公交車上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度（側(cè)翻）分析與試驗(yàn)*

王先君

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公交車上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度（側(cè)翻）分析與試驗(yàn)*

王先君

（廈門金龍旅行車有限公司，福建 廈門 361006）

2017年，亞洲開(kāi)發(fā)銀行(Asian Development Bank)向巴基斯坦提供援助貸款，發(fā)展白沙瓦快速公交系統(tǒng)（Bus Rapid Transit），以此來(lái)改善當(dāng)?shù)爻鞘泄步煌ā?018年5月，車輛供應(yīng)商需要按照要求提供車輛設(shè)計(jì)方案，要求中涉及到“車身結(jié)構(gòu)需要符合側(cè)翻標(biāo)準(zhǔn)（ECE-R66）”。亞洲開(kāi)發(fā)銀行專家組要求車輛供應(yīng)商需要對(duì)所提供的公交車上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度依據(jù)ECE-R66進(jìn)行側(cè)翻仿真，并提供相應(yīng)的分析試驗(yàn)報(bào)告。2018年12月，車輛供應(yīng)商提交的報(bào)告經(jīng)項(xiàng)目專家組審核通過(guò)。目前成品車已經(jīng)在向巴基斯坦白沙瓦按照合同分批交付。

公交車側(cè)翻；仿真；上部結(jié)構(gòu)；公交車安全

前言

隨著全世界各地，特別是發(fā)展中國(guó)家的城市化進(jìn)程日趨加速，城市交通問(wèn)題也同其它“城市病”一起變得越來(lái)越引起各國(guó)的重視，亟待解決。為改善城市交通狀況，提高民眾幸福感，現(xiàn)階段發(fā)達(dá)國(guó)家或地區(qū)普遍在發(fā)展軌道交通。鑒于軌道交通存在投資大、周期長(zhǎng)和運(yùn)營(yíng)成本高等諸多因素，當(dāng)今很多發(fā)展中國(guó)家會(huì)通過(guò)發(fā)展快速公交系統(tǒng)（BRT）來(lái)改善城市公共交通，緩解交通壓力。BRT系統(tǒng)就是采用傳統(tǒng)公交車，運(yùn)用現(xiàn)代智慧交通系統(tǒng)（ITS）[1]，結(jié)合BRT專用車道（Lane）和類軌道交通的公交站臺(tái)，來(lái)實(shí)現(xiàn)類軌道交通[2]的公共交通服務(wù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)投資相對(duì)較小，成效卻很顯著，是發(fā)展中國(guó)家的明智、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展選擇。但公交車安全問(wèn)題也一直是人們致力于設(shè)法解決或完善的課題，其中側(cè)翻事故是頑疾，它所造成的交通事故約占所有事故的10%，傷亡率卻高達(dá)52%[3-4]。

為了降低客車側(cè)翻事故的傷亡率，許多國(guó)家制定了關(guān)于客車側(cè)翻碰撞安全性的法規(guī)。如，中國(guó)的法規(guī)GB/T 17598、澳大利亞的法規(guī)ADR 59/00和南非的法規(guī)SANS 1563[4]，當(dāng)然最具代表性的是歐洲的法規(guī)ECE R66[5]，ECE R66內(nèi)容到目前為止也是被引用最多的法規(guī)。本項(xiàng)目亞洲開(kāi)發(fā)銀行專家組在評(píng)價(jià)車輛側(cè)翻安全性要求時(shí)，也是引用了該法規(guī)。本文也就是依照ECE R66法規(guī)要求進(jìn)行了公交車動(dòng)態(tài)側(cè)翻過(guò)程的仿真，評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)車輛上部結(jié)構(gòu)的變形及變形量侵入乘員生存空間的狀況，以此來(lái)判定公交車的安全性是否滿足要求，這也是ECE R66實(shí)施過(guò)最常用的驗(yàn)證方式[6]。

1 應(yīng)用軟件

在本次分析中，主要使用了HyperMesh前處理器、Hyper View后處理器和LS-DYNA求解器。

2 模型建立

2.1 生存空間

法規(guī)中對(duì)整車生存空間的定義：車輛生存空間的外輪廓通過(guò)在車廂內(nèi)建立一個(gè)垂直橫截面進(jìn)行確定，其邊緣如圖1（a），將此垂直橫截面移動(dòng)穿過(guò)整個(gè)車長(zhǎng)見(jiàn)圖1（b），SR點(diǎn)位于外側(cè)每個(gè)朝前或朝后的座椅靠背前表面，距離乘客腳下地板500 mm（這里不考慮發(fā)動(dòng)機(jī)艙等引起的地板高度局部變化），距離側(cè)圍內(nèi)表面150 mm[7]。

圖1 生存空間定義（單位：mm）

2.2 整車模型信息

整車結(jié)構(gòu)件采用板殼單元進(jìn)行離散，盡可能采用四邊形板殼單元來(lái)模擬，為滿足高質(zhì)量網(wǎng)格的過(guò)渡需要也會(huì)采用少量三角形單元[8]；焊點(diǎn)采用rigid單元模擬；骨架材料為Q345和Q235，采用*MATL24本構(gòu)模型進(jìn)行模擬。整車有限元模型如圖2所示。整車初始位置質(zhì)心坐標(biāo)（7499.036mm，-1.88086mm，841.7993mm）。

圖2 整車有限元模型

3 邊界條件

3.1 臨界側(cè)翻角的確定

以較弱一側(cè)進(jìn)行側(cè)翻仿真試驗(yàn)，以下計(jì)算過(guò)程示例（右側(cè)側(cè)翻）。整車放置于可傾斜的側(cè)翻平臺(tái)上，將懸架鎖止，再慢慢地傾斜到一個(gè)不穩(wěn)定的平衡位置?！芭R界側(cè)翻角”是指車輛停放在一定角度的坡道上保持平穩(wěn)而不發(fā)生側(cè)翻的最大坡道角。

整車初始位置（圖2）：質(zhì)心坐標(biāo)（7499.036mm，-1.88086 mm，841.7993mm）；

整車失穩(wěn)位置（圖3）：質(zhì)心坐標(biāo)（7499.036mm，1219.291 mm，1384.621mm）；

在失穩(wěn)位置，車輛質(zhì)心至地面的高度h1為2545.002mm。臨界側(cè)翻角為47.932deg。

圖3 失穩(wěn)位置示意圖

3.2 側(cè)翻過(guò)程中車輛質(zhì)心垂直位移的確定

初始碰撞位置（圖4）：質(zhì)心坐標(biāo)（7498.405mm，2670.36mm，514.3863mm），此時(shí)整車質(zhì)心至地面的高度h2為1674.7673mm，跌落高度為：Δh=h1–h2= 870.2347mm。

圖4 初始碰撞位置

3.3 初始碰撞位置的動(dòng)能及角速度計(jì)算

整車從失穩(wěn)位置至地面初始碰撞的過(guò)程中，僅由重力做功，整車與地面初始碰撞時(shí)刻的動(dòng)能由勢(shì)能轉(zhuǎn)換所得。

根據(jù)能量守恒定理，臨界側(cè)翻時(shí)刻動(dòng)能加上重力勢(shì)能等于接觸地面時(shí)刻動(dòng)能加上重力勢(shì)能，即：

其中，EK為接觸地面時(shí)刻動(dòng)能（約144.78kJ），m為總質(zhì)量22595kg，J 為整車轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，0為臨界側(cè)翻時(shí)刻角速度0.87 rad/s，1為接觸地面時(shí)刻角速度。

由LSDYNA計(jì)算可得，整車轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J為92252.86。代入公式1，可得觸地時(shí)的角速度1=1.771rad/s。車身與地面的摩擦系數(shù)，取用0.7。

4 分析結(jié)果

4.1 能量曲線

整車右側(cè)側(cè)翻能量變化曲線如圖5所示。沙漏能（Hour glass Energy）為總能量的0.22%，滑移能（Interface Energy）為總能量的1.4%，能量變化在合理的范圍內(nèi)。

圖5 能量曲線

4.2 側(cè)翻歷程

圖6 右側(cè)側(cè)翻歷程

4.3 乘員生存空間評(píng)價(jià)

在公交車側(cè)翻過(guò)程中，頂蓋最先與地面發(fā)生接觸，隨著時(shí)間的增加，公交車車身側(cè)圍立柱逐漸發(fā)生變形。根據(jù)相關(guān)法規(guī)的要求，對(duì)仿真計(jì)算結(jié)果中車輛立柱對(duì)生存空間的侵入情況進(jìn)行測(cè)量[9]。在這個(gè)過(guò)程中，主要考察側(cè)圍立柱的變形是否侵入生存空間，由于客車車身側(cè)圍各部位立柱的變形量不同，因而分別考察各位置的側(cè)圍立柱從計(jì)算開(kāi)始時(shí)到計(jì)算結(jié)束過(guò)程中與生存空間的最小距離。

圖7 測(cè)量點(diǎn)示意圖

如圖7所示，生存空間頂點(diǎn)P1水平投影到側(cè)圍立柱表面得到投影點(diǎn)P2，測(cè)量P1到P2的距離D1。按照法規(guī)要求整車側(cè)翻試驗(yàn)過(guò)程中和側(cè)翻后，生存空間之外的車輛其他部件，不得侵入生存空間，即D1必須大于0 mm。從側(cè)圍所有立柱（編號(hào)A~G）上分別選取上測(cè)量點(diǎn)，如圖8所示，測(cè)量側(cè)圍立柱的變形是否侵入生存空間，其結(jié)果如表 1 所示。

圖8 側(cè)圍立柱示意圖

右側(cè)側(cè)翻，在右側(cè)圍A~N柱及生存空間取測(cè)量點(diǎn)，測(cè)量點(diǎn)間距隨側(cè)翻時(shí)間曲線如圖9所示。

圖9 側(cè)圍立柱與生存空間間距曲線

表1 側(cè)圍立柱侵入量

由表1可得，側(cè)圍立柱均未侵入生存空間，并且具有一定的安全余量，側(cè)圍N立柱生存空間余量最小，最小余量達(dá)到234mm。

5 結(jié)論

基于ECE R66法規(guī)要求對(duì)該項(xiàng)目設(shè)計(jì)公交車上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真分析，根據(jù)仿真結(jié)果，側(cè)圍立柱均未入侵乘員生存空間，并且具有一定的安全余量，車身結(jié)構(gòu)滿足法規(guī)及項(xiàng)目要求。

[1] 北京交通大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院.運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)與物流評(píng)論第1輯[M].北京:中國(guó)經(jīng)濟(jì)出版社.2010.07.

[2] 吳曉,邱欣,施俊慶.交通運(yùn)輸設(shè)備[M].北京:人民交通出版社, 2015.02.

[3] Parker D.K, Ray R.M, Moore T.L.A, et al. Rollover severity and occupant protection a review of NASS/CDS data [J]. SAE Technical Paper 2007-01-0676,2007.

[4] 洪漢池,黃洪武.客車側(cè)翻碰撞中安全帶對(duì)乘員損傷的影響分析[J], 重慶大學(xué)學(xué)報(bào), 2016.6.

[5] ECE R66 E/ECE/324 Rev.1/ Add.65/ Rev.1. Uniform technical presc riptions concerning the approval of large passenger vehicle with reg -ard to the strength of their superstructure[S]. United Nations,2006.

[6] 劉正愚,劉志宇.客車側(cè)翻試驗(yàn)[J].四川兵工學(xué)報(bào),2010(12).

[7] 中國(guó)汽車技術(shù)研究中心標(biāo)準(zhǔn)化研究所.汽車標(biāo)準(zhǔn)匯編2013上[S], 北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2015.03.

[8] 李彩霞.面包車白車身結(jié)構(gòu)分析[J],機(jī)械強(qiáng)度, 2016.

[9] 梁卓,吳磊,沈光烈,等.殼式客車側(cè)翻安全性仿真及其設(shè)計(jì)研究[J]. 廣西科技大學(xué)學(xué)報(bào),2016,27(4).

Analysis and Test of City Bus Superstructure Strength (Rollover Simulation Test)*

Wang Xianjun

（Xiamen Golden Dragon Bus Company Limited, Fujian Xiamen 361006）

In 2017, Asian Development Bank (ADB) provided assistance loan to Pakistan for developing a Bus Rapid Transit system (BRT) in Peshawar, in order to improve local urban public transport. In May 2018, the vehicle supplier was required to provide vehicle design proposal as per requirements, which involve "The structure shall meet the compliance standards for the rollover test stipulated through Regulation 66 of the United Nations Economic Commission for ECE-R66". The ADB expert team required the vehicle supplier to carry out rollover simulation on the strength of the city bus superstructure according to ECE-R66 and provide corresponding Analysis and Test report. In December 2018, the report provided by the vehicle supplier was approved. At present, the finished vehicles have been delivered to Peshawar, Pakistan in batches according to the contract.

City Bus Rollover; Simulation; Superstructure; City Bus Safety

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.10.051

U467

A

1671-7988(2019)10-147-04

U467

A

1671-7988(2019)10-147-04

王先君（1981.10-），男，工程師，就職于廈門金龍旅行車有限公司，主要從事客車產(chǎn)品客戶需求研究。

亞洲開(kāi)發(fā)銀行融資援助巴基斯坦項(xiàng)目（Loan Number 3543-PAK）。