混合動(dòng)力客車側(cè)面耐撞性分析＊

江興洋，吳勝軍，龍志軍

（1.佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 佛山 528000；2.湖北汽車工業(yè)學(xué)院，湖北 十堰 442000）

引言

作為傳統(tǒng)燃油客車向純電動(dòng)客車的過渡，混合動(dòng)力客車具有兩者的優(yōu)點(diǎn)，既具有純電動(dòng)客車低速的燃油經(jīng)濟(jì)性和平順性，又保持了燃油客車的續(xù)航里程[1]。然而在結(jié)構(gòu)防撞性上與純電動(dòng)客車保持一致，在保證乘員不受車身結(jié)構(gòu)變形的傷害，同時(shí)也要防止電池系統(tǒng)受到碰撞與擠壓，發(fā)生短路、泄露、爆炸等危險(xiǎn)事故[2]。

目前國內(nèi)外尚無客車側(cè)面碰撞的強(qiáng)制法規(guī)，但一些社會(huì)組織制定了一些客車側(cè)碰安全性的規(guī)定，比如美國公共交通協(xié)會(huì)（APTA）提出的“美國標(biāo)準(zhǔn)公共汽車采購指導(dǎo)方針”中對(duì)客車的側(cè)面耐撞性做了如下要求[3-4]：客車的任何一側(cè)（包括車門位置），在受到一個(gè)時(shí)速為25mile，質(zhì)量為4000磅（即 40km/h，1.814t）的汽車撞擊后，客車側(cè)面在碰撞中不應(yīng)該有超過 3inch（76.2mm）的永久結(jié)構(gòu)變形，且碰撞過程中在客車內(nèi)部不能留下尖角和凸包。

本文以東風(fēng)公司EQ6110HEV6為研究對(duì)象，該車型為城市混合動(dòng)力公交車，按照APTA的側(cè)碰要求對(duì)其進(jìn)行側(cè)面碰撞仿真分析，并從乘員測點(diǎn)加速度和乘員生存空間等方面分析混合動(dòng)力客車的側(cè)面耐撞性，為完善客車側(cè)面碰撞安全性評(píng)判以及相關(guān)法規(guī)的制定提供參考。

1 側(cè)碰有限元模型的建立

1.1 混合動(dòng)力客車有限元模型

該混合動(dòng)力客車底盤結(jié)構(gòu)為半承載式底盤，底盤是組合式大梁結(jié)構(gòu)。車體車身骨架與底盤剛性連接，形成閉環(huán)結(jié)構(gòu)，與底盤一起承擔(dān)彎曲和扭轉(zhuǎn)載荷[5]，電池系統(tǒng)安置在車頂?shù)暮蟛?。由于主要研究該混合?dòng)力客車的骨架，在保證能夠表現(xiàn)出車身各構(gòu)件的真實(shí)力學(xué)特性的前提下，提高仿真精度并減少計(jì)算時(shí)長。結(jié)合該車型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及有限元仿真的相關(guān)簡化原則，對(duì)該混合動(dòng)力客車進(jìn)行適當(dāng)簡化[6-8]。用等質(zhì)量點(diǎn)的形式代替非承載件和裝飾件，如儀表、座椅、車身蒙皮、擋風(fēng)玻璃、車門等；對(duì)于工藝結(jié)構(gòu)件，如部件工藝圓角、工藝安裝孔、墊片、較小的螺栓孔等進(jìn)行省略。隨后，將模型導(dǎo)入 HyperWorks中進(jìn)行網(wǎng)格劃分、網(wǎng)格質(zhì)量檢查、部件連結(jié)、材料屬性的賦予等前處理工作。

該混合動(dòng)力客車車身骨架結(jié)構(gòu)大多采用閉口矩形管的薄壁結(jié)構(gòu)，薄壁構(gòu)件的形狀相對(duì)較為規(guī)則，可以較為方便地抽中面，因此本次建模單元類型采用殼單元，不僅能夠具有較高的精度，還能夠大大節(jié)約資源。在側(cè)面碰撞中，混合動(dòng)力客車的前部和后部變形較小甚至基本不變形，中部區(qū)域變形較大。因此為了兼顧仿真結(jié)果的可信度和提高計(jì)算效率，在碰撞的接觸區(qū)域選取單元尺寸為10 mm的網(wǎng)格，其他部位網(wǎng)格尺寸為15～20mm。最終客車骨架有限元模型的網(wǎng)格總數(shù)為1041802個(gè)，節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為1054563個(gè)，其中三角形單元為3632個(gè)。三角形單元過多會(huì)使得車身骨架的剛度有所增加，不能夠真實(shí)反映車身骨架的耐撞性能，從而造成結(jié)果偏差過大，本次建模中三角形單元占比不足總單元數(shù)量的0.4%，滿足不超過 5%的要求。該混合動(dòng)力客車的質(zhì)量為 8噸，車身部分采用共節(jié)點(diǎn)方式連接，底架部分采用無質(zhì)量單元連接。車身和地板部分材料為Q235，底盤部分材料為Q345，材料參數(shù)見表1。

表1 車身骨架主要材料特性參數(shù)

1.2 側(cè)面碰撞有限元模型

在APTA中要求作為撞擊車輛的質(zhì)量約為4000磅，即1814kg。在實(shí)際中該混合動(dòng)力客車大多在城市交通道路上行駛，滿足該質(zhì)量要求的車型為中大型轎車、MPV、SUV等。由于混合動(dòng)力客車地板距地面距離為700mm，重心較高且質(zhì)量較大，與轎車等重心較低的車型發(fā)生碰撞事故時(shí)往往處于較為強(qiáng)勢一方，對(duì)乘員艙的損傷并不嚴(yán)重。因此將重心高度相當(dāng)且質(zhì)量滿足要求的MPV車型作為撞擊車輛。

根據(jù)實(shí)際客車側(cè)面碰撞事故分析，當(dāng)碰撞位置發(fā)生在側(cè)面的前部或后部時(shí)，車橋等部件也會(huì)吸收一部分能量，造成的損傷程度不及發(fā)生在側(cè)面中部的位置，側(cè)面中部由于缺少吸能部件以及緩沖空間，發(fā)生事故后，乘員生存空間遭到侵入，容易造成車內(nèi)人員傷亡[9]。因此為了更加準(zhǔn)確的評(píng)判該混合動(dòng)力客車側(cè)面碰撞安全性，將碰撞位置選為左側(cè)中部。

將 MPV有限元模型導(dǎo)入到預(yù)定位置，設(shè)置混合動(dòng)力客車與 MVP的接觸、兩車與地面的接觸以及自身接觸，接觸類型選為面面接觸、自接觸，地面滑動(dòng)摩擦系數(shù)為0.7，其他接觸摩擦系數(shù)定為0.2。碰撞初速度設(shè)為40km/h，整個(gè)仿真計(jì)算時(shí)間設(shè)置為180ms。最終混合動(dòng)力客車側(cè)面碰撞仿真模型如圖1所示。

圖1 客車車身骨架有限元模型

2 仿真結(jié)果分析

將模型提交LS-DYNA計(jì)算，計(jì)算結(jié)束后，在HyperView中查看計(jì)算結(jié)果。

2.1 側(cè)碰仿真結(jié)果的驗(yàn)證

在對(duì)仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析之前，需要對(duì)側(cè)面碰撞結(jié)果的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。汽車在發(fā)生側(cè)面碰撞事故過程中，能量會(huì)通過車身骨架和地面進(jìn)行傳遞與轉(zhuǎn)化，在此過程中，能量的變化必須是守恒的，因此通過定量分析方法對(duì)仿真結(jié)果的可靠性進(jìn)行評(píng)判[10]。

圖2 能量隨時(shí)間歷程曲線圖

由于本次仿真計(jì)算采用單點(diǎn)高斯積分，所以會(huì)產(chǎn)生沙漏。如果沙漏能過大，則會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果失真，因此必須將沙漏能控制在一定范圍內(nèi)。相關(guān)規(guī)定沙漏能不能超過總能量的5%，各部分能量隨時(shí)間變化曲線光滑，沒有明顯的突變，總能量趨于不變，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，質(zhì)量增加也要控制在 5%以內(nèi)。圖2為混合動(dòng)力客車各部分能量隨時(shí)間歷程曲線圖。

由能量變化曲線可以看出，在前5s由于兩車還未發(fā)生接觸，未發(fā)生能量轉(zhuǎn)化，此時(shí)內(nèi)能為 0，整個(gè)系統(tǒng)的總能量的值與MPV的動(dòng)能值相等；從第5ms開始，兩車開始接觸，動(dòng)能和內(nèi)能開始變化，隨著時(shí)間的推進(jìn)，動(dòng)能開始迅速下降，內(nèi)能則相對(duì)應(yīng)開始增加，在此過程中，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，直到96ms內(nèi)能的值達(dá)到最大；隨后，車身骨架部件發(fā)生回彈，兩車分離，直到130ms時(shí)，各部分能量趨于穩(wěn)定；隨后由于地面的摩擦力，兩車逐漸停止，碰撞過程結(jié)束。整個(gè)碰撞過程，總能量的值為117000000mJ，沙漏能為460000mJ，沙漏能占總能量的0.4%，沙漏能占比不足總能量的5%，符合要求。各部分能量變化曲線光滑，未發(fā)生明顯的突變，整個(gè)過程符合能量守恒定律。

如圖3所示，整個(gè)碰撞過程中，模型質(zhì)量僅僅增加了1.3kg，占比為0.068%，不足5%，符合質(zhì)量增加的要求。因此，綜合能量變化與質(zhì)量增加情況，本次仿真計(jì)算結(jié)果是可靠的。

圖3 質(zhì)量增加隨時(shí)間歷程曲線圖

2.2 車身運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分析

根據(jù)碰撞動(dòng)畫可以看出，在兩車發(fā)生接觸時(shí)，混合動(dòng)力客車側(cè)圍發(fā)生一定變形，隨著碰撞過程的深入，混合動(dòng)力客車側(cè)圍骨架損傷進(jìn)一步增加并達(dá)到峰值，隨后兩車發(fā)生分離，側(cè)圍部件開始發(fā)生一定回彈，由于地面摩擦力的存在，兩車逐漸停止。圖4截取了幾個(gè)主要時(shí)刻MPV撞擊混合動(dòng)力客車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)圖。

由圖4顯示的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)圖可知：

（1）該混合動(dòng)力客車側(cè)圍骨架變形并不嚴(yán)重，側(cè)圍部件并未嚴(yán)重侵入乘員艙，車體并未發(fā)生嚴(yán)重?fù)p傷；

（2）MPV的前部部件發(fā)生一定變形，可見混合動(dòng)力客車的側(cè)圍具有一定的剛度，碰撞能量一部分被側(cè)圍部件吸收，一部分由側(cè)圍立柱和底架轉(zhuǎn)移至車身骨架其他部件，能夠很好抵抗MPV碰撞載荷；

（3）隨著碰撞時(shí)間的推移，在120ms后，MPV與混合動(dòng)力客車分離，車身骨架發(fā)生一定回彈，由于該混合動(dòng)力客車質(zhì)心位置處于中后部，所以車身前部質(zhì)量較后部輕，車頭發(fā)生一定偏移，隨后在地面摩擦力的作用下，兩車逐漸停止；

（4）通過對(duì)碰撞結(jié)束后混合動(dòng)力客車變形程度的分析，車身骨架變形較小，地板并未發(fā)生明顯凸起或凹陷，乘客座椅不會(huì)發(fā)生傾斜，整個(gè)過程側(cè)圍部件很好的吸收并傳遞載荷，有效的保護(hù)了車內(nèi)乘員的安全。

圖4 HEV碰撞主要時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)圖

2.3 測點(diǎn)速度與加速度分析

碰撞事故中產(chǎn)生的速度與加速度的大小，直接影響車內(nèi)乘員與車內(nèi)飾部件發(fā)生“二次碰撞”的概率，因此，碰撞產(chǎn)生的速度與加速度的值是衡量該車碰撞安全性能的重要指標(biāo)。本次仿真主要輸出了五個(gè)點(diǎn)的速度與加速度值，分別為：駕駛員座椅地板處、發(fā)生碰撞側(cè)座椅地板處、混合動(dòng)力客車質(zhì)心處、電池質(zhì)心處和MPV質(zhì)心處。在HyperView中獲取各測點(diǎn)的速度與加速度隨時(shí)間歷程曲線圖，如圖5和圖6。

圖5 各測點(diǎn)速度曲線

圖6 各測點(diǎn)加速度曲線

根據(jù)各測點(diǎn)的速度與加速度隨時(shí)間歷程曲線，可得出以下結(jié)論：

（1）各測點(diǎn)速度隨時(shí)間歷程曲線存在一定波動(dòng)，但振蕩并不大，能夠較好反映各個(gè)位置真實(shí)情況。

（2）在5ms時(shí)，MVP撞擊混合動(dòng)力客車，兩車發(fā)生接觸，此時(shí) MPV質(zhì)心處加速度開始迅速下降，這與能量變化曲線所反映的接觸時(shí)間相一致。由于碰撞側(cè)座椅地板處距離碰撞發(fā)生的位置較近，因此，此處位置速度增加明顯。在40ms達(dá)到2.45m/s的峰值。持續(xù)到90ms，此時(shí)，碰撞側(cè)座椅地板處速度值與 MPV質(zhì)心速度相等，隨后直到 130ms，這兩點(diǎn)速度隨時(shí)間歷程曲線變化趨勢大致相同。130ms后兩車分離。

（3）由于混合動(dòng)力客車質(zhì)心的位置靠中后部，速度值較小且穩(wěn)定，這表明 MPV對(duì)該混合動(dòng)力客車并未造成較大沖擊。120ms后，在地面摩擦力的作用下，該測點(diǎn)的速度值逐漸減小。

（4）駕駛員處速度值較混合動(dòng)力客車質(zhì)心處速度值大，這是由于該混合動(dòng)力客車前部輕，后部重，受到 MPV撞擊后，車身先是會(huì)發(fā)生一定的平動(dòng)，隨后車身骨架前部會(huì)發(fā)生一定轉(zhuǎn)動(dòng)。

（5）由圖6可以看出，混合動(dòng)力客車四個(gè)測點(diǎn)的加速度峰值較小，駕駛員座椅地板處加速度峰值為12.5g，碰撞側(cè)座椅地板加速度峰值為 23g，參照乘用車對(duì)于側(cè)面碰撞相關(guān)要求，該值并不會(huì)造成車內(nèi)司乘人員受傷，因此，該混合動(dòng)力客車具備一定的安全性。

2.4 乘員艙侵入量分析

混合動(dòng)力客車發(fā)生側(cè)面碰撞事故時(shí)，由于其側(cè)面缺少吸能部件和緩沖空間，車身側(cè)圍容易發(fā)生較大變形，從而擠壓車內(nèi)乘員的生存空間，使得乘員容易與車身骨架內(nèi)部部件發(fā)生碰撞而造成傷亡。因此對(duì)乘員生存空間的考察也是評(píng)價(jià)該混合動(dòng)力客車側(cè)面碰撞安全性的重要指標(biāo)之一。參照國內(nèi)客車側(cè)翻的法規(guī)GB/T17578-2013《客車上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度規(guī)定》中對(duì)乘員生存空間的要求，本次研究選擇提取四個(gè)測點(diǎn)Y向位移情況來探究該混合動(dòng)力客車受到撞擊后乘員生存空間變化情況，四個(gè)測點(diǎn)具體位置如圖7所示。

圖7 各測點(diǎn)具體位置圖

如圖8為該混合動(dòng)力客車主要兩個(gè)典型時(shí)刻車身骨架變形情況。由于 MPV重心比混合動(dòng)力客車低，整體車身高度不及混合動(dòng)力客車，所以對(duì)混合動(dòng)力客車中上部造成的損傷并不嚴(yán)重，只有中下部有一定的變形量，在車身骨架發(fā)生完全回彈后，發(fā)生的永久變形并不大。

如圖9為各測點(diǎn)侵入量隨時(shí)間歷程曲線圖，從5ms開始，各測點(diǎn)的侵入量逐漸增加，直到 90ms達(dá)到峰值狀態(tài)。各測點(diǎn)的最大變形量分別達(dá)到147mm、135mm、145mm和97mm。90ms后，兩車分離，車身骨架各部件發(fā)生回彈，侵入量相應(yīng)減小并逐漸趨于穩(wěn)定。仿真結(jié)束時(shí)，各測點(diǎn)侵入量已經(jīng)到達(dá)穩(wěn)定值，分別為：75mm、73mm、70mm、34mm。根據(jù)GB/T 17578-2013《客車上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度規(guī)定》中對(duì)乘員生存空間最大侵入量的規(guī)定，各測點(diǎn)的最大侵入量均未超過規(guī)定值150mm，碰撞結(jié)束后車身骨架發(fā)生的永久變形也符合不超過規(guī)定值76mm的要求。因此，根據(jù)乘員生存空間的角度來考量，該混合動(dòng)力客車具有一定的側(cè)面耐撞性能。

圖8 混合動(dòng)力客車典型時(shí)刻變形圖

圖9 各測點(diǎn)侵入量曲線

2.5 電池安全分析

在2011年雪佛蘭沃藍(lán)達(dá)PHEV起火事件中，造成事故的主要原因是在碰撞測試過程中，鋰電池在碰撞過程中受損，在翻滾試驗(yàn)后，鋰電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的冷卻液發(fā)生泄漏并于電池組接觸，導(dǎo)致電池內(nèi)部短路，產(chǎn)生自燃。2013年Tesla Model S發(fā)生起火事件，事故原因?yàn)槠囋谛旭傔^程中與路面金屬發(fā)生接觸碰撞，導(dǎo)致電池包外殼被刺穿，造成電池內(nèi)部短路引起熱失控。因此保護(hù)電池系統(tǒng)是研究混合動(dòng)力客車安全性的又一大主要指標(biāo)。

在碰撞過程中，引發(fā)電池安全性的主要形式是碰撞導(dǎo)致電池包外殼受損引發(fā)短路、熱失控、電解液流出等。存在引發(fā)自燃甚至爆炸等隱患，一旦發(fā)生上述事故，容易造成重大生命財(cái)產(chǎn)損失。

本次研究的混合動(dòng)力客車的電池包布置在車頂中后部，通過電池外殼的箱體來保證電池的絕緣性、穩(wěn)定性和密封性。由于混合動(dòng)力客車車身尺寸較高，因此直接與電池箱發(fā)生接觸碰撞的可能性較小，但在碰撞過程中電池箱結(jié)構(gòu)的局部受力如電池箱與車身骨架連接處依然值得重視。本次分析主要從電池箱受力情況進(jìn)行討論，如圖10為該混合動(dòng)力客車電池箱發(fā)生碰撞時(shí)受力云圖。

由圖可分析出：電池箱在碰撞事故發(fā)生時(shí)出現(xiàn)的最大應(yīng)力位置為電池箱與車身骨架連接處，約為 185MPa，其他位置受力較小，并未超過該電池箱材料的許用應(yīng)力值，存在安全隱患的可能性較小。

圖10 電池箱應(yīng)力圖

3 結(jié)論

本文建立了混合動(dòng)力客車車身骨架的有限元模型，并按APTA要求完成了側(cè)面碰撞分析。從能量守恒定律的角度出發(fā)驗(yàn)證了本次碰撞仿真結(jié)果的可靠性。主要從混合動(dòng)力客車發(fā)生碰撞事故過程中整個(gè)車體運(yùn)動(dòng)情況以及車身骨架變形情況、車體內(nèi)部乘員區(qū)速度、加速度、乘員生存空間和電池安全幾個(gè)方面綜合分析了該混合動(dòng)力客車的側(cè)面耐撞性能。結(jié)果表明該混合動(dòng)力客車受到MPV以40km/h的速度從側(cè)面撞擊時(shí)，其測點(diǎn)速度與加速度值、乘員艙侵入量都符合標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)車內(nèi)乘員以及動(dòng)力電池系統(tǒng)造成的影響較小。因此可以確定混合動(dòng)力客車側(cè)面可以抵御來自MPV（1.8噸，40km/h）的碰撞，能夠保護(hù)車內(nèi)乘員的生命安全，具備一定的側(cè)面耐撞性。