某客車整車側(cè)翻分析及優(yōu)化方案

王煜，汪中傳

(安徽安凱汽車股份有限公司，安徽合肥 230051)

某客車整車側(cè)翻分析及優(yōu)化方案

王煜，汪中傳

(安徽安凱汽車股份有限公司，安徽合肥 230051)

根據(jù)國(guó)標(biāo)GB 17578-2013《客車上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求及實(shí)驗(yàn)方法》，基于LS_DYNA軟件對(duì)某新開(kāi)發(fā)客車車型進(jìn)行仿真分析及優(yōu)化。通過(guò)HyperMesh建立客車仿真分析模型及客車生存空間，設(shè)置初始狀態(tài)為整車翻轉(zhuǎn)與地面接觸瞬間，然后采用LS_DYNA進(jìn)行求解，通過(guò)HyperView查看結(jié)果。對(duì)生存空間侵入部分的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)或更換材料，使優(yōu)化后仿真結(jié)果達(dá)到國(guó)標(biāo)要求。

客車；側(cè)翻仿真；生存空間；優(yōu)化

0 引言

近些年，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，公共交通、旅游業(yè)增長(zhǎng)速度較快，客車保有量也在不斷增長(zhǎng)，對(duì)客車安全性的要求也越來(lái)越高，尤其是對(duì)側(cè)翻安全性逐步重視[1]。汽車側(cè)翻是指汽車在行駛過(guò)程中繞其縱軸線轉(zhuǎn)動(dòng)90°或更大角度，以至車身與地面相接觸的一種極其危險(xiǎn)的側(cè)向運(yùn)動(dòng)。很多因素可能引起汽車側(cè)翻，包括汽車結(jié)構(gòu)、駕駛員和道路條件等。作者參照GB 17578-2013《客車上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求及實(shí)驗(yàn)方法》要求，以某客車為研究對(duì)象，利用LS_DYNA對(duì)建立的客車模型進(jìn)行仿真分析。通過(guò)仿真分析得到侵入生存空間的結(jié)構(gòu)位置，對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化或材料的更換。

1 仿真模型創(chuàng)建

1.1 三維模型的創(chuàng)建

首先利用NX8對(duì)該客車進(jìn)行建模，為了使后期仿真結(jié)果盡可能地反映真實(shí)情況，整車骨架及主要零部件均按照實(shí)際尺寸進(jìn)行建模。此外根據(jù)CAE分析簡(jiǎn)化原則，對(duì)模型進(jìn)行正確合理的簡(jiǎn)化[2-3]。

1.2 有限元模型創(chuàng)建

1.2.1 模型有限元網(wǎng)格劃分

車身骨架采用殼單元，連接以節(jié)點(diǎn)重合為主，對(duì)應(yīng)規(guī)則的“T”形接頭，RigidBody為輔；線焊采用MAT100單元；動(dòng)力總成采用剛性殼單元模擬，與車身連接采用RigidPatch方式[4-5]；材料需考慮應(yīng)變率效應(yīng)。整車有限元網(wǎng)格模型如圖1所示。

圖1 整車有限元網(wǎng)格模型

1.2.2 整車配重

整車模型配重后的質(zhì)心應(yīng)與實(shí)際質(zhì)心相同，內(nèi)外飾用均布質(zhì)量點(diǎn)配重，底盤零部件和電器等部件用集中質(zhì)量點(diǎn)進(jìn)行配重。整車模型信息如表1所示，其主要總成部件質(zhì)量如表2所示。

表1 整車模型信息

表2 主要總成部件質(zhì)量

1.2.3 建立生存空間

根據(jù)GB 17578-2013《客車上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求及實(shí)驗(yàn)方法》規(guī)定建立生存空間，如圖2所示。

圖2 生存空間

1.2.4 邊界條件

圖3 邊界條件初始狀態(tài)

根據(jù)GB 17578-2013《客車上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求及實(shí)驗(yàn)方法》規(guī)定，將整車放置在一個(gè)可傾斜的側(cè)翻平臺(tái)上，將懸架鎖止，再慢慢地傾倒在一個(gè)不穩(wěn)定的平衡位置。側(cè)翻實(shí)驗(yàn)從不穩(wěn)定位

置開(kāi)始，角速度初速度為0，以車輪側(cè)翻平臺(tái)平面接觸點(diǎn)作為翻轉(zhuǎn)軸翻轉(zhuǎn)。車輛從側(cè)翻平臺(tái)翻滾撞擊在800 mm落差的水平、干燥、平整的混凝土平面上。超過(guò)臨界位置后，整車在自重力的作用下運(yùn)動(dòng)至與硬質(zhì)地面接觸，根據(jù)能量守恒定律計(jì)算得到角速度為2.32(°)/s。此次仿真為了簡(jiǎn)化邊界條件設(shè)定，采用逆向思維，使整車靜止不動(dòng)，地面翻滾撞擊車輛，其效果等同于整車翻滾跌落，邊界條件初始狀態(tài)如圖3所示，圖4為圖3轉(zhuǎn)動(dòng)后的等效翻滾圖。

2 客車側(cè)翻仿真分析

2.1 整車翻滾變形分析

該客車從接觸地面的一瞬間開(kāi)始發(fā)生變形，故從接觸瞬間開(kāi)始計(jì)時(shí)，考慮到碰撞后的反彈[6]，時(shí)間設(shè)定持續(xù)250 ms，其變形過(guò)程如圖5所示?？芍弘S著碰撞深入，變形越大，生存空間被逐漸侵入。

圖5 側(cè)翻變形圖

2.2 生存空間侵入分析

整車側(cè)圍立柱共有12根，左右側(cè)圍各6根，現(xiàn)將一側(cè)6根立柱最易侵入生存空間的點(diǎn)標(biāo)出逐一進(jìn)行測(cè)試分析，如圖6所示。

圖6 側(cè)圍立柱測(cè)點(diǎn)位置示意圖

分別對(duì)各立柱測(cè)試點(diǎn)做成員生存空間侵入曲線分析。生存空間A曲線所示最大侵入量為337.635 mm，生存空間B曲線所示最大侵入量為313.354 mm，生存空間C曲線所示最大侵入量為277.095 mm，生存空間D曲線所示最大侵入量為261.666 mm，生存空間E曲線所示最大侵入量為267.928 mm，生存空間F曲線所示最大侵入量為260.915 mm。各曲線如圖7所示。

圖7 各立柱測(cè)試點(diǎn)生存空間侵入曲線分析

基礎(chǔ)模型分析結(jié)果表明：生存空間在各個(gè)立柱均發(fā)生侵入，不能滿足國(guó)標(biāo)要求，生存空間最大侵入量為337.635 mm，發(fā)生在A柱。

3 優(yōu)化

3.1 優(yōu)化思路

從生存空間侵入曲線來(lái)看，側(cè)圍結(jié)構(gòu)偏弱，是導(dǎo)致侵入發(fā)生的主要原因，也是優(yōu)化的重點(diǎn)。該車受造型要求，側(cè)圍中間立柱沒(méi)有采用上下貫通結(jié)構(gòu)，從結(jié)構(gòu)傳力角度考慮，立柱中間出現(xiàn)不連續(xù)，會(huì)降低側(cè)翻過(guò)程中立柱整體的強(qiáng)度。此外該車側(cè)

圍立柱材料采用的是Q345，從仿真結(jié)果來(lái)看，性能偏弱。優(yōu)化思路分為兩點(diǎn)：(1)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，優(yōu)化傳力路徑，加強(qiáng)不連續(xù)處的過(guò)渡，增加連接梁，如立柱梁的環(huán)狀結(jié)構(gòu)、立柱與底架連接處的局部補(bǔ)強(qiáng)等措施；(2)考慮提升立柱材料等級(jí)，增加能量吸收[7-8]。

3.2 優(yōu)化步驟

(1)側(cè)圍上下立柱，包括形成封閉環(huán)狀的頂蓋橫梁、頂蓋上邊梁，材料升級(jí)為高強(qiáng)度鋼，屈服強(qiáng)度達(dá)720 MPa。需更改材料的骨架如圖8所示。

圖8 材料升級(jí)為高強(qiáng)度鋼的骨架示意圖

(2)側(cè)圍下立柱如圖9所示，自地板向上延伸至玻璃窗下沿，增加變形區(qū)域的吸能。

(3)側(cè)圍A立柱后面立柱向下延伸至底架，形成雙立柱，在與地板骨架連接位置加相應(yīng)斜撐,厚度3 mm、寬度60 mm，如圖10所示。

(4)側(cè)圍上立柱與底架連接處增加三角斜撐，左右對(duì)稱布置，如圖11所示。

(5)前頂蓋上方橫梁與縱梁交接處增加兩個(gè)三角斜撐,厚度2 mm，如圖12所示。

(6)前圍風(fēng)擋骨架，材料升級(jí)為高強(qiáng)度鋼，厚度從2 mm增加到3 mm，上角增加三角支撐件；后圍風(fēng)擋立柱與側(cè)圍骨架之間加彎角支撐，風(fēng)擋下角增加三角支撐件,大座椅下增加斜撐,如圖13所示。

(7)為右側(cè)圍A柱向后3片梁增加斜撐，厚度3 mm，如圖14所示。

圖9 優(yōu)化后側(cè)圍下立柱示意圖

圖10 優(yōu)化后側(cè)圍A立柱示意圖

圖11 側(cè)圍上立柱與底架連接處增加三角斜撐示意圖

圖12 前頂蓋上方橫梁與縱梁交接處增加三角斜撐示意圖

圖13 優(yōu)化后的前、后圍示意圖

圖14 右側(cè)圍A柱向后三片梁增加斜撐示意圖

3.3 優(yōu)化結(jié)果

經(jīng)過(guò)上述優(yōu)化后再次進(jìn)行仿真，所得乘員生存空間侵入曲

線如圖15所示，各立柱均無(wú)侵入生存空間，符合國(guó)標(biāo)要求。

圖15 優(yōu)化后各立柱生存空間侵入曲線示意圖

4 結(jié)束語(yǔ)

基于LS_DYNA對(duì)某車型進(jìn)行側(cè)翻研究，從優(yōu)化前后仿真結(jié)果來(lái)看：優(yōu)化后整車的安全性大大提高，尤其是高強(qiáng)度鋼的使用在側(cè)翻仿真中效果明顯，同時(shí)也能實(shí)現(xiàn)整車骨架輕量化、減排等多目標(biāo)要求。對(duì)于側(cè)翻中立柱等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)，CAE在造型階段介入更有效果，后期優(yōu)化空間大，成本也能大大降低。

【1】魏朗，劉浩學(xué)．汽車安全技術(shù)概論[M]．北京：人民交通出版社，1999．

【2】高水德，張紹理，姚常青．國(guó)外客車被動(dòng)安全研究[J]．客車技術(shù)與研究，2006,28(3)：7-10． GAO S D,ZHANG S L,YAO C Q.Study on Foreign Bus and Coach Passive Safety[J].Bus Technology and Research,2006,28(3)：7-10．

【3】嚴(yán)永攀，吳長(zhǎng)風(fēng)，蘇亮，等．全承載臥鋪客車側(cè)翻仿真分析與優(yōu)化[J]．機(jī)電技術(shù)，2012(1)：20-22．

【4】尹鴻飛．客車上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及側(cè)翻碰撞研究[D]．合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2006．

【5】王旭，蘇瑞意，范子杰．大客車結(jié)構(gòu)有限元分析及輕量化設(shè)計(jì)[J]．汽車技術(shù)，2007(7)：28-30，48． WANG X,SU R Y,FAN Z J.Finite Element Analysis and Light Weight Design for Bus Structure[J].Automobile Technology,2007(7)：28-30,48．

【6】張金換，杜匯良，馬春生，等．汽車碰撞安全性設(shè)計(jì)[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2010．

【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(jì)與制造，2009(8)：216-218． LI C,ZHOU W,SI J P,et al.The Simulation Study on Coach Superstructure Safety Based on Roll-over[J].Machinery Design & Manufacture,2009(8)：216-218.

【8】葛健，張維剛．一種新的客車側(cè)翻試驗(yàn)仿真評(píng)價(jià)方法[J]．科技導(dǎo)報(bào)(北京)，2010，28(13)：19-23． GE J,ZHANG W G.Simulation of a New Evaluation Method in the Coach Rollover Test[J].Science & Technology Review,2010,28(13)：19-23．

Rollover Analysis and Optimization Scheme for a Coach Model

WANG Yu，WANG Zhongchuan

(Anhui Ankai Automobile Co., Ltd.,Hefei Anhui 230051,China)

According to GB 17578-2013RequirementsandTestMethodsofStrengthfortheSuperstructureofBus, the simulated analysis and optimization for a newly developed coach model were conducted based on the LS_DYNA software. The coach simulation analysis model and survival space were established through the HyperMesh. The initial state was set as the moment of vehicle rollover contacting with the ground. Then LS_DYNA was used to solve and the results were checked through HyperView. Optimal improvement or material replacement was conducted for the structure of survival space intruding part. It is shown that the optimized simulation results meet the national standard requirements.

Coach; Rollover simulation; Survival space; Optimization

2017-01-10

王煜(1988—)，男，本科，助理工程師，主要從事客車CAE分析工作，包括客車結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度分析，整車側(cè)翻、碰撞分析。E-mail：1174416448@qq.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.05.001

U469.1

A

1674-1986(2017)05-001-07