某客車側(cè)翻的計算機(jī)模擬測試

郝海舟，符　志

某客車側(cè)翻的計算機(jī)模擬測試

郝海舟，符志

（中國汽車工程研究院股份有限公司汽車安全技術(shù)中心，重慶401122）

根據(jù)GB 17578-2013中等效認(rèn)可方法“計算機(jī)模擬整車側(cè)翻試驗”的要求，仿真分析某客車的側(cè)翻安全性能，評價該等效試驗方法的可操作性及其優(yōu)缺點。

客車；側(cè)翻試驗；計算機(jī)模擬

新修訂的GB 17578-2013《客車上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求及試驗方法》［1］已于2013年9月18日發(fā)布，并于2014 年7月1日實施。新修訂的GB17578-2013［1］較GB/T 17578-1998《客車上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的規(guī)定》［2］主要變化多達(dá)22項，其中標(biāo)準(zhǔn)屬性由推薦性改為強(qiáng)制性；新標(biāo)準(zhǔn)增加了“計算機(jī)模擬整車側(cè)翻試驗”的等效認(rèn)可方法。對于新增加的“計算機(jī)模擬整車側(cè)翻試驗”等效認(rèn)證方法，由于行業(yè)內(nèi)尚未形成統(tǒng)一的模擬計算方法，目前我國汽車《公告》暫不允許采用該認(rèn)可方法［3］，所以有必要對該等效試驗方法進(jìn)行探索分析，為形成行業(yè)認(rèn)可并且統(tǒng)一的計算方法提供參考。本文將依照GB17578-2013附錄H“計算機(jī)模擬整車側(cè)翻試驗”各項要求［1］，對某客車進(jìn)行計算機(jī)模擬整車側(cè)翻試驗，并對該等效試驗方法的可行性及其優(yōu)缺點這兩個問題進(jìn)行分析。

1　客車側(cè)翻有限元模型建立

根據(jù)國標(biāo)GB 17578-2013［1］，客車側(cè)翻計算機(jī)仿真分析需要對客車整車、側(cè)翻平臺與撞擊平面進(jìn)行有限元模型建立。本文有限元模型搭建所用軟件為Altair Hypermesh，求解器模板使用通用非線性顯式動力學(xué)分析軟件Ls_dyna。

1.1客車有限元模型建立

1）客車整車主要分為車身骨架、下部骨架、外蒙皮、底盤以及動力系統(tǒng)。首先對客車各總成CAD模型進(jìn)行必要的幾何清理與簡化，其中車身骨架、下部骨架均由薄壁矩形型材連接而成，對其采用殼單元模擬；底盤與動力系統(tǒng)通過殼單元與質(zhì)量點配重的方式進(jìn)行模擬。客車整車網(wǎng)格尺寸及質(zhì)量滿足GB17578-2013要求［1］。

2）客車車身骨架使用的材料為Q235，下部骨架使用的材料為Q345。材料模型使用Ls_dyna中Mat24材料模型。該材料模型通過Cowper-Symonds本構(gòu)模型考慮材料的應(yīng)變率效應(yīng)；動力總成因剛度大、變形小，簡化為剛體，用Mat20材料模擬。

3）根據(jù)GB17578-2013要求［1］，對客車懸架進(jìn)行鎖止?？蛙嚫髁悴考约案骺偝芍g根據(jù)物理關(guān)系進(jìn)行相應(yīng)的連接。

4）建立的客車整車有限元模型如圖1所示。其中四邊形單元數(shù)1 012 062；三角形單元數(shù)1 479；節(jié)點總數(shù)1 016 113；客車總有效質(zhì)量14 500 kg。

1.2側(cè)翻平臺與撞擊平面有限元模型建立

根據(jù)GB 17578-2013［1］中“模型的構(gòu)建及假設(shè)應(yīng)能保證計算出保守的結(jié)果”的要求，側(cè)翻平臺與撞擊平面有限元模型如圖2所示。其中撞擊平面與側(cè)翻平臺上表面的高度差為800 mm；翻轉(zhuǎn)軸與撞擊平面?zhèn)缺诘乃骄嚯x為100 mm；翻轉(zhuǎn)軸與側(cè)翻平臺上表面的距離為100 mm；車輪擋板高度為80 mm，厚度為20 mm，邊緣半徑為10 mm，長度為500 mm；最寬車軸處的車輪擋板距翻轉(zhuǎn)軸中心的水平距離為100 mm；其它車軸處的車輪擋板應(yīng)進(jìn)行調(diào)整，以使車輛的垂直縱向中心面平行于翻轉(zhuǎn)軸；側(cè)翻平臺與撞擊平面均簡化為剛體，用Mat20材料模型模擬［4-6］。

1.3邊界條件施加

1）客車整車以接觸的方式置于側(cè)翻平臺上，并利用側(cè)翻平臺輪胎擋板限制客車在翻轉(zhuǎn)過程中的滑動。

2）約束撞擊平面所有6個自由度。

3）將客車整車與側(cè)翻平臺以5°/s的速度繞翻轉(zhuǎn)軸從水平位置旋轉(zhuǎn)至客車整車不穩(wěn)定的平衡位置，然后約束側(cè)翻平臺6個自由度。

4）整個模型施加1 g重力加速度。

5）撞擊平面摩擦系數(shù)設(shè)置為0.5。

1.4剛性體與柔性體轉(zhuǎn)換技術(shù)應(yīng)用

該客車側(cè)翻整個過程需要15 s左右的時間。對于百萬單元級的客車側(cè)翻計算機(jī)模擬是一個巨大的計算量。為了能減小計算量、縮短計算時間，對客車的整個側(cè)翻過程進(jìn)行梳理、簡化。整個側(cè)翻過程可以分為三個階段：第一個階段，客車翻轉(zhuǎn)開始到客車離開翻轉(zhuǎn)平臺之前的準(zhǔn)靜態(tài)翻滾階段；第二階段，客車脫離翻轉(zhuǎn)平臺到客車與地面碰撞之前的動態(tài)翻滾階段；第三階段，客車與地面接觸之后的碰撞變形階段［7］。這三個階段中，前兩個階段客車變形可忽略，但花費(fèi)計算時間最多，所以在前兩個階段，可將客車視為剛體，然后在客車與地面接觸的瞬間，再將客車由剛體轉(zhuǎn)化為變形體，這樣能在確保計算精度的前提下極大地縮短計算時間。上述剛體與柔性體的相互轉(zhuǎn)換可通過 Ls_dyna軟件中Deformable to Rigid Automatic關(guān)鍵字來實現(xiàn)。

2　模擬測試分析

根據(jù)GB17578-2013［1］建立該客車生存空間，如圖3所示。將生存空間Part設(shè)置為剛體（設(shè)置為Mat20材料），并通過關(guān)鍵字卡片Constrained Extra Nodes Set將其與客車下部骨架（客車翻滾過程中不變形部分）相連，以確保其位置在客車翻滾過程中相對不變［8］。為了能在分析結(jié)果中體現(xiàn)生存空間與周邊零部件的侵入關(guān)系，關(guān)鍵字文件中的接觸設(shè)置不應(yīng)包含代表生存空間的Part。

本文模擬側(cè)翻平臺從水平位置開始翻轉(zhuǎn)，直至客車脫離側(cè)翻平臺，并與撞擊平面相互作用的整個過程。求解軟件為通用非線性顯式動力學(xué)分析軟件Ls_dyna，分析時間為15 s。

圖4是客車翻轉(zhuǎn)模擬測試前后的變形圖。從該圖中可看出，在客車碰撞側(cè)的上部結(jié)構(gòu)處有明顯變形；圖5為客車側(cè)翻碰撞后的變形云圖，客車碰撞側(cè)最大變形值為64 mm。

圖6-圖8為客車與撞擊平面發(fā)生接觸后客車結(jié)構(gòu)與生存空間相對位置示意圖。從這三幅圖中可以看出，客車側(cè)翻過程中，客車上部結(jié)構(gòu)與生存空間始終留存有一定的距離，無任何相互侵入現(xiàn)象發(fā)生。

本文分析車型滿足GB 17578-2013［1］中規(guī)定的性能要求。

3　結(jié)束語

根據(jù)以上模擬測試工作，對該等效認(rèn)可方法作出如下總結(jié)：

1）送檢單位提供的相關(guān)數(shù)據(jù)必須準(zhǔn)確、真實，能代表送檢車輛。計算機(jī)模擬整車側(cè)翻試驗本身是試驗過程的一種模擬，結(jié)論的準(zhǔn)確性依賴于模擬計算所用的模型；如送檢單位不能按照GB 17578-2013［1］要求提供數(shù)據(jù)，則不能勉強(qiáng)使用該等效認(rèn)可方法。

2）如送檢單位能提供客車完備的有限元模型，包括網(wǎng)格模型、材料參數(shù)等（如企業(yè)在客車研發(fā)工程中曾做過類似分析工作，有限元模型能很方便地提供），那么采用該測試方法將會給送檢單位與測試機(jī)構(gòu)帶來極大的便利，既減少了送檢單位送檢車輛本身的成本，也減輕了檢測機(jī)構(gòu)側(cè)翻平臺的負(fù)擔(dān)，方便了檢測工作。

3）必須對搭建完成的整車有限元模型進(jìn)行對標(biāo)。因文獻(xiàn)［1］附錄H中H.2 a）對整車模型對標(biāo)的描述比較籠統(tǒng)，但此項工作又是該等效認(rèn)可方法能否繼續(xù)進(jìn)行的決定因素，故標(biāo)準(zhǔn)起草單位或人員有必要細(xì)化模型對標(biāo)方法。

4）該等效認(rèn)可方法是一種全新的測試方法，把以往需要大型設(shè)備才能完成的“測試”工作用計算機(jī)模擬的方式來實現(xiàn)，使“測試”工作既經(jīng)濟(jì)又便捷；同時，該標(biāo)準(zhǔn)［1］規(guī)范了計算機(jī)模擬整車側(cè)翻的各項工作，方便地使該“檢測”工作提前到客車的研發(fā)過程中，使生產(chǎn)企業(yè)不僅可縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，而且節(jié)約試驗費(fèi)用。

［1］GB/T 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.

［2］GB/T17578-1998，客車上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的規(guī)定［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1998.

［3］中機(jī)車輛技術(shù)服務(wù)中心.關(guān)于汽車公告產(chǎn)品十項更新/新增強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)實施的通知［EB/OL］.（2014-06-25）http：//www.cvtsc.org.cn/cvtsc/zcfg/963.htm

［4］邵珊珊，郭世永.客車蒙皮對側(cè)翻安全性的影響分析［J］.機(jī)械研究與應(yīng)用，2013，（4）：37-39.

［5］王欣，李弢，覃國周，等.客車前部立柱對上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響的試驗研究及CAE仿真分析［J］.客車技術(shù)與研究，2011，33（6）

［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，2010，32（12）：1042-1046.

［7］劉正愚，劉志宇.客車側(cè)翻試驗［J］.四川兵工學(xué)報，2010，（12）

［8］邵毅明，司紅建，查官飛.大客車側(cè)翻安全性仿真分析［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2013，（2）：6-12.

修改稿日期：2014-08-28

Computer Simulation of Rollover Test on a Coach

HaoHaizhou，F(xiàn)u Zhi
（SafetyTechnologyResearch Center，China Automotive EngineeringResearch Institute Co.，Ltd，Chongqing401122，China）

The authors simulate the rollover ofa coach accordingtothe equivalent approval method.Computer simulation ofrollover test on complete vehiclewhich is included in GB 17578-2013，and theyevaluate the practicability，the advantages and disadvantages ofthe equivalent approval method.

coach；rollover test；computer simulation

U467.1+4

B

1006-3331（2015）01-0023-03

郝海舟（1979-），男，碩士；工程師；主要從事車輛被動安全CAE仿真分析工作。