客車上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析及試驗(yàn)

徐曉芳，韓 健，路 斌

（中通客車控股股份有限公司，山東聊城252000）

客車上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析及試驗(yàn)

徐曉芳，韓 健，路 斌

（中通客車控股股份有限公司，山東聊城252000）

基于GB 17578-2013《客車上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求及試驗(yàn)方法》中規(guī)定的客車上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，以客車觸地時(shí)刻的角速度為仿真初始條件，對(duì)該客車進(jìn)行側(cè)翻仿真分析，提出頂蓋骨架及側(cè)圍骨架的改進(jìn)方案，使該車型順利通過側(cè)翻試驗(yàn)。

客車側(cè)翻；上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；仿真分析；試驗(yàn)驗(yàn)證

客車發(fā)生的交通事故越來越多，其中，側(cè)翻事故的死亡率是前、后碰撞事故死亡率的6倍，而且側(cè)翻事故往往會(huì)造成群死群傷的特大交通安全事故，對(duì)社會(huì)造成許多不良影響。這就要求客車上部結(jié)構(gòu)必須具備足夠的強(qiáng)度和剛度，以抵抗側(cè)翻時(shí)的沖擊和變形，確保此類事故中的乘客生命安全。

開展客車側(cè)翻安全性研究所采用的方法，可分為試驗(yàn)研究與仿真分析。側(cè)翻試驗(yàn)結(jié)果可以直觀地反應(yīng)車身在側(cè)翻過程中是否具有足夠的強(qiáng)度與剛度，但是側(cè)翻試驗(yàn)存在費(fèi)用昂貴、周期長(zhǎng)、不可重復(fù)等缺點(diǎn)。所以利用計(jì)算機(jī)仿真研究客車側(cè)翻，不僅可以縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、節(jié)約試驗(yàn)費(fèi)用，而且對(duì)客車設(shè)計(jì)及安全性評(píng)價(jià)起到很好的指導(dǎo)作用。

1 整車建模

有相關(guān)研究表明，仿真分析結(jié)果的準(zhǔn)確性、精確度和計(jì)算效率，除了與單元類型、接觸算法有關(guān)外，很大程度取決于有限元模型的簡(jiǎn)化程度、網(wǎng)格劃分精度及邊界條件的設(shè)置[1-2]。

1.1 模型簡(jiǎn)化

對(duì)客車側(cè)翻來說，碰撞部位的薄壁金屬件是主要的變形吸能部件，如兩側(cè)立柱、腰梁、頂蓋等，在建立幾何模型時(shí)，必須準(zhǔn)確反映其幾何特征，不能過于簡(jiǎn)化。對(duì)碰撞過程中變形不大或者不變形的部件，如發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器等作為剛體處理。因此，根據(jù)樣車結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和實(shí)際計(jì)算需要，在有限元建模時(shí)進(jìn)行如下簡(jiǎn)化工作[3]：

1）建模時(shí)去除結(jié)構(gòu)件上面的小孔、倒角、圓角；省略一些質(zhì)量小、吸能少的部件，如扶手、地板角鋼等。

2）省略一些對(duì)仿真結(jié)構(gòu)影響不大的零部件（電瓶、座椅、蒙皮），但是這些部件質(zhì)量較大，影響車輛質(zhì)心，應(yīng)以質(zhì)量點(diǎn)的形式將其合理均布于相應(yīng)位置。

3）發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器等體積和質(zhì)量都較大的部件，根據(jù)外形建立與實(shí)際質(zhì)量相等的實(shí)體單元，連接于車身骨架相應(yīng)節(jié)點(diǎn)上。

4）前后懸架、輪胎等對(duì)車身上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度沒有影響，但是對(duì)整車初始勢(shì)能有影響，所以用梁?jiǎn)卧蜌卧⒌雀?、等質(zhì)量的部件連接于車架相應(yīng)節(jié)點(diǎn)上。

1.2材料確定

車架采用高強(qiáng)鋼TL700，車身采用低碳鋼Q235，應(yīng)用LS-DYNA中的多線段彈塑性材料來定義。具體參數(shù)按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)加工樣件，進(jìn)行拉伸試驗(yàn)?？紤]到客車側(cè)翻是碰撞時(shí)間極短的大位移、大變形的過程，應(yīng)變率變化的快慢直接影響材料的塑形特性，應(yīng)變率增大時(shí)，材料的屈服應(yīng)力和瞬時(shí)應(yīng)力顯著增大，很容易使材料產(chǎn)生動(dòng)力硬化。因此，本文采用Cowper-Symonds擬合公式法考慮應(yīng)變率的影響，且C=40，P=5[4]。

1.3 邊界條件設(shè)定

1）發(fā)生側(cè)翻碰撞的能量主要來自客車本身的重力，故使用關(guān)鍵字LOAD_BODY_Z定義重力加速度為9 810 mm/s2，并使用關(guān)鍵字DEFINE_CURVE_TITLE定義整個(gè)仿真過程的加速度時(shí)間歷程。

2）客車從開始側(cè)翻到撞擊地面前的過程可以簡(jiǎn)化為剛體旋轉(zhuǎn)，由于整個(gè)階段不是研究的對(duì)象，根據(jù)能量守恒定律，客車臨界側(cè)翻時(shí)刻的動(dòng)能加重力勢(shì)能等于觸地時(shí)刻的動(dòng)能加重力勢(shì)能。如圖1所示。觸地時(shí)刻的角速度計(jì)算如下：

式中：EP0、EK0分別為臨界側(cè)翻時(shí)刻的勢(shì)能和動(dòng)能；EP1、EK1分別為觸地時(shí)刻的勢(shì)能和動(dòng)能；m為整車質(zhì)量，J為整車質(zhì)心處轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；W0、W1分別為臨界側(cè)翻時(shí)刻和觸地時(shí)刻整車旋轉(zhuǎn)的角速度。已知模型的m=17.965 t，h1=1 153.9 mm，W0=5°/s=0.87 rad/s，J=1.96E+04 kg·m2將以上數(shù)據(jù)帶入公式，求得W1=2.08 rad/s。

圖1 客車觸地前側(cè)翻過程

3）接觸定義。整個(gè)側(cè)翻過程中，接觸主要發(fā)生在車體與剛性地面、車體自身的自接觸。車體與剛性地面采用點(diǎn)面接觸，動(dòng)、靜摩擦系數(shù)分別為0.5與0.6；車體自身接觸采用單面接觸類型，動(dòng)、靜摩擦系數(shù)分別為0.1與0.15。

2 仿真分析

2.1 能量分析

圖2為整車模型在側(cè)翻過程中的總能量、動(dòng)能、內(nèi)能、沙漏能的時(shí)間歷程變化曲線。從車身觸地開始，車身在自身重力和慣性的作用下，質(zhì)心仍會(huì)進(jìn)一步降低，使得動(dòng)能進(jìn)一步增大。由于車身還受到地面的作用力，使部分能量轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，所以該階段動(dòng)能的增加略低于總能量的增加。在0.05 s后，動(dòng)能越來越小，內(nèi)能越來越大，在0.15 s時(shí)刻達(dá)到峰值，其后的0.2 s時(shí)刻有所反彈，之后趨至平衡穩(wěn)定，且碰撞過程中沙漏能一直低于標(biāo)準(zhǔn)要求的5%，可以認(rèn)定側(cè)翻仿真計(jì)算結(jié)果的可靠性。

圖2 側(cè)翻碰撞過程能量時(shí)間歷程曲線

2.2 仿真結(jié)果分析

側(cè)翻仿真結(jié)果最大變形如圖3所示。由圖3可以看出，車身上部在整個(gè)側(cè)翻過程中變形較大，特別是窗立柱、腰梁、頂邊縱梁、頂橫梁已經(jīng)發(fā)生了塑性變形，且吸收較多動(dòng)能。圖4為各部件的吸能曲線。

圖3 側(cè)翻碰撞過程最大變形示意圖

圖4 車身各部件吸能時(shí)間歷程曲線

根據(jù)GB 17578-2013[5]，客車安全性能的主要指標(biāo)是乘客生存空間。經(jīng)測(cè)量，0.15 s時(shí)刻車身發(fā)生最大變形，雖然側(cè)圍骨架并沒有侵入生存空間，但此時(shí)兩者之間的最小間距僅有2.1 mm?？紤]到實(shí)車會(huì)安裝內(nèi)飾以及本仿真計(jì)算的誤差，認(rèn)為該車結(jié)構(gòu)無法滿足法規(guī)要求，需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。

3 結(jié)構(gòu)改進(jìn)及效果

3.1 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

由于圖4中內(nèi)能較大的構(gòu)件主要集中在側(cè)圍骨架及頂蓋骨架，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性對(duì)客車上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有較大影響，故對(duì)側(cè)圍及頂蓋部分進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)如下[6-7]：

1）頂蓋骨架中的邊縱梁及頂彎梁在側(cè)翻中首先接觸地面，受到了非常大的接觸力，使得邊縱梁及頂彎梁產(chǎn)生了塑性變形。因此，需在該位置增加加強(qiáng)斜撐[8]，如圖5所示。

圖5 頂蓋部位結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案

2）側(cè)圍窗下沿型鋼為P型鋼，與窗立柱的連接方式?jīng)Q定了在其受到側(cè)向力時(shí)，不能提供足夠的剛強(qiáng)度，會(huì)使窗立柱產(chǎn)生較大位移。將該位置調(diào)整為立柱貫通、窗下沿?cái)嚅_的結(jié)構(gòu)[9]，能較好地提高該位置的強(qiáng)度與剛度，提高整車抵抗側(cè)翻的能力。如圖6所示。

圖6 側(cè)圍立柱部位結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案

3）該車車身上部骨架結(jié)構(gòu)是通過腰梁與底架連接的，其在仿真計(jì)算中產(chǎn)生了較大的塑性變形，是側(cè)翻未通過的關(guān)鍵因素。在該位置內(nèi)側(cè)增加一根立柱，與側(cè)圍立柱并列焊接，這種局部增加橫截面的加強(qiáng)方案，在受到側(cè)翻產(chǎn)生的側(cè)向力時(shí)，可以給上部結(jié)構(gòu)提供足夠的強(qiáng)度與剛度，以保證乘客的生存空間[10]。如圖7所示。

圖7 腰梁部位結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

3.2 改進(jìn)后的仿真及試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)于優(yōu)化改進(jìn)后的車身結(jié)構(gòu)，以相同的仿真方法對(duì)模型處理并求解。對(duì)比改進(jìn)前、后的變形圖可以明顯看出，改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)變形明顯小于改進(jìn)前的結(jié)構(gòu)變形。經(jīng)測(cè)量，改進(jìn)后側(cè)圍骨架與生存空間的最小間距達(dá)到58 mm，認(rèn)為該車結(jié)構(gòu)滿足法規(guī)要求，可以進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

改進(jìn)后的實(shí)車在國(guó)家汽車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心（襄樊）進(jìn)行側(cè)翻試驗(yàn)，經(jīng)過對(duì)變形軌的測(cè)量可知[11]，試驗(yàn)過程中，側(cè)圍骨架與生存空間之間的最小間距為69 mm。證明該車車身上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度符合GB17578-2013[5]要求。

4 結(jié)束語

側(cè)翻安全性是客車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)非常重要的因素之一，且已經(jīng)成為強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)在行業(yè)實(shí)施。利用計(jì)算機(jī)仿真模擬計(jì)算，不僅指導(dǎo)骨架設(shè)計(jì)，還可在較短時(shí)間內(nèi)重復(fù)計(jì)算驗(yàn)證，以減少客車開發(fā)過程中的試制及試驗(yàn)費(fèi)用。

[1]王富恥，張朝暉.ANSYS10.0有限元分析理論與工程應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

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修改稿日期：2016-12-13

Analysis and Test of Bus Superstructure Strength

Xu Xiaofang，Han Jian，Lu Bin
（ZhongtongBus HoldingCo.,Ltd,Liaocheng252000,China）

This article makes a roll over simulation analysis ofa coach,based on the bus superstructure strength requirements stipulated in GB17578-2013Requirements and Test Methods ofStrength for The Superstructure ofBus, takingthe coach angular velocityat the moment when the coach bodyfalls and touches the ground as the initial condition.It alsopresents the improved roofand side frame solution and finallyensures that the coach passes the test.

coach roll over;superstructure strength;simulation analysis;test and verify

U463.83+1

B

1006-3331（2017）01-0051-03

徐曉芳（1977-），女，工程師；研究方向?yàn)榭蛙嚳傮w設(shè)計(jì)。