客車正面碰撞車身結(jié)構(gòu)耐撞性分析與改進(jìn)

吳長(zhǎng)風(fēng)，那景新，楊佳宙，蘇 亮，盧琳兆

(1．吉林大學(xué)汽車仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130022;2．廈門金龍聯(lián)合汽車工業(yè)有限公司，福建廈門 361023)

據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)客車肇事發(fā)生的交通事故占整個(gè)道路交通事故的40%～50%，其中客車發(fā)生正面碰撞的事故占其中的50%～60%［1－2］。而國(guó)內(nèi)外大客車的碰撞安全法規(guī)主要是上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求，對(duì)于前碰撞的相關(guān)法規(guī)各國(guó)都還在探索中。

歐洲ECBOS項(xiàng)目、英國(guó)考文垂大學(xué)、奔馳客車公司等都進(jìn)行了大客車整車CAE模擬分析與商用車擺錘測(cè)試［3－5］。2007 年，美國(guó) NHTSA 進(jìn)行了一款 13.7 m大客車正面碰撞試驗(yàn)，碰撞速度為48 km/h，測(cè)試客車碰撞對(duì)乘員的傷害情況［6］。國(guó)內(nèi)有關(guān)學(xué)者也對(duì)大客車耐撞性CAE仿真與結(jié)構(gòu)改進(jìn)進(jìn)行了研究［7－8］。2012年，交通部《西部課題》項(xiàng)目中，大金龍進(jìn)行了“中國(guó)客車第一碰”，并初步形成了國(guó)內(nèi)大客車前碰撞測(cè)試與評(píng)價(jià)方法［9－11］。2014年，交通部下達(dá)了大客車的前碰撞標(biāo)準(zhǔn)的編制要求，項(xiàng)目組對(duì)8輛大客車、4輛輕型客車進(jìn)行前碰撞測(cè)試研究，并形成了行業(yè)推薦標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)已進(jìn)入送審階段［1，12］。

本文以一款12 m承載式公路客車為研究對(duì)象，進(jìn)行實(shí)車碰撞測(cè)試與CAE分析，研究車身結(jié)構(gòu)吸能、傳力以及乘員加速度波形特點(diǎn)，并提出改進(jìn)方案。

1 整車碰撞測(cè)試

整車采用30 km/h的速度進(jìn)行100%正面碰撞，碰撞剛性墻高度為4 m，足夠覆蓋大客車前部截面。駕駛員座椅處采用商用車泡沫假人，用以測(cè)量駕駛員生存空間的侵入情況，乘員第一排放置4個(gè)50%測(cè)試假人，考察假人傷害情況［1］。

測(cè)試車輛整備質(zhì)量為14 t，是目前公路客運(yùn)的主力車型。碰撞結(jié)束后，整車前圍變形較大，變形區(qū)域持續(xù)到第一塊側(cè)窗玻璃，導(dǎo)致左右第一側(cè)窗玻璃破碎，其他側(cè)窗玻璃完好，如圖1所示。

圖1 測(cè)試車輛碰撞后情況

2 有限元模型的建立與驗(yàn)證

2.1 有限元模型的建立

為保證仿真分析的準(zhǔn)確性并縮短計(jì)算時(shí)間，對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理［13］。車身主要采用殼單元，底盤(pán)件采用一維梁?jiǎn)卧c實(shí)體單元;根據(jù)碰撞變形特點(diǎn)細(xì)化前部模型。最終得到的客車有限元模型如圖2所示，其中殼單元總數(shù)1 853 623個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù) 1 851 570個(gè);三角單元16 621個(gè)，未超過(guò)5%。車身骨架主要采用20#鋼、Q345以及Q700高強(qiáng)鋼，分別從同一批次方鋼型材上截取試件，進(jìn)行6組應(yīng)變率下的應(yīng)力應(yīng)變曲線測(cè)試，并轉(zhuǎn)化為真實(shí)的應(yīng)力應(yīng)變曲線代入模型進(jìn)行計(jì)算。

圖2 客車有限元模型

2.2 仿真分析結(jié)果與模型驗(yàn)證

大客車耐撞性主要考核駕駛員生存空間以及乘客區(qū)第一排的乘員傷害，故整車碰撞中的前部變形和加速度波形是重點(diǎn)。本文主要通過(guò)對(duì)比碰撞中前部變形、駕駛員生存空間以及前部加速度來(lái)驗(yàn)證CAE模型。

1)前部變形。CAE分析和試驗(yàn)得到的整車變形如圖3所示。大客車前部變形較大，尤其在前軸之前的結(jié)構(gòu)，蒙皮以及前擋玻璃均損壞，第一側(cè)窗玻璃破損，其他側(cè)窗玻璃完好。仿真分析的總體變形模式與實(shí)車碰撞較為接近。

圖3 仿真分析與試驗(yàn)變形對(duì)比

2)駕駛員生存空間。試驗(yàn)中很難測(cè)得駕駛員生存空間的最大侵入量，只有通過(guò)查看碰撞結(jié)束后方向盤(pán)上的油漆是否與泡沫假人發(fā)生接觸，并測(cè)量此刻方向盤(pán)以及轉(zhuǎn)向管柱與泡沫假人的距離。本次試驗(yàn)的泡沫假人被方向盤(pán)壓縮，可以判斷駕駛員生存空間已經(jīng)被侵入，見(jiàn)圖4(a)。仿真分析則可定位最大侵入時(shí)刻，本次仿真分析得知方向盤(pán)z方向侵入25 mm、x方向侵入86 mm，見(jiàn)圖4(b)。

圖4 駕駛員生存空間對(duì)比

3)前部碰撞加速度。大客車車身縱向長(zhǎng)度比較長(zhǎng)，正面碰撞變形主要集中于前部，因此測(cè)試駕駛員側(cè)的加速度信號(hào)可以有效考核整車前部碰撞的沖擊程度。

以前圍接觸剛性墻為0時(shí)刻，試驗(yàn)與仿真的加速度對(duì)比情況如圖5所示，其中2個(gè)主要的峰值數(shù)值與波形趨勢(shì)仿真與實(shí)際測(cè)試具有較好的對(duì)應(yīng)，數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表1。

圖5 試驗(yàn)與仿真的加速度曲線對(duì)比

表1 駕駛員側(cè)加速度曲線關(guān)鍵指標(biāo)對(duì)比

通過(guò)分析表明該CAE模型具有一定的工程精度，可用于車身結(jié)構(gòu)的耐撞性深入分析與優(yōu)化。

2.3 結(jié)構(gòu)耐撞性總體評(píng)價(jià)

因車輛前部為平頭結(jié)構(gòu)，縱向緩沖距離非常有限，吸能盒后部桿件沒(méi)有進(jìn)行有效的傳力設(shè)計(jì)，導(dǎo)致橫梁中部彎曲變形，中間2個(gè)吸能盒未完全潰縮，吸能效果較差;前部剛度不足也導(dǎo)致前部變形大，前圍橫梁直接與駕駛員轉(zhuǎn)向支架碰撞，并推動(dòng)方向盤(pán)與轉(zhuǎn)向管柱侵入駕駛員生存空間;而加速度曲線呈現(xiàn)出2個(gè)明顯的突出波峰，峰值均超過(guò)30g，對(duì)乘員保護(hù)較為不利。故有必要分析前部主要桿件的變形、吸能以及結(jié)構(gòu)的傳力路徑，針對(duì)結(jié)構(gòu)的變形模式、吸能情況進(jìn)行桿件的變形與吸能控制，以提高結(jié)構(gòu)的吸能緩沖能力。

通過(guò)統(tǒng)計(jì)行李艙之前的所有前部365個(gè)桿件吸能以及SEA(比吸能，即單位質(zhì)量吸收的能量)，可知前60個(gè)桿件，吸收了302.2 kJ，占前部365個(gè)桿件吸能的78.63%，其中底架桿件吸能超過(guò)80%，其變形如圖6所示。

圖6 前部60個(gè)主要變形吸能桿件分布

3 車身結(jié)構(gòu)耐撞性改進(jìn)

3.1 改進(jìn)思路

基于以上分析，提出如下改進(jìn)思路:

1)增加前圍剛度、控制車架前段尤其是駕駛臺(tái)前段骨架潰縮距離，以減小方向盤(pán)支架的沖擊力。

2)駕駛區(qū)底架結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，縱梁桁架結(jié)構(gòu)的上下、左右側(cè)應(yīng)增加斜撐連接;加速度波形峰值有較多突出上限，則需要提高前部吸能盒潰縮變形，尤其是中部2個(gè)吸能盒的潰縮。

3)增加車架前段桁架中部吸能盒后部骨架，將沖擊力向后傳遞。將潰縮變形主要控制在駕駛員座椅前端，遠(yuǎn)離乘客區(qū)域，并減小駕駛區(qū)的變形，保證駕駛員的生存空間。

3.2 改進(jìn)效果

對(duì)比最大變形時(shí)刻變形情況如圖7，前部結(jié)構(gòu)變形得到控制，碰撞過(guò)程中方向盤(pán)及管柱沒(méi)有侵入駕駛員生存空間，方向盤(pán)管柱距離生存空間最小距離x方向從原先的侵入86 mm變?yōu)殚g隔距離33 mm;前部吸能盒充分作用，尤其中部吸能盒也發(fā)生潰縮變形。

圖7 改進(jìn)前后最大變形時(shí)刻的變形量對(duì)比

改進(jìn)前后駕駛員側(cè)加速度曲線對(duì)比如圖8所示，對(duì)比曲線的關(guān)鍵指標(biāo)最大加速度、平均加速度以及加速度均方根三大指標(biāo)評(píng)價(jià)車身碰撞安全性［14］，改進(jìn)后，前部碰撞沖擊峰值從原先的43.21g降低為33g，降低23.63%，加速度均方根減小了6.51%，波形效率更高了，具體指標(biāo)見(jiàn)表2。

圖8 改進(jìn)前后駕駛員側(cè)加速度對(duì)比

表2 加速度關(guān)鍵指標(biāo)對(duì)比

4 結(jié)論

本文針對(duì)承載式公路客車車身前部30 km/h碰撞結(jié)構(gòu)耐撞性進(jìn)行試驗(yàn)與仿真分析研究，并對(duì)仿真模型有效性進(jìn)行驗(yàn)證，研究分析車身結(jié)構(gòu)吸能性、傳力路徑特點(diǎn)，并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)，提高了結(jié)構(gòu)的耐撞性，并得出以下結(jié)論:

1)通過(guò)對(duì)比前部主要變形模式、駕駛員生存空間侵入情況以及加速度波形，進(jìn)行仿真模型的有效性驗(yàn)證。

2)通過(guò)對(duì)車身前部主要吸能桿件進(jìn)行吸能統(tǒng)計(jì)與比較，總結(jié)車身前碰撞的主要變形模式、吸能情況與傳力路徑。

3)針對(duì)上述結(jié)構(gòu)耐撞性分析，提出了前部結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案，并對(duì)比前后變形量與加速度情況，結(jié)構(gòu)耐撞性有了較大的提升。

修改稿日期:2018－05－28