殼式客車側(cè)翻安全性仿真及其設(shè)計研究

梁卓，吳磊，沈光烈，謝義杰

（廣西科技大學(xué)汽車研究所，廣西柳州545006）

殼式客車側(cè)翻安全性仿真及其設(shè)計研究

梁卓，吳磊，沈光烈，謝義杰

（廣西科技大學(xué)汽車研究所，廣西柳州545006）

客車側(cè)翻是造成重大交通事故的主要原因之一，其側(cè)翻安全性研究是完善整車結(jié)構(gòu)性能的關(guān)鍵．為了避免或減少由于側(cè)翻事故中客車上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足而導(dǎo)致的傷亡損失，對多層鈑金全承載結(jié)構(gòu)的客車進(jìn)行側(cè)翻仿真及試驗研究．在仿真結(jié)果分析中，對客車側(cè)翻安全性進(jìn)行評定，并提出改進(jìn)方案進(jìn)而做出合理的驗證，最終完成整車結(jié)構(gòu)的安全性設(shè)計，有效地提高了客車的安全性能.

客車；有限元仿真；側(cè)翻；上部結(jié)構(gòu)安全

0　引言

隨著人們生活水平的提高，客車的使用越來越多．在交通事故中，側(cè)翻的死亡率非常高，具有群死群傷的特點，側(cè)翻安全性的研究具有重要的現(xiàn)實意義．客車安全性的研究在國外日臻完善，具有代表性的安全法規(guī)體系有美國FMVSS系列、歐洲EEC和ECE系列，我國的相關(guān)法規(guī)也不斷修訂，在頒布的最新法規(guī)中將客車側(cè)翻安全性研究納入強(qiáng)制性的認(rèn)證檢測項目．

根據(jù)法規(guī)GB 17578-2013對多層鈑金全承載結(jié)構(gòu)的某客車進(jìn)行計算機(jī)模擬整車全程側(cè)翻試驗，借助CAE分析，經(jīng)過多次的設(shè)計、校核和改進(jìn)，最后使得實車試驗通過客車側(cè)翻安全性實驗，可供客車行業(yè)參考．

1　法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)［1］

2013年9月18日，國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局、國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會批準(zhǔn)發(fā)布《客車上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求及試驗方法》（GB 17578-2013）強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)，并于2014年7月1日正式實施．對于客車側(cè)翻安全性研究試驗，國家的這項法規(guī)屬性是強(qiáng)制性的，代替了之前推薦性的客車側(cè)翻安全性標(biāo)準(zhǔn)《客車上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的規(guī)定》（GB／T17578－1998），其主要變化多達(dá)22項．表明了國家對客車側(cè)翻安全性的高度重視，這也對國內(nèi)各個汽車企業(yè)提出了更高的要求．

1．1新舊法規(guī)的主要變化

我國在側(cè)翻安全性的舊法規(guī)為《客車上部結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要求》（GB／T17578－1998），新法規(guī)GB17578-2013主要改變的內(nèi)容有：

1）新法規(guī)的屬性由推薦性改為強(qiáng)制性；

2）新法規(guī)改變了加載質(zhì)量：要求在每個裝有乘員約束裝置的座椅上加載乘員質(zhì)量的50％；

3）新法規(guī)要求的范圍變大：用于M2類和M3類中的Ⅱ級、Ⅲ級及乘客數(shù)大于16人的B級客車，包括臥鋪客車．

1．2新法規(guī)的難度增加

1）以往的側(cè)翻研究多為骨架式車身，對于多層焊接沖壓件的側(cè)翻研究極少有報道．有限元法作為分析工程問題的數(shù)值計算方法，其核心思想是將結(jié)構(gòu)的求解域離散為有限個單元，并通過它們邊界上的節(jié)點相互連接為組合體．骨架式車身結(jié)構(gòu)只是通過單層的單元模擬，受力是連續(xù)的，而本次研究的客車結(jié)構(gòu)為多層焊接沖壓件，這就決定了大變形動態(tài)仿真中的受力特性的復(fù)雜性，大量的焊接及接觸問題的處理增加了難度．

2）新法規(guī)要求增加乘員質(zhì)量，對于多層焊接沖壓件的車身提出了相當(dāng)苛刻的要求．

2　客車側(cè)翻有限元模型及仿真設(shè)置

客車側(cè)翻碰撞是一個非常復(fù)雜的瞬間動態(tài)物理過程，即問題的求解涉及到典型的動態(tài)接觸問題．動態(tài)顯式求解算法已成為汽車被動安全性研究中占比較優(yōu)勢的方法之一，它能夠有效處理高度復(fù)雜的三重（材料、幾何、邊界）非線性問題［2］．為了后續(xù)的研究工作做好充分準(zhǔn)備，盡可能準(zhǔn)確反映客車實際結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，建立合理的有限元模型是整個研究過程的關(guān)鍵性前提．目前，由于有限元方法在非線性分析中取得了很大進(jìn)展，以及一批大型通用的非線性分析程序進(jìn)入實際應(yīng)用，本文根據(jù)GB17578-2013，在AltairHyper-Mesh軟件中搭建有限元模型，求解器采用主流的非線性顯式動力學(xué)分析軟件LS－DYNA．

2．1模型的建立

本文研究的客車是由多層薄板沖壓件焊接而成，其尺寸變化大、空間結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，特別是底盤結(jié)構(gòu)，碰撞時對外載及邊界條件特別敏感［3］．在充分考慮計算規(guī)模、效率和計算精度的基礎(chǔ)上，客車車身結(jié)構(gòu)選用了限定值10mm的殼單元進(jìn)行仿真．對于分析過程中，變形很小的部件如發(fā)動機(jī)，則將其定義為剛體，所采用的方式為將剛性材料賦予代表發(fā)動機(jī)的單元即可．板簧、吊耳、吊耳支座等零件對于上部安全性分析結(jié)果影響不大，模型中將其忽略．由于模型中不使用玻璃模型，具體的質(zhì)量通過施加點質(zhì)量到安裝玻璃的邊緣，電氣管路、空調(diào)、乘客、等根據(jù)其位置施加點質(zhì)量在相應(yīng)的地方．整車有限元模型如圖1所示．

針對客車側(cè)翻碰撞的力學(xué)特性，鈑金件及底盤件的材料采用了彈塑性材料模型進(jìn)行了仿真試驗，選擇彈塑性材料模型來模擬鋼材的力學(xué)行為［4］，在軟件中選擇Mat－24進(jìn)行相關(guān)編輯，材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線由廠家提供．發(fā)動機(jī)等部件是基本不變形的，可設(shè)為剛性材料［5］，剛性材料選用材料Mat－20．鈑金件之間大量的連接采用點焊形式，點焊材料選用材料Mat－100，通過編輯其屬性來模擬焊點的破壞和斷裂模式.其材料相關(guān)特性參數(shù)如表1所示．

按照法規(guī)GB17578－2013要求以及參照實車試驗場的情況，對翻轉(zhuǎn)平臺、碰撞地面及生存空間進(jìn)行有限元模擬，均采用剛性材料M at-20進(jìn)行簡化．其中生存空間有限元模型如圖2所示．

2．2邊界條件

圖1　整車有限元模型Fig.1 Finite elementmodel of the comp lete vehicle

表1　材料特性參數(shù)Tab．1 Property parametersof m aterials

圖2　生存空間的有限元模型Fig．2 Finite e lement m odel o f the r esidualspace

1）確定臨界翻轉(zhuǎn)角.為了減少整車側(cè)翻的計算時間，把仿真的初始位置設(shè)在臨界不平衡位置，從水平位置翻轉(zhuǎn)至不平衡位置的角度即是臨界翻轉(zhuǎn)角.在Hyper-Mesh中按照質(zhì)心位置的數(shù)據(jù)通過創(chuàng)建點的方式標(biāo)記出來，將整個模型繞翻轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，最終使整車質(zhì)心位置適當(dāng)越過垂直平面.

2）翻轉(zhuǎn)平臺始終約束在臨界不平衡位置，按照法規(guī)試驗程序要求，給整車模型施加初始角速度0．087 rad／s．

3）給整車模型設(shè)置重力加速度，本文以重力加速度的形式對其施加［6］，大小取9．8m／s2．

2．3仿真參數(shù)的設(shè)置

在進(jìn)行客車側(cè)翻碰撞的仿真中，為了合理的分析結(jié)構(gòu)的受力特性，要對單元計算公式、接觸、沙漏控制、時間步長及質(zhì)量縮放等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行合理的設(shè)置，確保整個求解過程的穩(wěn)定性以及仿真結(jié)果的可靠性［7］．

3　全程側(cè)翻仿真及剛?cè)徂D(zhuǎn)換技術(shù)的應(yīng)用

由于客車在觸地之前對于上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度沒有任何損傷，為了節(jié)省計算成本，側(cè)翻分析從觸地瞬間開始計算分析，直至變形完成．其方法是測量車身側(cè)翻臨界狀態(tài)與碰地瞬間的重心高度差，根據(jù)能量換算的辦法求出觸地時的角速度，之后在軟件中定義該角速度和重力加速度作為邊界條件，進(jìn)行計算．即“不完整”的半程側(cè)翻仿真分析.經(jīng)過查詢國內(nèi)外的大量文獻(xiàn)資料，發(fā)現(xiàn)采用的大多為半程計算，這是目前比較通用的方法．其主要原因是受限于計算機(jī)的計算成本，全程側(cè)翻仿真的計算量是巨大的．

文獻(xiàn)［8］中論證了全程側(cè)翻仿真是具有優(yōu)勢的，具體分析了全程與半程側(cè)翻仿真的結(jié)果，最終指出，采用全程側(cè)翻仿真獲得的結(jié)果更具一致性，從減少數(shù)據(jù)計算的誤差，增加計算過程的穩(wěn)定性等方面考慮，建議盡可能采用全程側(cè)翻仿真．

為了保證仿真計算的正確性、保證符合真實的物理過程，采用了全程側(cè)翻仿真．另外，整車側(cè)翻有限元模型采用限定值10mm劃分網(wǎng)格，又進(jìn)一步保證了計算精度，但也進(jìn)一步造成了整個模型的計算規(guī)模、計算時間的急劇增加．整個側(cè)翻仿真的難點在于怎么提高效率、縮減計算量，針對這個難點，在高配置計算機(jī)硬件的前提下，采用了剛?cè)徂D(zhuǎn)換的技術(shù)，來彌補(bǔ)計算量急劇增加的不足，大大提高了效率和仿真結(jié)果的真實性．所謂的“剛?cè)徂D(zhuǎn)化”，其主要思想是：在顯式積分中，剛體的計算效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于柔性體，整車在空中翻轉(zhuǎn)的過程中，也即觸地之前，把車體轉(zhuǎn)化為剛性體，這樣可以最大限度的節(jié)約仿真計算時間，以提高效率；而當(dāng)車身即將碰地時，將車身由剛性體轉(zhuǎn)化為柔性體．

4　客車側(cè)翻安全性仿真分析及其改進(jìn)設(shè)計

4．1仿真結(jié)果分析及乘員生存空間評價

圖3　側(cè)翻全程能量曲線Fig．3 e nergy plots o f thewhole calculation of r ollover

全程側(cè)翻仿真能量曲線如圖3所示，在整車側(cè)翻碰撞動態(tài)仿真趨于穩(wěn)定狀態(tài)時，整車變形也基本結(jié)束，各能量趨于穩(wěn)定狀態(tài)．其中，沙漏能始終低于總能量的5％，認(rèn)為計算結(jié)果是穩(wěn)定、可靠的，從側(cè)翻全程能量曲線變化可知，仿真結(jié)果是符合真實的物理邏輯要求的．

由仿真結(jié)果可知，車身結(jié)構(gòu)最大變形時，也即動能達(dá)到最小值時，生存空間已經(jīng)被侵入，如圖4所示，其中B，C，D柱的生存空間侵入量曲線如圖5所示．

其中，B柱的最大侵入量達(dá)到了130mm；C柱的最大侵入量為45mm；D柱未侵入，尚有余量10mm.所以，整車側(cè)翻碰撞仿真不能滿足客車側(cè)翻碰撞安全性要求，依照法規(guī)不能通過側(cè)翻試驗，需要針對分析結(jié)果再進(jìn)行合理的改進(jìn)．

4．2整車結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計

圖4　侵入量最大時的變形情況Fig．4 deformation of the maximum amount of intrusion

圖5　安全空間剩余量Fig．5 The remaining amount of residual space

為了使整車側(cè)翻安全性能達(dá)標(biāo)，通過對仿真結(jié)果分析，對整車結(jié)構(gòu)進(jìn)行了多種方案的改進(jìn)設(shè)計：1）改進(jìn)立柱上的連接板，其厚度由1．5mm改為2mm；2）司機(jī)門和乘客門A柱的改進(jìn)，其加強(qiáng)板改為封閉結(jié)構(gòu)；3）將前風(fēng)窗下橫梁兩端的孔封起來，橫梁厚度由1mm改為1．5mm，材料由DC01（屈服強(qiáng)度為185MPa）改為SAPH370（屈服強(qiáng)度為289MPa），或者改用其他強(qiáng)度類似的材料．前風(fēng)窗上橫梁的工藝焊接口也封起來；4）將司機(jī)門一側(cè)B柱底部、前擋上橫梁的工藝焊接口封起來，其內(nèi)板下拉至地板以下．

整車結(jié)構(gòu)在最終改進(jìn)設(shè)計之后，再進(jìn)行仿真分析，其中改進(jìn)前后的侵入量可以進(jìn)行比較，如表2所示，可以直觀的分析出其安全性得到了很大提高．

表2　改進(jìn)前后的侵入量比較Tab．2 The comparison of intrusion before and after improvement mm

5　實車試驗情況及結(jié)果分析

在上章改進(jìn)設(shè)計后的整車側(cè)翻碰撞仿真中，最大的生存空間侵入量為B柱的35mm，改進(jìn)后的車身骨架得到最大限度的加強(qiáng)，而分析了試驗實車和仿真模型的區(qū)別后，發(fā)現(xiàn)實驗車比仿真模型具有諸多的抗側(cè)翻有利因素，側(cè)翻成功的可能性很大.于是大膽地進(jìn)行了實驗車翻車．

通過將實車試驗的高速攝像動畫與仿真過程的動畫進(jìn)行對比，具有很高的吻合度，仿真與實車試驗的物理邏輯是相符的，如圖6所示．

在實驗車的安全空間侵入量的測量分析中，取最危險的B柱測點作為說明，B柱仍然有100mm的剩余空間，如圖7所示，整車上部安全性實驗是合格的，側(cè)翻實驗通過．

圖6　實驗車與仿真模型側(cè)翻對比Fig．6 The comparison of test vehicle and FEA model

6　結(jié)論

根據(jù)GB17578-2013，針對多層鈑金全承載結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，客車側(cè)翻安全性仿真采用全程計算，以保證符合真實的物理過程，從而保證計算的正確性，其中，剛?cè)徂D(zhuǎn)換關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用保證了計算的高效性．經(jīng)過分析仿真結(jié)果，對整車結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，其安全性能得到了最大限度的提高．

研究計算機(jī)仿真為指導(dǎo)，對實車進(jìn)行了側(cè)翻試驗，生存空間未被侵入，滿足了上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，側(cè)翻實驗通過．

利用計算機(jī)仿真不僅降低了研發(fā)成本又縮短了設(shè)計周期，這對客車行業(yè)的結(jié)構(gòu)設(shè)計及其安全性評價等很有參考意義．

圖7　實驗車的安全空間（單位：mm）Fig.7 The residual space of test vehicle（unit：mm）

［1］中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB17578－2013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］饒建強(qiáng)，陳吉清，蘭鳳崇，等．側(cè)翻工況下客車頂蓋碰撞強(qiáng)度的仿真分析［J］．機(jī)械設(shè)計，2010（7）：15－19．

［3］謝素明，趙偉，陳秉智，等．客車車身結(jié)構(gòu)側(cè)翻過程數(shù)值模擬［J］．大連交通大學(xué)學(xué)報，2010，31（2）：1－4．

［4］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．

［5］亓文果．基于ECER66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．

［6］韋志林，黃昶春，李波，等．基于LS—DYNA的兩種客車側(cè)翻模型比較［J］．廣西科技大學(xué)學(xué)報，2014，25（1）：59－62．

［7］李臣，周煒，司景萍，等．客車側(cè)翻的上部結(jié)構(gòu)安全性仿真研究［J］．機(jī)械設(shè)計與制造，2009（8）：216－218．

［8］林志立．客車有限元模型對側(cè)翻仿真結(jié)果的影響［D］．柳州：廣西科技大學(xué)，2015．

（學(xué)科編輯：張玉鳳）

Safety and forward design of shell-type bus based on the rollover simulation

LIANG Zhuo，WU Lei，SHEN Guang-lie，XIE Yi-jie
（Research Institute of Automotive Engineering,Guangxi University of Science and Technology,Liuzhou 545006,China）

Bus rollover is one of the main reasons that cause a serious traffic accident,safety study of the rollover is a key to improve the performance of the vehicle structure.In order to avoid or reduce the rollover accident casualty losses resulted from the insufficient strength of the superstructure of bus,under the new requirements,bus rollover simulation and experimental research are performed on the all-bearing structure with multilayer sheet metal.In the results of simulation analysis,we evaluate the safety of bus rollover,and propose improvement plans and then make reasonable validation,and finally complete the forward design of vehicle structure,which makes the real vehicle test through the experiment of the superstructure safety and effectively improves the performance of the vehicle rollover safety.

bus；finite element simulation;rollover;superstructure safety

U469．1

A

2095-7335（2016）04-0045-05

10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2016.04.009

2016－05－15

廣西科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計劃項目（桂科攻1598007－29）資助．

梁卓，碩士，研究方向：車輛結(jié)構(gòu)工程，E－mail：543784765＠＠qq．com．