面向側(cè)翻工況下小客車上部結(jié)構(gòu)耐撞性研究*

劉昌業(yè) 莫易敏 韋 勇 梁永彬1， 席小婷

(上汽通用五菱汽車股份有限公司1) 柳州 540057) (武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院2) 武漢 430070)

0 引 言

據(jù)公安部交管局不完全數(shù)據(jù)顯示，從2012—2014年第一季度全國共發(fā)生了534起死亡人數(shù)超過5人的特大交通事故，其中有52起側(cè)翻事故發(fā)生，且僅在2014年車輛側(cè)翻事故在特大交通事故中就占據(jù)40%，而在死亡10人以上的重大交通事故中，側(cè)翻占據(jù)比例更高[1-2].

據(jù)NASS的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，全美車輛事故中翻車事故類型只占據(jù)1.8%，但造成的死亡人數(shù)比率卻高達(dá)9.9%[3-4].在所有事故類型中，雖然側(cè)翻的發(fā)生機(jī)率要小于正碰、側(cè)碰類型，但是由于客車自身的結(jié)構(gòu)特點，正面和側(cè)面碰撞可以采用較多不同的結(jié)構(gòu)和吸能裝置來盡量保護(hù)乘員減少傷害，而側(cè)翻碰撞事故中車體變形較大，乘員的生存空間受侵入，因此側(cè)翻對乘員的傷害程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他幾種形式[5-6].

1 上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度實驗設(shè)計

1.1 試驗臺架

實驗臺架基本尺寸見圖1.側(cè)翻平臺高800 mm，翻轉(zhuǎn)臺上設(shè)置側(cè)向限位擋塊，擋塊高度不得超過翻轉(zhuǎn)臺傾斜前車輛放置表面與該表面最近的輪輞部位間距離的2/3，擋塊寬度為20 mm[7].實驗方法：將試驗車平放放到側(cè)翻平臺上，側(cè)翻平臺以0.078 rad/s的角速度翻轉(zhuǎn)，直到試驗車自由落下，圖中b點為模型臨界側(cè)翻穩(wěn)定角質(zhì)心高度位置.

圖1 實驗臺架基本尺寸示意圖

1.2 生存空間設(shè)計

在車內(nèi)前排及最后一排座位處按要求安裝變形規(guī)，變形規(guī)靠側(cè)圍一側(cè)涂有油漆，試驗過程中變形規(guī)上的油漆不允許沾到車上；變形規(guī)上的鋼針頂點也不能被擠壓進(jìn)變形規(guī)內(nèi)部，否則試驗不合格.一個變形規(guī)上會設(shè)置五個測點，測點的鋼絲測針與生存空間的泡沫邊界垂直.根據(jù)鋼絲測針是否完全縮回泡沫判斷乘員生存空間是否被侵入.生存空間變形規(guī)見圖2.

圖2 生存空間

2 側(cè)翻模型仿真與實驗對標(biāo)

2.1 生存空間建立

生存空間是在側(cè)翻事故中，駕駛區(qū)和乘客區(qū)為駕駛員和乘客提供生存可能的剩余空間，可以衡量側(cè)翻碰撞過程中乘員生存空間被車身結(jié)構(gòu)侵入的情況.根據(jù)法規(guī)的定義，SR點是確定生存空間的基準(zhǔn)點，按照具體的尺寸要求確定SR，最后連接起來就是生存空間的輪廓，見圖3.

圖3 側(cè)翻有限元模型

2.2 工況設(shè)置

在沒有搖晃和不受其他外力影響的情況下側(cè)傾直至翻倒，翻轉(zhuǎn)角速度不得超過5°/s(0.087 rad/s)，在側(cè)翻仿真試驗中，選取初始翻轉(zhuǎn)角速度大小為8.7×10-5rad/s.

2.3 仿真與實驗對標(biāo)

仿真計算結(jié)束后，將仿真結(jié)果與實驗結(jié)果進(jìn)行對標(biāo)分析，驗證模型的準(zhǔn)確性.在整車側(cè)翻仿真對標(biāo)分析中，常進(jìn)行關(guān)鍵結(jié)構(gòu)變形與速度曲線：①變形量是對仿真結(jié)果的進(jìn)一步驗證，用于結(jié)構(gòu)優(yōu)化；②速度與加速度曲線，驗證側(cè)翻軌跡正確性.

2.3.1關(guān)鍵結(jié)構(gòu)變形

側(cè)翻工況下，主要變形區(qū)域為側(cè)圍受擠壓，B柱折彎，上邊梁處侵入生存空間.從仿真與實驗數(shù)據(jù)對比可以看出，側(cè)翻仿真模型精度較高，滿足實驗要求，見圖4.

圖4 B柱變形與生存空間侵入對比

2.3.2速度曲線

仿真與實驗中，車體運(yùn)動的速度曲線可以反應(yīng)整車在側(cè)翻過程中的運(yùn)動情況，選取未與地面接觸的一側(cè)B柱上端某點安放加速度計(從臨界狀態(tài)時刻開始)，得到的速度變化曲線見圖5，仿真與實驗速度曲線趨勢基本一致，說明仿真?zhèn)确壽E與實驗基本一致.

圖5 速度對比驗證

通過仿真與實驗對標(biāo)分析，對比翻滾軌跡與關(guān)鍵結(jié)構(gòu)變形趨勢，速度曲線趨勢大小基本一致，關(guān)鍵結(jié)構(gòu)變形基本一致，驗證仿真模型的可靠性.

3 上部結(jié)構(gòu)耐撞性優(yōu)化設(shè)計

3.1 關(guān)鍵吸能和承載部件確定

3.1.1整車變形分析

實驗與仿真結(jié)果表明，整車側(cè)翻過程中及側(cè)翻后生存空間被侵犯，上部結(jié)構(gòu)耐撞性有待提高.變形區(qū)域集中在前上邊梁、前頂梁、中頂梁、A柱、B柱部分等，車身側(cè)翻后首先與地面發(fā)生碰撞的是上邊梁，上邊梁最先侵入生存空間.

3.1.2碰撞力及加速度分析

各截面力都在碰撞開始達(dá)到最大值，車身接觸到地面的瞬間接觸力達(dá)到最大值59.35 kN，其中A柱、B柱的截面力最大值分別達(dá)到了23，22.5 kN，相對于頂蓋橫梁和上邊梁比較大，且上邊梁的截面力波動范圍較大，這是由于上邊梁是薄壁梁，其變形的穩(wěn)定性較差的原因.

3.1.3能量分析

圖6為主要承載部件和主要吸能部件的吸能情況.由圖6可知，整車碰撞過程中， A柱吸收的能量較之于其他主要承載部件明顯比較大，其變形最大的，說明其強(qiáng)度不夠，需進(jìn)行優(yōu)化.

圖6 主要吸能部件與承載部件吸能對比

分析仿真結(jié)果中整車變形、碰撞力、局部截面力與加速度等得出整車側(cè)翻中上部結(jié)構(gòu)主要的吸能部件是頂蓋、底板、車門，主要的承載部件是A柱、B柱、上邊梁、頂蓋橫梁等.

3.2 耐撞性影響因素分析

3.2.1薄壁梁耐撞性分析

在側(cè)翻碰撞過程中，上部結(jié)構(gòu)主要發(fā)生的是彎曲變形，比如將上邊梁可以簡化為兩端鉸接的彎曲梁結(jié)構(gòu)，其變形模式可以視作為在橫向載荷作用下薄壁梁結(jié)構(gòu)失穩(wěn)發(fā)生彎曲，見圖7.

圖7 上邊梁變形模式簡化模型

薄壁梁的抗彎強(qiáng)度主要取決于彎曲正應(yīng)力，式(1)為彎曲梁的正應(yīng)力強(qiáng)度條件.

(1)

式中：σmax為彎曲梁的最大正應(yīng)力；Mmax為最大彎矩；W為抗彎截面系數(shù)；[σ]為材料的許用正應(yīng)力.

而側(cè)翻碰撞中上部結(jié)構(gòu)受力的形式多種多樣，受到的載荷不可能是均勻的，因此發(fā)生的變形比較復(fù)雜，主要有拉伸(壓縮)與彎曲的組合變形、彎曲與扭轉(zhuǎn)的組合變形和壓桿的失穩(wěn)變形.

1) 拉伸(壓縮)與彎曲的組合變形 B柱同時受到軸向和法向載荷作用前后的對比圖，其受力情況可以簡化成圖8a)所示，梁受到軸向力P1和橫向力P2的共同作用，發(fā)生拉伸與彎曲的組合變形.截取一個橫截面單元，軸向力FN=P1，與其對應(yīng)的應(yīng)力成均勻分布，橫向力引起的彎矩值Mz=P2x，與其對應(yīng)的彎曲正應(yīng)力呈線性分布，應(yīng)用疊加原理，得到任意一點的正應(yīng)力為

(2)

2) 彎曲與扭轉(zhuǎn)的組合變形 A柱發(fā)生彎曲與扭轉(zhuǎn)的組合變形比較常見，A柱受力情況可以簡化為圖8b)，桿件受到橫向力P1和扭轉(zhuǎn)矩m共同作用.危險截面為固定端，扭矩T=m，橫向力引起的彎矩值M=P1，將扭矩和彎矩引起的應(yīng)力疊加起來，固定端的上下兩點的彎曲正應(yīng)力σ和扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力τ均為最大值，因此，都是危險點.A柱為彈塑性材料，應(yīng)用第三強(qiáng)度理論進(jìn)行強(qiáng)度計算條件.

(3)

(4)

3) 壓桿的失穩(wěn)變形 頂蓋橫梁屬于細(xì)長桿件，桿件受到載荷后的失效性質(zhì)與強(qiáng)度失效性質(zhì)不同，圖8c)①壓桿處于直線平衡狀態(tài)，圖8c)②壓桿受橫向干擾力，壓桿失去平衡，圖8c)③壓桿受力后無法復(fù)原，發(fā)生失穩(wěn)變形.壓桿處于穩(wěn)定平衡中，臨界狀態(tài)時的壓力即為臨界壓力Fcr，材料滿足胡克定律的條件下[8]，臨界應(yīng)力σcr大小為

(5)

圖8 變形模式

由分析可得為提高梁的承載能力，可從以下幾個措施進(jìn)行：①改善梁的受力情況；②選擇合理的截面形狀；③采用變截面梁；④提高材料的許用應(yīng)力.由式(5)可知，壓桿的臨界應(yīng)力與其材料的彈性模量和柔度有關(guān)，因此，提出可以增強(qiáng)壓桿穩(wěn)定性的相關(guān)措施如下：①選用合理彈性模量的材料，彈性模量越大的材料可以承受更大的載荷；②通過減小壓桿的長度、合理選擇截面形狀來減小桿件的柔度.

3.2.2壁厚影響分析

由梁結(jié)構(gòu)的抗彎截面模量的計算公式可知，寬為b、高為h的薄壁梁的抗彎截面采取為：

(6)

在保證薄壁梁寬度不變的情況下，增大壁厚可以增加其抗彎截面模量，從而增強(qiáng)其抗彎能力和吸能能力.以頂蓋橫梁為例，將其壁厚從1 mm增加到1.4 mm，由于其尺寸相對較小，所以增加的質(zhì)量不影響輕量化要求，見圖9.

圖9 頂蓋橫梁變形對比圖

壁厚改進(jìn)前后具體的數(shù)據(jù)對比見表1.由表1可知，生存空間最大侵入量減小6.3 mm，接觸力最大值和加速度最大值分別增加了4.82 mm，0.52 mm/ms2，由此得出增加頂蓋橫梁的壁厚可以改善側(cè)翻上部結(jié)構(gòu)的耐撞性，因此，對上部結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵部位的壁厚進(jìn)行整體優(yōu)化會對其耐撞性能有較大的提升.

表1 壁厚改進(jìn)前后數(shù)據(jù)對比

3.2.3截面形狀影響分析

頂蓋橫梁的截面形態(tài)類似一個梯形，由于材料越是遠(yuǎn)離中性軸，正應(yīng)力越大，抗彎能力越好，因此在不改變頂蓋的截面面積的情況下，將角度增大，這樣可以增大其抗彎截面模.改進(jìn)前后頂蓋橫梁截面形態(tài)見圖10.

圖10 頂蓋橫梁截面形態(tài)改進(jìn)前后對比

表2為界面形態(tài)改進(jìn)前后數(shù)據(jù)對比表，由表2可知，生存空間最大侵入量減小4.4 mm，接觸力最大值增加7.75 kN，加速度增加1.37 mm/ms2，對乘員的沖擊力變化影響不大.

表2 截面形態(tài)改進(jìn)前后數(shù)據(jù)對比

3.2.4加強(qiáng)結(jié)構(gòu)影響分析

對整車變形和其上部結(jié)構(gòu)的分析可以看出，B柱發(fā)生比較明顯的彎折變形，B柱的抗彎強(qiáng)度對整車變形有很大的影響，因此，在B柱加上加強(qiáng)板，以增強(qiáng)其抗彎變形能力.

改進(jìn)前后具體的數(shù)據(jù)對比見表3，由表3可知，B柱的變形明顯減小，同時頂蓋橫梁和頂蓋最大變形也有明顯的改善.

表3 增加加強(qiáng)結(jié)構(gòu)前后數(shù)據(jù)對比

3.3 優(yōu)化方案設(shè)計

為提高上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、優(yōu)化側(cè)翻耐撞性能，對其進(jìn)行耐撞性優(yōu)化設(shè)計.由前文中對上部結(jié)構(gòu)耐撞性優(yōu)化分析可得到有效改進(jìn)方案，見圖11.

圖11 優(yōu)化方案分析圖

本文綜合方案主要采取的優(yōu)化措施如下.

1) 增加上部結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵部件(A柱、B柱、上邊梁、頂蓋橫梁)的壁厚，由于增加厚度就會相應(yīng)的增加質(zhì)量，因此，對各個部件進(jìn)行權(quán)重計算分析，選取最優(yōu)方案.

2) 采用加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，在B柱上下搭接處添加加強(qiáng)板，上邊梁和頂蓋橫梁搭接處廉潔較薄弱，且中空結(jié)構(gòu)使得上邊梁與地面發(fā)生碰撞時迅速凹陷變形，因此在兩者之間添加加強(qiáng)角板可較好地吸能，減小上邊梁和頂蓋的變形，見圖12.

圖12 頂蓋橫梁與上邊梁連接處結(jié)構(gòu)對比圖

3) 合理選擇截面形狀，增大頂蓋橫梁開角，將滑移門處內(nèi)外板間的連接梁從矩形改為工字形，尺寸從改為，見圖13.

圖13 截面形態(tài)改進(jìn)前后對比

4) 將B柱、上邊梁和頂蓋橫梁處材料從低碳鋼DC03換成加磷高強(qiáng)度鋼B10P1.

4 結(jié) 論

1) 對實驗與仿真結(jié)果中整車變形、碰撞力、局部截面力、加速度等內(nèi)容進(jìn)行分析，確定側(cè)翻中上部結(jié)構(gòu)主要吸能部件是頂蓋、底板、車門，主要承載部件是A柱、B柱、上邊梁、頂蓋橫梁等，主要變形模式是彎曲、扭轉(zhuǎn)和抗壓失穩(wěn)等.

2) 從拉伸(壓縮)與彎曲的組合變形、彎曲與扭轉(zhuǎn)的組合變形和壓桿的失穩(wěn)變形等方面分析薄壁梁結(jié)構(gòu)的變形模式，并提出：提高梁的承載能力的措施有：合理布置載荷和支座以降低最大彎矩、改善橫截面形狀和大小以增大抗彎截面模量.增強(qiáng)壓桿穩(wěn)定性的相關(guān)措施：選用合理彈性模量的材料；通過減小壓桿的長度、合理選擇截面形狀來減小桿件的柔度.

3) 為提高桿件的強(qiáng)度，通過分析可從合理選擇材料及其截面形狀、改善載荷的分布和傳導(dǎo)、采用加強(qiáng)結(jié)構(gòu)這三個方面進(jìn)行優(yōu)化，另外還可以采用

新型車身蒙皮等方法來提高上部結(jié)構(gòu)的耐撞性能.