管內(nèi)填充對(duì)提高客車側(cè)翻強(qiáng)度的研究

于國(guó)飛， 黃 飛， 王海兵

(1.廈門理工學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，福建 廈門 361024；2.福建省客車和特種車輛協(xié)同創(chuàng)新研究與開發(fā)中心，福建 廈門 361024 )

客車道路交通事故中,翻滾碰撞尤其是側(cè)翻造成的傷亡人數(shù)比例較大[1]。人員傷亡原因大多由于客車側(cè)翻導(dǎo)致車頂塌陷、車體局部結(jié)構(gòu)凹陷造成車身骨架侵入生存空間所致。

研究者通過增加方鋼壁厚，在車身結(jié)構(gòu)連接處內(nèi)部填入小鋼管來提升側(cè)翻抗變形能力；高強(qiáng)鋼材料增加側(cè)翻碰撞能量吸收，保證最小生存空間滿足法規(guī)要求；車身上部結(jié)構(gòu)用新型玻璃纖維聚合物材料[2-4]，或者通過改進(jìn)客車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高車身剛度及抵抗側(cè)翻能力[5-8]；用多種材料綜合填充于車身骨架不同位置以提高車身上部結(jié)構(gòu)剛度，改變車身骨架接頭處截面尺寸，提升材料的屈服極限[9-10]；將高密度結(jié)構(gòu)泡沫填充于乘用車前縱梁外伸段內(nèi)和B柱內(nèi)，減少碰撞對(duì)乘員艙的侵入量和側(cè)面耐撞性[11-12]。

因上述已采用的方法中存在過多增加質(zhì)量、制作工藝復(fù)雜、材料填充位置不易實(shí)現(xiàn)等問題，綜合考慮各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，本文提出管內(nèi)填充不同材料的方案，對(duì)填充材料后各樣件進(jìn)行三點(diǎn)彎曲仿真分析與實(shí)物試驗(yàn)。達(dá)到輕量化和提高側(cè)翻強(qiáng)度的目的。

1 三點(diǎn)彎曲仿真模型與試驗(yàn)測(cè)試

選取填充材料時(shí)，填充材料既要保證能吸收足夠的能量，實(shí)現(xiàn)自身的填充，又要考慮以下幾點(diǎn)：填充過程高效快捷，不能對(duì)填充位置造成較大破壞；工作狀態(tài)下性能穩(wěn)定且高效，不會(huì)發(fā)生性質(zhì)突變，滿足客車側(cè)翻性能的要求[13]；填充材料密度較小，符合車輛輕量化設(shè)計(jì)；經(jīng)濟(jì)、無毒；大量使用不會(huì)使成本過高。

本文選擇的管內(nèi)填充材料有3種：石蠟、松香、結(jié)構(gòu)泡沫。為了了解管內(nèi)填充不同材料的性能，按照國(guó)標(biāo)GB/T 232-2010《金屬材料彎曲試驗(yàn)方法》[14]中要求建立三點(diǎn)彎曲仿真模型，如圖1所示。圖1中試樣截面尺寸規(guī)格為30 mm×40 mm×3 mm，長(zhǎng)度為300 mm。試樣下端布置2個(gè)半徑為15 mm的圓形剛性支輥，支輥距離為130 mm。在試樣上端中間位置用一個(gè)下端直徑為30 mm彎曲壓頭。試驗(yàn)裝置如圖2所示。試驗(yàn)裝置中試件、壓頭和支輥的幾何尺寸和邊界條件與仿真模型一致。

圖1 三點(diǎn)彎曲仿真模型

1—參數(shù)顯示屏； 2—支架； 3—壓頭； 4—試樣； 5—支錕； 6—底座

有限元模型中，所用管型試樣材料均為Q235，用Ls-dyna的MATL24號(hào)材料。3種不同的填充材料均按照廠家提供的相關(guān)參數(shù)賦給試樣。以結(jié)構(gòu)泡沫為例，采用聚氨酯結(jié)構(gòu)泡沫，用Ls-dyna的MATL63號(hào)材料，密度為471 kg/cm3，彈性模量為468.6 MPa。單元類型為四面體單元。石蠟、松香和結(jié)構(gòu)泡沫3種材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示。

圖3 3種材料屈服應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2 仿真與試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)原始試樣及3種填充材料試樣進(jìn)行試驗(yàn)并與仿真分析進(jìn)行對(duì)比。填充及彎曲過程均在室溫下進(jìn)行。根據(jù)國(guó)標(biāo)規(guī)定[14]，彎曲過程中壓頭速率恒定，設(shè)定為5 mm/min，試驗(yàn)時(shí)間設(shè)定為3 min，試樣在垂直方向位移最大達(dá)到15 mm時(shí)結(jié)束試驗(yàn)。原始試樣和3種填充材料的試驗(yàn)力均未超過測(cè)試儀器最大限制力100 kN。圖4為填充結(jié)構(gòu)泡沫材料的三點(diǎn)彎曲仿真與試驗(yàn)測(cè)試效果圖，變形狀況完全一致。原始試樣與填充結(jié)構(gòu)泡沫材料的試驗(yàn)力-位移曲線和仿真對(duì)比如圖5所示。

(a) 仿真結(jié)果

(b) 試驗(yàn)結(jié)果

圖5 原始試樣與結(jié)構(gòu)泡沫材料試驗(yàn)力-位移曲線

由圖5可知，原始試樣試驗(yàn)力與仿真結(jié)果趨勢(shì)相同。屈服力為67 411.5 N，最大承受力為67 507.5 N。將4種方案試驗(yàn)獲得的最大承受力和屈服力變化，相對(duì)于原始試樣提升比例匯總?cè)绫?所示。

表1 4種方案彎曲性能指標(biāo)匯總

上述試驗(yàn)與仿真結(jié)果，以原始試樣試驗(yàn)得到的屈服力和最大屈服力為基礎(chǔ)，填充3種材料的樣件試驗(yàn)后，屈服力提升最多的是填充結(jié)構(gòu)泡沫，增加比例達(dá)到17.79%。最大承受力提升最多的是填充松香材料，增加比例達(dá)41.29%，增加比例為33.27%的是填充結(jié)構(gòu)泡沫材料，填充石蠟材料的增幅比例較低，未達(dá)到4%。原始試樣及3種填充材料試樣的吸能-位移曲線匯總?cè)鐖D6所示,可以得出，填充石蠟的試樣吸能量稍高于原始試樣。填充結(jié)構(gòu)泡沫和填充松香的試樣吸收能量程度很相似，都比原始試樣吸能量有明顯提高，其中填充松香試樣的吸能量最高。

圖6 試樣吸能-位移曲線

綜合考慮上述4種試樣方案試驗(yàn)中彎曲力、屈服力、吸收能量程度及對(duì)填充材料的各項(xiàng)要求，石蠟因各方面綜合效果不明顯不予采用，因松香填充難度較大且有毒，不符合要求，結(jié)構(gòu)泡沫能夠較好滿足上述要求且性能良好。

3 管內(nèi)填充對(duì)側(cè)翻性能的影響

為研究管內(nèi)填充材料對(duì)側(cè)翻性能的提高程度，選取某公路客車，進(jìn)行原始樣車和填充結(jié)構(gòu)泡沫材料樣車的側(cè)翻仿真分析，對(duì)比兩種情況側(cè)翻后生存空間余量，確定此填充材料對(duì)側(cè)翻性能的提升效果。

3.1 側(cè)翻模型的建立

根據(jù)生產(chǎn)企業(yè)提供的CAD圖紙，建立三維模型，將模型導(dǎo)入HyperMesh中，建立整車側(cè)翻有限元模型。

整車有限元模型網(wǎng)格尺寸為10 mm。為詳細(xì)觀測(cè)蒙皮變形效果，其尺寸大小與整車骨架模型網(wǎng)格一致。最終模型包括892 309個(gè)殼單元、811 792個(gè)節(jié)點(diǎn)。整車各桿件連接部位大部分采用rbe2連接，整車骨架與蒙皮間采用點(diǎn)焊模擬。翻轉(zhuǎn)平臺(tái)用實(shí)體單元進(jìn)行模擬，帶動(dòng)整車以小于5°/s速度側(cè)傾，選取向右側(cè)為傾斜方向，在翻轉(zhuǎn)平臺(tái)輪胎右側(cè)按法規(guī)要求建立2個(gè)限位塊?？蛙囓囕喤c翻轉(zhuǎn)平臺(tái)之間采用面面接觸，前后輪摩擦系數(shù)分別為0.6和0.4。水泥地面與翻轉(zhuǎn)平臺(tái)初始時(shí)刻高度差為800 mm。生存空間以低密度剛性單元?jiǎng)?chuàng)建，模型的側(cè)翻邊界條件符合ECE R66法規(guī)要求。

3.2 填充前后側(cè)翻結(jié)果分析

將結(jié)構(gòu)泡沫材料填充到整車右側(cè)圍10個(gè)不同位置處，如圖7所示。填充于圖中圓圈位置：腰梁與側(cè)圍立柱連接位置,共5處；頂橫梁與側(cè)圍上縱梁連接位置，共5處。

圖7 填充位置示意圖

由后處理結(jié)果可知，填充前生存空間后部余量較小，整車側(cè)翻著地100 ms時(shí)侵入最大，填充前后侵入最大時(shí)刻整車結(jié)構(gòu)變形對(duì)比如圖8所示。隨后進(jìn)行了實(shí)車側(cè)翻試驗(yàn)，樣車側(cè)翻后的最大侵入量與仿真結(jié)果吻合度很高，驗(yàn)證了整車仿真模型的可靠性。

(a) 填充前變形圖

(b) 填充后變形圖

圖8 填充前后侵入最大時(shí)刻整車結(jié)構(gòu)變形對(duì)比圖

因側(cè)翻仿真模型已通過實(shí)車側(cè)翻驗(yàn)證，在原仿真模型上，按照上述位置進(jìn)行結(jié)構(gòu)泡沫材料填充并進(jìn)行側(cè)翻仿真。填充前后最大時(shí)刻生存空間余量對(duì)比見表2。由表2可知生存空間各測(cè)量位置余量皆有較明顯的改善,尤其是側(cè)圍后立柱生存空間余量從y=-0.11 mm增大到y(tǒng)=26.11 mm。在上述10個(gè)部位填充結(jié)構(gòu)泡沫材料的實(shí)車也進(jìn)行了側(cè)翻試驗(yàn)?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)量10個(gè)位置點(diǎn)均未侵入生存空間。仿真和樣車試驗(yàn)結(jié)果滿足法規(guī)要求。

表2 填充材料前后生存空間余量對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

為提高客車側(cè)翻強(qiáng)度，保證生存空間完整性，采用試樣材料測(cè)試和樣車對(duì)比側(cè)翻試驗(yàn)方法，選擇結(jié)構(gòu)泡沫作為客車側(cè)翻填充材料，提升客車上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)剛度，達(dá)到安全經(jīng)濟(jì)設(shè)計(jì)目的及提升生存空間余量的效果。