客車車身骨架準靜態(tài)側(cè)翻仿真分析*

夏德偉，徐志強，施旭峰，范玉良，劉麗霞，王文靜

(遼寧忠旺集團有限公司 北京技術(shù)與發(fā)展中心,北京 100020)

0 引 言

在客車的設(shè)計中，為保證客車發(fā)生側(cè)翻時車內(nèi)乘客的人身安全[1]，要求客車車身強度滿足發(fā)生側(cè)翻碰撞時車身變形不能侵入預設(shè)的生存空間。因此，客車車身和底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計的強度和剛度直接影響著乘客和司機的安全，為了提前預知設(shè)計缺陷，降低研發(fā)成本和提高客車的安全性，利用有限元計算分析方法[2]，模擬出客車發(fā)生側(cè)翻時車身骨架的變形以及變形過程中車身是否侵入生存空間[3]，并以此來判斷客車的強度和安全性能是否達到要求[4-6]。

基于GB/T17578和ECER66法規(guī)標準，以某中型客車車身骨架結(jié)構(gòu)作為研究對象，建立其整車有限元模型，應(yīng)用有限元軟件進行準靜態(tài)側(cè)翻仿真分析，驗證車身和底盤設(shè)計的可靠性和安全性。

1 模型的建立

1.1 模型概述

模型如圖1所示，車身結(jié)構(gòu)由前后圍、左右側(cè)圍、底盤以及頂圍組成。車身材料為Q345鋼，連接方式為焊接和鉚接。

圖1 車身骨架結(jié)構(gòu)

1.2 材料屬性

客車車身和底盤材料是Q345鋼，如表1所列忽略車身次要部分，比如蒙皮、內(nèi)外飾等非承載件。

表1 車身材料屬性

1.3 單元劃分

對車身與底盤進行網(wǎng)格劃分，單元為殼單元且標準尺寸為10 mm，對于焊接部分用tie連接，鉚接處用節(jié)點耦合約束。得到整車的網(wǎng)格單元質(zhì)量如表2所列。

表2 模型單元統(tǒng)計

單元的總數(shù)約為65萬，其中三角形單元占比為1.08%，滿足有限元分析的計算要求。

1.4 邊界條件

對底盤約束四個輪子的安裝位置處(耦合點位置)，結(jié)果如圖2，約束該處節(jié)點的6個方向自由度。

圖2 約束施加區(qū)域

2 準靜態(tài)側(cè)翻分析

圖3所示為客車的側(cè)翻過程[7]示意圖。

圖3 側(cè)翻示意圖

說明：第一狀態(tài)為整車放置在水平面上時的位置，第二狀態(tài)為質(zhì)心達到最高點時的位置；第三狀態(tài)為整車側(cè)翻與地面接觸還未發(fā)生碰撞的臨界位置。

參數(shù)說明：H為整車停放在水平面上測得的上邊梁高度；A為平臺的旋轉(zhuǎn)角；R為旋轉(zhuǎn)半徑(圖中未標出)；C為車剛觸地時地面與側(cè)圍的夾角；B為第三狀態(tài)質(zhì)心與旋轉(zhuǎn)點連線與水平面的夾角；h為質(zhì)心高度；ΔH為第二狀態(tài)到第三狀態(tài)，車輛質(zhì)心在垂直方向的下降高度。

此研究中選取的客車模型長度為7 045 mm，寬度為2 050 mm，高度為2 770 mm。

2.1 仿真參數(shù)計算

(1) 車身有效質(zhì)量為整車空載質(zhì)量加半載乘客質(zhì)量，根據(jù)數(shù)模計算得出總有效質(zhì)量為5 300 kg。在實驗中選取對生存空間更危險的一側(cè)，優(yōu)先考慮右側(cè)側(cè)翻。該模擬結(jié)合實車測試，選取右側(cè)進行仿真。

(2) 整車的質(zhì)心以及平臺翻轉(zhuǎn)角

根據(jù)試驗平臺測得旋轉(zhuǎn)角為A=44.9°，該車的質(zhì)心高度為h=1 150 mm。

(3) 質(zhì)心的旋轉(zhuǎn)半徑R

根據(jù)質(zhì)心高度及旋轉(zhuǎn)角，可以計算出旋轉(zhuǎn)半徑R=1 623.6 mm。

(4) 側(cè)翻過程中質(zhì)心高度的變化

從數(shù)模中測量出上邊梁最低點和最高點的距離為315.5 mm，則上邊梁高度等于車高減去上邊梁最低點和最高點的距離。

即H=2 770-315.5=2 455 (mm)

在接觸地的瞬間，地面與客車側(cè)圍夾角為：

質(zhì)心與旋轉(zhuǎn)點連線與水平面的夾角為：

B=44.9°-19.02°=25.88(°)

(5) 根據(jù)整車質(zhì)心點到達最高點位置以及車輛與地面接觸的臨界位置，可計算出車輛從翻轉(zhuǎn)臨界位置到剛與地面接觸，質(zhì)心高度的改變量為:

ΔH=R(1-sinB)=1623.6(1-sin 25.88°)

=915 (mm)

通過計算可以得出，準靜態(tài)仿真時，車身結(jié)構(gòu)變形需要吸收的能量[8]最小為：

Emin=0.75MgΔH=0.75×5.3×9 800×915

=3.564×107(mJ)

2.2 準靜態(tài)模型搭建

2.2.1準靜態(tài)分析過程

準靜態(tài)是指模型在加載的過程中，任意時刻所經(jīng)歷的中間狀態(tài)都可以近似的視為靜力狀態(tài)。因此，當加載過程趨于緩慢時，各個時刻模型所處的狀態(tài)就可以近似的看作為靜力狀態(tài)。將準靜態(tài)用于模擬車身骨架側(cè)翻模擬中。將車身固定于平面上，用剛性平板以翻轉(zhuǎn)角的角度去碰撞車身。

2.2.2生存空間及裝配

是否侵入生存空間是評價車輛能否通過側(cè)翻實驗的最重要的指標，GB17578中有關(guān)生存空間的建立標準如圖4所示。

對于鋼制車身建立依照GB17578中有關(guān)生存空間的建立標準，建立生存空間。分為前中后三個區(qū)域，并將剛性板位置一一標出，建立如圖5所示的分析模型。剛性板與車身右側(cè)圍夾角與車身與地面碰撞時的夾角相等。

圖4 生存空間示意圖

圖5 準靜態(tài)模型

2.2.3加載速率

在進行準靜態(tài)時，需要以一定的載荷速率進行加載。時間周期是根據(jù)模型的基頻來確定，所用模型第一階模態(tài)頻率為10.226 Hz，則對應(yīng)的時間為0.098 s，準靜態(tài)的最短時間要大于0.098 s，為確保上部結(jié)構(gòu)能夠吸收3.564×107mJ，設(shè)定時間為0.1 s。

準靜態(tài)加載的速率要控制在材料波速的1%以內(nèi)，鋼的波速大約為5 000 m/s，因此加載速率要小于50 m/s，設(shè)置鋼板的總體位移為600 mm，則加載速率為v=600/0.1=6 000 mm/s=6 m/s<50 m/s，滿足準靜態(tài)的加載速度要求。在有限元分析軟件中選用簡單固定的光滑幅值曲線(smooth step)創(chuàng)建載荷幅值，并設(shè)定在t=0 s時，鋼板位移為0；t=0.1 s時，鋼板位移為600 mm。

2.3 變量輸出

在有限元分析軟件內(nèi)，設(shè)置場變量輸出以及時間歷程輸出。

場變量的輸出包括：速度v，加速度a，位移U，反力RF。

時間歷程輸出：整個模型 whole model(偽應(yīng)變能、動能、內(nèi)能、總能量)；內(nèi)能(左圍、右圍、頂圍、前圍、后圍、底架)。

3 結(jié)果評估

3.1 計算結(jié)果

根據(jù)GB17578-2013《客車上部結(jié)構(gòu)強度要求及試驗方法》[9]，通過準靜態(tài)進行仿真時，車身吸收的能量可通過力與位移的曲線求出，對鋼板輸出力與位移曲線，如圖6所示，并根據(jù)該曲線計算出車身實際吸收的能量E(力與位移所圍成的面積即為實際吸能的能量，如圖7)。

圖6 力與位移曲線

圖7 能量位移曲線

3.2 結(jié)果評估

比較E和Emin，記錄E=Emin時所對應(yīng)的位移，查看該時刻的變形所對應(yīng)的時刻，看車前部、中部和后部是否侵入了生存空間，以此來作為評判標準，即該車側(cè)翻試驗是否合格。當E=Emin時，所對應(yīng)的時間為t=45 ms，此時，車身的前中后(生存空間)所對應(yīng)的位移云圖如圖8～13所示。

從以上結(jié)構(gòu)位移圖以及變形量輸出圖可以看出，當車身結(jié)構(gòu)吸能達到要求值的時候，車身變形還未侵入生存空間，既滿足能量吸收要求的前提下，車身變形滿足安全需求。橫坐標為對應(yīng)的高度，縱坐標為該高度處對應(yīng)的距生存空間的相對變形量[10]。

圖8 t=45 ms時車前部 圖9 t=45 ms時車前部實驗 位移云圖 與模擬結(jié)果對比

圖10 t=45 ms時車中部 圖11 t=45 ms時車中部實驗 位移云圖 與模擬結(jié)果對比

圖12 t=45 ms時車后部 圖13 t=45 ms時車后部實驗 位移云圖 與模擬結(jié)果對比

該計算模型是在實車側(cè)翻試驗對應(yīng)的模型基礎(chǔ)上進行優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)，從結(jié)果可以看出，該優(yōu)化后的模型側(cè)翻分析與實車側(cè)翻試驗基本吻合，均未侵入到生存空間，并且前部側(cè)圍距離生存空間的間距與中后部位相比更小一些，這與試驗測試結(jié)果基本符合[11]。

4 結(jié) 論

通過仿真計算和實驗對比，可得出如下結(jié)論：

側(cè)翻吸能部件主要集中在接觸區(qū)域兩側(cè)，即頂圍和右側(cè)圍(模擬右側(cè)側(cè)翻)。因此，加強頂圍和側(cè)圍是加強車身側(cè)翻穩(wěn)定性的主要手段。

該模型側(cè)翻分析與實車側(cè)翻試驗基本吻合，均未侵入到生存空間，并且前部側(cè)圍距離生存空間的間距與中后部相比更小些，與試驗測試結(jié)果基本符合。

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