炸接觸問題。

3）罰函數(shù)法。罰函數(shù)法是應(yīng)用最廣的一種算法，其原理比較簡單：即對每一個時間步△t先計算各從節(jié)點與最近的主面垂直距離，檢查各從節(jié)點的穿透情況。如未穿透，則不作處理；如果存在穿透，則在該從節(jié)點與被穿透主面之間引入一個界面接觸力，其大小跟穿透深度、主面剛度成正比，其物理意義相對于在從節(jié)點和主段面兩者之間放置一法向彈簧，如圖1所示，以限制從節(jié)點對主面的穿透。

基于罰函的方法是LS_DYNA計算主、從間接觸剛度的缺省方法，它是利用接觸段的尺寸與其材料特性來確定接觸剛度。當兩個接觸面的材料剛度參數(shù)差不多大時，該方法是非常有效的。對稱罰函數(shù)法是在每一個時間步對從節(jié)點和主節(jié)點循環(huán)處理一遍，算法跟從節(jié)點算法相同。本文采用罰函數(shù)接觸算法處理接觸碰撞問題。

1.2接觸類型與輸出

LS_DYNA中常用接觸類型主要有四大類［11-13］：單向接觸（one way contact）；雙面接觸（two way contact）；單面接觸（single contact）；固連接觸（tied contact）。在以上接觸類型中，前三種接觸類型的算法均采用罰函數(shù)法，固連接觸有的采用罰函數(shù)法，有的采用動態(tài)約束法，少部分采用分布參數(shù)法。

在LS_DYNA接觸碰撞理論中*contact_force_transducer_option提供一種在所選位置處獲取接觸力的便利方法。它的兩個選項中，penalty是基于罰函數(shù)類型起作用；而constraint是基于約束接觸類型起作用?；诹P函數(shù)法接觸原理，本文在前處理時設(shè)置生存空間跟本身側(cè)圍為雙面接觸中的自動面面接觸類型，即*contact_automatic_surface_to_surface，同時激活接觸控制中的參數(shù)SPR、MPR，如圖2所示。

為輸出接觸力本文在關(guān)鍵字文件中*DATABASE_ OPTION中設(shè)置接觸力輸出選項RCFORCE，并設(shè)置輸出時間間隔為0.002 s以及輸出接觸力的文件類型為ASCII格式，如圖3所示；仿真分析結(jié)束后，在RCFORCE文件中得到生存空間跟車身的接觸力數(shù)據(jù)作為本文生存空間評價依據(jù)。

2　生存空間的評價

2.1現(xiàn)有生存空間仿真評價方法

在現(xiàn)在的客車側(cè)翻仿真分析方法中，常以側(cè)翻碰撞側(cè)的側(cè)圍與客車地板骨架形成的夾角β作為評價生存空間完整性的指標，如圖4所示。該評價方法是將整個側(cè)圍結(jié)構(gòu)看成是繞地板與側(cè)圍的交點O形成的軸線轉(zhuǎn)動，夾角β的變化反映了生存空間有被侵入的趨勢，夾角越小，則生存空間被侵入的風險就越大。該方法認為，側(cè)圍各段相對不變形，但在側(cè)翻仿真分析中，側(cè)圍結(jié)構(gòu)的變形趨勢一般是不一樣的，且側(cè)圍立柱多為彎曲變形，而生存空間截面為梯形［7，10］，所以難以準確地反映生存空間的侵入狀況。

在另外一些客車側(cè)翻仿真分析文獻中［2-4，9］，根據(jù)生存空間的位置尺寸建立生存空間有限元模型，在側(cè)翻分析時，不考慮生存空間的自身變形，也不考慮生存空間與側(cè)圍的相互接觸變形，只是通過觀測側(cè)翻后整車骨架與生存空間最后時刻的不同位置的截面圖，如圖5所示。由于在側(cè)翻試驗中側(cè)圍各部分變形不一致，立柱都是彎曲變形且發(fā)生回彈效應(yīng)，整車最大變形時刻一般不是最后時刻，因而該方法也難以準確地反映生存空間侵入狀況及判斷生存空間被侵入的具體時刻，且后處理繁瑣。

2.2新仿真評價方法

為了評價整車側(cè)翻過程中生存空間的侵入狀況，本文提出以接觸力評價生存空間是否被侵入的方法。根據(jù)法規(guī)對生存空間位置尺寸的要求［10］，建立生存空間的有限元模型，設(shè)置生存空間和側(cè)圍的接觸關(guān)系和輸出，后處理時輸出兩者之間的接觸力曲線，從而判斷生存空間的侵入情況。本文提出的接觸力評價法與其它評價方法相比有如下優(yōu)點：

1）新方法只需設(shè)置側(cè)圍跟生存空間的接觸關(guān)系，側(cè)翻過程中車身結(jié)構(gòu)的任何位置碰到生存空間都會產(chǎn)生作用力，仿真分析后處理時輸出兩者的接觸力曲線圖，從曲線圖就能宏觀地判斷生存空間的侵入情況。如果接觸力一直為零，表示變形沒有侵入生存空間，滿足法規(guī)要求；若接觸力大于零，表示變形侵入了生存空間，不滿足法規(guī)要求。

2）當生存空間被侵入時，從接觸力曲線圖就能知道生存空間被侵入的時刻和時間跨度，再通過觀察生存空間的應(yīng)力云圖，就能知道車身結(jié)構(gòu)哪些具體部件侵入生存空間，如圖6所示，從而為結(jié)構(gòu)的改進提供更加準確、詳細、可靠的信息。

3）接觸力的大小也能反映生存空間被侵入的嚴重程度，即接觸力越大，表示生存空間被侵入得越多，反映客車上部結(jié)構(gòu)強度越弱，反之亦然。

4）不需要測量側(cè)翻后側(cè)圍每根立柱跟地板形成夾角來評估生存空間侵入情況，不需要進行復(fù)雜的理論計算，避免人工計算誤差而引起對結(jié)果的判斷錯誤。

5）不需要截取側(cè)翻最后時刻側(cè)圍每根立柱與生存空間的截面圖來判斷生存空間的侵入狀況。由于彈性材料的回彈現(xiàn)象，客車側(cè)翻試驗的最大變形一般發(fā)生在碰撞過程中的某一時刻，并不一定是最后時刻；同時，避免因人工反復(fù)截圖，繁瑣重復(fù)工作而引起的誤差，新方法由分析軟件進行自動求解計算，從而提高工作效率和判斷的準確度。

3　側(cè)翻分析驗證

據(jù)法規(guī)ECE R66的要求，建立整車及生存空間的有限元模型，如圖7所示。

建模時作如下簡化［8-9］：忽略輪胎對車身結(jié)構(gòu)強度的影響，車橋用梁單元創(chuàng)建；省略內(nèi)外飾等非主要受力結(jié)構(gòu)件，用質(zhì)量單元模擬；不考慮骨架件的小倒角、倒邊及小孔等；不考慮焊點和鉚接結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力、失效問題；有限元模型的總質(zhì)量和重心位置與實車一致。

眾所周知，能量守恒是檢驗仿真精度的重要考量指標，能量轉(zhuǎn)化貫穿于整個側(cè)翻過程中，整車的動能和勢能轉(zhuǎn)化為整車骨架的塑性變形能及車體與地面摩擦所產(chǎn)生的熱能。側(cè)翻分析過程的能量變化曲線如圖8所示。在0.15 s時吸能達到最大值，沙漏能在整個側(cè)翻過程中占總能量比不超過5%。由此可知，仿真分析過程能量是守恒的，結(jié)果是可信的。

1）變形判斷法。圖8是整車不同時刻的變形圖，側(cè)翻時車身側(cè)圍與頂圍連接處先與地面發(fā)生碰撞，同時產(chǎn)生極大的沖擊力，碰撞力通過頂圍骨架傳遞到另一側(cè)側(cè)圍，車身骨架發(fā)生不同程度的彎曲變形；側(cè)圍立柱在0.059 s開始被侵入生存空間，在0.15 s時車身骨架達到最大變形，如圖9（a）所示。由于車身骨架發(fā)生劇烈的塑性變形而不足以吸收側(cè)翻沖擊動能，進而侵入乘員生存空間；隨著側(cè)翻分析過程的進行，由于彈性材料的回彈效應(yīng)，車體開始回彈并向前滑移直至停止，最后時刻的變形如圖9（b）所示。

2）接觸力判斷法。側(cè)翻仿真分析，輸出的生存空間與側(cè)圍的接觸力曲線如圖10所示。從圖中可知，生存空間在0.059s開始被侵入，在0.15s時侵入量最大，直至0.212s時才結(jié)束。由于側(cè)圍立柱在側(cè)翻分析過程中發(fā)生了較大的彎曲變形，不足以抵抗側(cè)翻撞擊力，從而侵入生存空間，之后由于車身骨架材料的回彈效應(yīng)，在0.212 s時使得側(cè)圍與生存空間完全分離，此后接觸力一直為零。

為了驗證接觸力評估方法的可靠性，分別截取不同時刻車身和生存空間的變形截面圖，如圖10所示。在0.59 s時，如圖11（a）中側(cè)圍立柱開始碰到生存空間并產(chǎn)生接觸力；在0.15 s時，立柱的變形達到最大值，同時侵入量也達到了最大值，侵入一直延續(xù)至0.212 s結(jié)束，如圖11（b）所示。此后側(cè)圍骨架與生存空間分離，接觸力為零，由此可知，該方法是準確可靠的。

4　結(jié)束語

本文建立了某電動客車的側(cè)翻仿真分析有限元模型，提出了以接觸力評價生存空間完整性的分析方法并進行仿真分析驗證。該方法能宏觀、準確地反映生存空間的侵入狀況，是一種準確、實用、可靠的仿真評價方法；客車側(cè)翻時，車身側(cè)圍立柱和頂圍橫梁對側(cè)翻碰撞性能影響較大。

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修改稿日期：2014-08-13

Research on Simulation Evaluation Method of Residual Space in Coach Rollover

Zhou Desheng
（Automobile EngineeringResearch Institute，BYDAutoIndustryCo.，Ltd，Shenzhen 518181，China）

Toevaluate the incursion state ofthe residual space in the coach rollover more intuitively，the author proposes a simulation analysis method which takes the interface force as the evaluation index.According to Regulation ECE R66，he establishes a finite element model（FEM）for a coach framework and residual space，and performs a simulation on the rollover process，and evaluates the deformation of the coach superstructure and its incursion state intopassenger residual space.Based on the simulation results，the simulation evaluation method is simple，practical，accurate and reliable.

coach；rollover；residual space；interface force；FEM

U467.1+4

A

1006-3331（2015）01-0010-04

周德生（1981-），男，碩士；工程師；主要從事汽車結(jié)構(gòu)安全性能研究工作。