基于駕駛員損傷及防護的客車正面碰撞安全性研究

何成　張斌　朱海濤　劉偉東　薄旭盛

摘 要：針對客車在正面碰撞中較高的駕駛員傷亡風險，本文對某型全承載客車車身結(jié)構(gòu)及駕駛員約束系統(tǒng)的正面碰撞安全性進行了研究。首先利用經(jīng)過驗證的客車有限元模型對其在50km/h碰撞速度下的車身結(jié)構(gòu)安全性進行了分析及改進設計。在此基礎上，構(gòu)建了客車駕駛員約束系統(tǒng)有限元模型并對其保護效果進行了分析。最后針對約束系統(tǒng)存在的問題對其進行了改進及優(yōu)化匹配。仿真結(jié)果表明，通過對整車的結(jié)構(gòu)改進和駕駛員約束系統(tǒng)的匹配設計，駕駛員側(cè)假人頭部、胸部和腿部損傷值下降幅度明顯，較好地滿足了相關(guān)法規(guī)要求。

關(guān)鍵詞：全承載客車；駕駛員約束系統(tǒng)；正面碰撞安全性；優(yōu)化匹配

1 引言

近年來，頻發(fā)的客車安全事故，特別是由大、中型客車造成群死群傷的重特大交通事故，使得客車安全問題越來越為人們所重視。據(jù)統(tǒng)計[1]，2011～2013年，我國發(fā)生與營運客車相關(guān)的一次死亡10人以上的重特大道路交通事故共49起，共造成752人死亡。在客車發(fā)生的各類事故中，側(cè)翻和碰撞為其主要形態(tài)，其中由客車引發(fā)的正面碰撞事故約占整個客車事故的50%～60%[2]。由于客車質(zhì)量較大，在行駛中速度較高，一旦發(fā)生碰撞，將產(chǎn)生很大的碰撞動能，又因大部分客車為發(fā)動機后置平頭結(jié)構(gòu)，使得客車前端的變形吸能空間較小，在碰撞中易造成客車前端的駕駛艙區(qū)域發(fā)生較大變形甚至壓潰的情況?？蛙囻{駛員直接處于客車前端易變形區(qū)，而目前客車上針對駕駛員的防護措施僅限于三點式安全帶，在碰撞中駕駛員很容易因生存空間被侵入而遭到致命傷害，因此提高客車駕駛員的安全性顯得尤其重要。

不少國內(nèi)外學者在客車的正面碰撞安全性研究中做出了有益的探索。Peter等[3]較早提出了提高客車駕駛員和導游安全性的概念設計方法。Matolcsy[4]為推進公交客車碰撞安全法規(guī)的制定，對公交客車的事故類型，駕駛員生存空間及試驗評價方法進行了統(tǒng)計和試驗研究。Cerit等[11]參照ECER29法規(guī)要求，對客車前端結(jié)構(gòu)變形及方向盤侵入量進行了研究。張毅等人[5-10]對大、中型客車在50km/h碰撞速度下的車身結(jié)構(gòu)進行了分析與改進設計。Li等[12，13]研究了客車在不同碰撞初速度下車身結(jié)構(gòu)的變形及中型客車在100%正面、40%偏置和30o斜角三種碰撞工況下的車身變形及乘員損傷。

上述研究在改善客車車身結(jié)構(gòu)方面做了大量工作，對客車乘員在正面碰撞中的損傷也進行了一定的分析，然而并沒有對提高乘員的損傷防護做進一步研究。本文基于客車駕駛員在正面碰撞中存在較高的損傷風險，研究了某全承載客車50km/h碰撞速度下駕駛艙的變形，在對該客車車身結(jié)構(gòu)進行了改進設計的基礎上，分析了其駕駛員約束系統(tǒng)存在的問題，為此提出了相應的改進措施并進行了優(yōu)化設計，以使客車駕駛員側(cè)假人的各項損傷指標滿足相關(guān)法規(guī)要求。

2 整車結(jié)構(gòu)改進研究

2.1 整車有限元模型驗證

本文利用某企業(yè)提供的一款全承載客車有限元模型對其車身結(jié)構(gòu)的正面碰撞安全性進行仿真分析。該客車有限元模型在有限元前處理軟件HYPERMESH中建立，主要包括車身骨架、車輪、轉(zhuǎn)向系、外飾四個部分，總共有582959個單元，其中薄殼單元553462個，實體單元12573個，焊點單元16924個。圖1為客車在30km/h碰撞速度下試驗與仿真縱向加速度曲線對比，試驗加速度測量點選在駕駛員座椅下方骨架不易變形區(qū)，以測量駕駛員在碰撞過程中所受加速度。由于客車前端無吸能結(jié)構(gòu)，試驗加速度產(chǎn)生了一個較大的峰值，且持續(xù)時間較短。從圖1可以看出，仿真與試驗加速度曲線峰值以及峰值出現(xiàn)時刻保持一致，整車有限元模型建模準確可用于后續(xù)研究。

2.2 車身結(jié)構(gòu)改進設計

采用非線性有限元分析軟件LS-DYNA對客車在50km/h的碰撞速度下進行了仿真分析。圖2為碰撞后客車駕駛艙及其前端底盤骨架變形，由于客車前端底盤骨架產(chǎn)生了很大變形，導致客車駕駛艙幾乎被壓潰，駕駛員生存空間被方向盤嚴重侵入。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)該客車車身結(jié)構(gòu)存在以下問題：（1）客車前端無吸能結(jié)構(gòu)，碰撞動能只能全部通過車身骨架的變形來耗散；（2）客車前端底盤骨架強度不夠，在布局上沒有考慮碰撞工況下力的連續(xù)性傳導，導致碰撞力不能向后方骨架有效傳遞。

針對上述問題，對客車車身結(jié)構(gòu)進行了相應的改進設計。（1）根據(jù)文獻[14，15]中的研究，3×3多胞鋁合金吸能方管在軸向沖擊下的能量吸收效率比單胞方管和泡沫填充方管要高出50%～100%，本研究將其作為客車前端的碰撞吸能結(jié)構(gòu)，以盡可能多地吸收客車碰撞能量。利用臺車碰撞試驗對該吸能管材料參數(shù)進行了試驗驗證，試驗與仿真結(jié)果對比如圖3所示。由圖可知，試驗與仿真中碰撞加速度峰值、各峰值出現(xiàn)時刻以及吸能管的變形模式都具有較好的一致性，該鋁合金材料參數(shù)準確性較好，可用于本文的研究。（2）對客車前端底盤骨架起主要傳力作用的關(guān)鍵梁適當增加厚度，對其薄弱或傳力路徑中斷處增加必要的支撐梁，如圖4中綠色部分所示，以確保碰撞力能向后方骨架有效傳遞。改進后的客車車身結(jié)構(gòu)如圖4所示。

為了使吸能管在吸收較多客車碰撞能量地同時有效降低碰撞加速度峰值，對其數(shù)目、厚度及長度的不同組合進行了大量的仿真分析，最終確定采用8根吸能管，厚度統(tǒng)一為1.6 mm，由于客車前端的空間限制，吸能管最大長度為260mm，具體布置如圖4所示。此方案中由吸能管吸收的碰撞能量占到了客車總碰撞能量的41.2%，吸能效果顯著。改進前后客車駕駛艙碰撞變形和縱向加速度對比分別如圖5、圖6所示，由圖可知，整車結(jié)構(gòu)改進后駕駛艙變形得到了較好地控制，確保了駕駛員的有效生存空間，加速度脈寬由10 ms增加到40ms，其峰值由160g降為66g。因此，客車車身結(jié)構(gòu)改進效果明顯，改進后的整車模型可作為下一步研究駕駛員約束系統(tǒng)防護性能的基礎模型。

3 駕駛員約束系統(tǒng)建模及分析

3.1 駕駛員約束系統(tǒng)有限元模型建立

5 結(jié)語

本文基于駕駛員的損傷及其防護從車身結(jié)構(gòu)和駕駛員約束系統(tǒng)兩個方面對客車的正面碰撞安全性進行了研究。在車身結(jié)構(gòu)方面，將一種多胞鋁合金薄壁吸能方管應用于客車碰撞吸能，吸能管吸收能量占到了客車總能量的41.2%，有效解決了客車因吸收過多能量造成駕駛艙產(chǎn)生較大變形的問題。結(jié)合對車身底盤骨架結(jié)構(gòu)的改進設計，客車碰撞縱向加速度波形和駕駛艙變形都得到了較好的改善。

以改進后的整車結(jié)構(gòu)為基礎，對客車駕駛員約束系統(tǒng)的保護效果、改進措施和優(yōu)化策略進行了探索性研究。結(jié)果表明，原有的駕駛員約束系統(tǒng)無法對假人形成有效保護，通過對其進行相應的改進設計及優(yōu)化匹配，假人頭部、胸部和腿部損傷值下降幅度明顯，較好地滿足了相關(guān)法規(guī)要求。駕駛員約束系統(tǒng)優(yōu)化后假人的 WIC值較其改進前下降了67.8%。這種基于駕駛員損傷防護的客車優(yōu)化設計方法可對客車駕駛員在正面碰撞工況下提供較好的保護，為客車今后開展更為嚴格的實車碰撞試驗提供了一定的指導。

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