基于側(cè)翻安全的10米公路客車車身設(shè)計(jì)與優(yōu)化研究

李飛

摘 要：客車側(cè)翻安全是客車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中很重要的研究部分，本文通過(guò)有限元分析手段優(yōu)化車身結(jié)構(gòu)，旨在總結(jié)影響客車車身結(jié)構(gòu)側(cè)翻安全的關(guān)鍵因素，掌握客車側(cè)翻性能設(shè)計(jì)規(guī)律及典型結(jié)構(gòu)，為國(guó)內(nèi)客車廠家和科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行類似改進(jìn)設(shè)計(jì)提供借鑒，為未來(lái)客車產(chǎn)品的發(fā)展提供技術(shù)支持和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：封閉環(huán)側(cè)翻特性；客車車身設(shè)計(jì)；優(yōu)化

中圖分類號(hào)： U463 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1673-1069（2016）31-196-2

0 引言

過(guò)去在設(shè)計(jì)客車車身結(jié)構(gòu)時(shí)，若車身結(jié)構(gòu)不滿足強(qiáng)度、剛度要求，往往就只在薄弱的部位加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，使整車能夠通過(guò)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)要求，并沒(méi)有系統(tǒng)研究哪些因素是影響客車側(cè)翻的關(guān)鍵因素。這樣做不但對(duì)客車車身輕量化造成不利影響，還會(huì)給整車工藝性等其他方面帶來(lái)問(wèn)題。

近些年，國(guó)內(nèi)許多高校科研機(jī)構(gòu)和客車企業(yè)都開(kāi)始對(duì)客車側(cè)翻做相關(guān)的技術(shù)研究，結(jié)合有限元仿真方法提出了一系列優(yōu)化客車側(cè)翻性能的有效方法，并優(yōu)化車身結(jié)構(gòu)，提高客車側(cè)翻性能，減小乘員的傷害。GB17578-2013《客車上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求及試驗(yàn)方法》已于2014年7月1日正式實(shí)施，這對(duì)客車側(cè)翻提出了更加嚴(yán)格的要求?？蛙噦?cè)翻碰撞的試驗(yàn)條件會(huì)更加嚴(yán)苛，國(guó)內(nèi)客車行業(yè)對(duì)客車上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的研究也會(huì)更加深入。

1 側(cè)翻試驗(yàn)

GB17578-2013《客車上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求及試驗(yàn)方法》于2014年7月開(kāi)始實(shí)施，法規(guī)中要求“車輛的上部結(jié)構(gòu)應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度，以確保在整車側(cè)翻試驗(yàn)過(guò)程中和側(cè)翻后生存空間沒(méi)有受到侵入”；同時(shí)，“在每個(gè)裝有乘員約束裝置的座椅上加載，加載質(zhì)量為：每個(gè)成員質(zhì)量的50%”，這一規(guī)定已于2015年7月正式實(shí)施。法規(guī)要求的具體試驗(yàn)方法如下。

1.1 基本試驗(yàn)

將懸架鎖止的客車車身置于可傾斜的平試驗(yàn)臺(tái)上，對(duì)于裝有乘員約束系統(tǒng)的客車而言，按照整車總有效質(zhì)量（車輛空載質(zhì)量與乘員質(zhì)量的一半）加載，再慢慢將試驗(yàn)臺(tái)傾斜到一個(gè)不穩(wěn)定的平衡位置，開(kāi)始試驗(yàn)?？蛙囓嚿韽脑囼?yàn)臺(tái)翻轉(zhuǎn)碰撞到平整堅(jiān)硬的水平面上，直至客車結(jié)構(gòu)不再發(fā)生變形，試驗(yàn)結(jié)束。試驗(yàn)過(guò)程如圖1所示。

1.2 車身段側(cè)翻試驗(yàn)

要求所測(cè)試的車身段必須是具有代表性的，車身段至少有兩個(gè)隔間，其中一個(gè)位于整車縱向質(zhì)心的前部，一個(gè)位于整車縱向質(zhì)心的后部，并且還要包含結(jié)構(gòu)強(qiáng)度最弱的隔間，質(zhì)量最大的隔間和生存空間要求最苛刻的隔間。車身段的配重應(yīng)能反應(yīng)車身段的能量吸收能力，重心位置應(yīng)與整車重心相同。車身段側(cè)翻試驗(yàn)過(guò)程與基本試驗(yàn)過(guò)程相同。

1.3 根據(jù)測(cè)試部件進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)計(jì)算

設(shè)定一個(gè)負(fù)荷承受體，應(yīng)該包括塑性變形區(qū)和塑性鉸鏈，并且上部結(jié)構(gòu)應(yīng)與實(shí)車尺寸相同。試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，要保證加載板與上部結(jié)構(gòu)的接觸位置，保證載荷的傳遞正確。作用載荷應(yīng)與車輛的垂直縱向中心面有一個(gè)夾角a，

1.4 計(jì)算機(jī)模擬整車側(cè)翻試驗(yàn)

建立數(shù)學(xué)模型，其總質(zhì)量和質(zhì)心位置應(yīng)與試驗(yàn)車輛一致，質(zhì)量分布也應(yīng)與試驗(yàn)車輛相同。測(cè)試的主要部位為車身骨架的兩側(cè)接頭位置對(duì)其施加靜態(tài)或動(dòng)態(tài)載荷，測(cè)試數(shù)學(xué)模型的變形或破壞。評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)為乘員的生存空間是否被侵入，生隨著有限元技術(shù)的不斷發(fā)展，在設(shè)計(jì)階段采用有限元方法不但可以縮短設(shè)計(jì)周期、減少成本，還有良好的重復(fù)性和適應(yīng)性。

2 基于封閉環(huán)側(cè)翻特性的客車車身優(yōu)化設(shè)計(jì)

矩形截面閉口薄壁梁是組成客車車身結(jié)構(gòu)的常用桿件形式，在截面周長(zhǎng)和材料不變的情況下，薄壁梁的高寬比和板厚是決定其性能的主要參數(shù)，這兩個(gè)參數(shù)的變化直接影響薄壁梁的受力特征和輕量化效果，進(jìn)而影響整車的碰撞安全性能。

在材料力學(xué)角度，考察薄臂梁在彈性階段的抗變形能力的兩個(gè)性能指標(biāo)是彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度，這兩個(gè)指標(biāo)表示梁在承受彎曲載荷和扭轉(zhuǎn)載荷時(shí)在彈性階段抗變形的能力。車身在瞬間遭受重大載荷時(shí)，變形會(huì)超出彈性階段進(jìn)入到非線性變形階段，通常采用三點(diǎn)抗彎試驗(yàn)和軸向抗壓試驗(yàn)這兩種測(cè)試方式考察薄壁梁徑向和軸向兩個(gè)方向的最大壓潰力。

在封閉環(huán)結(jié)構(gòu)中，用側(cè)窗立柱在縱向平移取代側(cè)圍中立柱，從而在上部結(jié)構(gòu)形成閉環(huán)形式。由于這種結(jié)構(gòu)的改變，側(cè)圍立柱數(shù)目由8根變?yōu)?根。相關(guān)的側(cè)圍斜支撐結(jié)構(gòu)也作對(duì)應(yīng)的改變。

彎曲壓潰模式主要產(chǎn)生在側(cè)圍中立柱與艙門立柱焊接的部位，而側(cè)窗立柱中沒(méi)有形成塑性鉸。這種變形機(jī)制源于中立柱和側(cè)窗立柱橫截面尺寸和材料等級(jí)的差異。根據(jù)Kecman提出的矩形截面薄壁管彎曲理論，方管最大彎曲強(qiáng)度受薄壁截面受壓翼彈性屈曲控制，或者受相對(duì)較薄材料屈服控制。對(duì)于寬度為a，高度為b，厚度為t的截面薄壁管，受壓翼的臨界應(yīng)力為：

客車側(cè)圍的中立柱和側(cè)窗立柱的型材規(guī)格分別為50mm×40mm×3mm和60mm×40mm×3mm，材料分別為Q235和Q345。從而可以計(jì)算出各自的最大承載彎矩，即側(cè)窗立柱最大承載能力大約為中立柱的3.14倍。在側(cè)翻過(guò)程中，作用到上部結(jié)構(gòu)的沖擊載荷首先是的中立柱彎曲壓潰。除此之外，由于艙門立柱上端與中立柱焊接，起到加強(qiáng)件的作用，使得該處存在著強(qiáng)度的突變，容易觸發(fā)中立柱的彎曲變形。

合理選用材料能有效提高桿件的抗彎變形能力和壓桿穩(wěn)定性，常見(jiàn)的一種材料改進(jìn)方法：原中立柱、腰梁、頂蓋橫梁均采用屈服極限為235MPa、強(qiáng)度極限為420 MPa的低碳鋼Q235，將變形較大部件的材料更換為屈服極限為355 MPa、強(qiáng)度極限為510 MPa的高強(qiáng)度鋼W510。合理選擇截面形狀，窗立柱截面如圖3。

其抗彎截面系數(shù)：

由式可知：提高桿件的抗彎變形能力和壓桿穩(wěn)定性可以通過(guò)增加壁厚、調(diào)整截面形狀等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)封閉環(huán)矩管截面尺寸、材料、側(cè)圍立柱下部結(jié)構(gòu)、完整性和布置數(shù)量等因素對(duì)客車側(cè)翻安全的影響，客車封閉環(huán)主要設(shè)計(jì)以下內(nèi)容：

①側(cè)圍立柱截面尺寸采用60mm×40mm×3mm整車側(cè)翻性能優(yōu)于截面尺寸為50mm×40mm×3mm，但側(cè)圍立柱截面尺寸采用50mm×40mm×3mm的10米級(jí)公路客車也可以滿足側(cè)翻法規(guī)要求。

②封閉環(huán)結(jié)構(gòu)材料采用510L的側(cè)翻性能優(yōu)于Q345，Q345優(yōu)于Q235，并且10米級(jí)公路客車封閉環(huán)結(jié)構(gòu)材料采用510L和Q345均能滿足側(cè)翻法規(guī)要求。

③側(cè)圍立柱下部為斜支撐加強(qiáng)結(jié)構(gòu)與腰梁下移結(jié)構(gòu)的整車側(cè)翻性能接近，均大幅優(yōu)于無(wú)下部加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。

④合理的設(shè)計(jì)側(cè)圍立柱下部結(jié)構(gòu)，如斜支撐加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，可以保證不完整封閉環(huán)結(jié)構(gòu)達(dá)到完整封閉環(huán)結(jié)構(gòu)側(cè)翻性能。

⑤前、后圍龍門口處采用雙封閉環(huán)結(jié)構(gòu)，整車側(cè)翻能力大大提升。

⑥10米公路客車采用6道封閉環(huán)結(jié)構(gòu)可以滿足側(cè)翻法規(guī)要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)本文對(duì)當(dāng)前我國(guó)客車側(cè)翻研究現(xiàn)狀的簡(jiǎn)單介紹，確定了基于封閉環(huán)側(cè)翻特性的客車車身優(yōu)化設(shè)計(jì)，希望能對(duì)我國(guó)10米公路客車車身設(shè)計(jì)與優(yōu)化研究起到一定的幫助，保障乘客出行的生命安全。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 阮誠(chéng)心（NGUYENTHANHTAM）.基于側(cè)翻碰撞安全性的客車車身改進(jìn)設(shè)計(jì)及乘員損傷研究[D].湖南大學(xué)，2012.

[2] 周鑫美.基于側(cè)翻安全性的客車骨架設(shè)計(jì)研究[D].華南理工大學(xué)，2010.