某客車小偏置碰撞仿真分析及優(yōu)化

孟航宇，吳勝軍，袁威，張宗宏

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院 汽車工程學(xué)院，湖北 十堰442002）

正面碰撞在我國客車事故中占比約60%，在所有正面碰撞事故中，小偏置碰撞約占25%［1］，因此研究小偏置碰撞是很有必要的。美國公路安全保險(xiǎn)協(xié)會(huì)（IIHS）在2012 年提出了相應(yīng)碰撞試驗(yàn)規(guī)范，填補(bǔ)了小偏置碰撞法規(guī)的空白，由于碰撞條件苛刻，許多車型獲得了“差”評級，因此國內(nèi)越來越多工程師對車體進(jìn)行改進(jìn)時(shí)重點(diǎn)關(guān)注小偏置碰撞的情況［2］?，F(xiàn)階段在轎車領(lǐng)域投入較多，而客車廠家研究不足，文中以某客車為研究對象，建立小偏置碰撞模型進(jìn)行仿真分析，針對客車前部強(qiáng)度及耐撞性不足并客車前部做了相關(guān)改進(jìn)優(yōu)化，改進(jìn)后有效提升了客車碰撞結(jié)構(gòu)安全性。

1 小偏置碰撞模型建立

在CATIA 中建立客車三維模型后導(dǎo)入Hyper-Mesh中進(jìn)行有限元分析。精確的模型雖然仿真可信度較好，但會(huì)導(dǎo)致前處理工作量太大并且增加計(jì)算時(shí)間，因此合理地簡化模型能夠在保證精度的情況下大大節(jié)約建模及計(jì)算時(shí)間。對模型進(jìn)行合理簡化后進(jìn)行幾何清理和網(wǎng)格劃分，并進(jìn)行相應(yīng)的連接、接觸、材料及屬性的賦予等。

法規(guī)規(guī)定，汽車以64 km·h-1撞擊剛性避障，避障與車體重疊率為25%，主體結(jié)構(gòu)由許多鋼板構(gòu)成，最前端鋼板寬度為1000 mm，高度為1524 mm，弧形角度為115°，半徑為150 mm，碰撞時(shí)將1 個(gè)Hybrid Ⅲ50%男性假人放在駕駛員位置測量傷害值，圖1是法規(guī)規(guī)定試驗(yàn)工況［3］。由于客車相較轎車車身龐大，普通避障無法使用，因此設(shè)置避障尺寸為轎車避障尺寸的2.5倍，避障能夠在一定程度上簡化［4］。避障的長為2500 mm，高為3810 mm，圓角半徑為375 mm，弧度為115°。由于現(xiàn)有法規(guī)未明確規(guī)定客車碰撞試驗(yàn)工況，僅規(guī)定小型汽車試驗(yàn)工況時(shí)速為64 km·h-1，而客車車身龐大，如果設(shè)置時(shí)速也為64 km·h-1，則碰撞的總能量很大，車體所有結(jié)構(gòu)將發(fā)生很大變形，綜合考慮實(shí)際工況，選取初始時(shí)速為30 km·h-1，仿真時(shí)間為300 ms。

圖1 IIHS規(guī)定25%小偏置碰撞示意圖

將建立好的剛性避障模型導(dǎo)入后設(shè)置材料和屬性，并定義接觸方式，在碰撞中避障與車體的接觸設(shè)置為靜摩擦因數(shù)0.1、動(dòng)摩擦因數(shù)0.1，定義避障為主面，車體為從面；定義車身的自接觸，設(shè)置接觸動(dòng)摩擦因數(shù)0.15、靜摩擦因數(shù)0.15，忽略初始穿透，得到仿真模型如圖2所示。

圖2 仿真模型

2 仿真結(jié)果分析

將有限元模型以k文件形式導(dǎo)入LS-DYNA軟件進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)束后可通過后處理查看各時(shí)刻的變形、能量變化、材料參數(shù)、節(jié)點(diǎn)信息等。

2.1 模型有效性驗(yàn)證

1）整車能量變化分析 客車與避障碰撞時(shí)速度下降，客車零部件吸收能量，內(nèi)能增加，總能量應(yīng)保持不變。如果建模時(shí)部件設(shè)置或連接出現(xiàn)錯(cuò)誤，可能會(huì)出現(xiàn)能量不守恒的情況。在HyperGraph2D中選擇glstat 查看能量曲線，如圖3a 所示，總能量為368 kJ，客車與避障接觸后動(dòng)能減少，構(gòu)件參與吸能而內(nèi)能不斷增加，總能量守恒。選擇積分算法時(shí)會(huì)產(chǎn)生沙漏，沙漏能在運(yùn)算中不可避免，一般認(rèn)為沙漏能必須小于5%。圖3b為沙漏能變化曲線，可以看出，沙漏能為4.25 kJ，占比未超過1.15%，證明模型的精度是滿足要求的。

2）整車質(zhì)量變化分析 為了提高運(yùn)算效率，對某些單元進(jìn)行了質(zhì)量縮放，這樣會(huì)造成質(zhì)量增加，一般情況下，質(zhì)量增加與模型的總質(zhì)量的比值不超過5%。圖3c為質(zhì)量增加曲線，模型增加的總質(zhì)量為3.46 kg，增加比率為0.03%，因此模型是有效的。

圖3 能量和質(zhì)量曲線

2.2 碰撞變形分析

利用HyperView 查看碰撞變形變化，由于車速較低，因此設(shè)置模擬時(shí)間為300 ms，在100%剛性避障與40%可變形避障碰撞中，前縱梁的作用都是緩沖吸能，減小對乘員艙的損害；在25%重疊小偏置碰撞中可以看到，碰撞區(qū)域幾乎避開了前縱梁部分，前縱梁變形很小，大部分能量都由前圍骨架吸收，由于重疊面積較小，而且主要集中在駕駛員區(qū)域，因此駕駛員乘員艙區(qū)域結(jié)構(gòu)變形嚴(yán)重，入侵量很大?？蛙嚽安坑绕涫邱{駛艙部位變形較大，圖4 展示了典型時(shí)刻下客車前部區(qū)域的碰撞變形情況，選取開始碰撞時(shí)刻和碰撞后50 ms、100 ms、200 ms、300 ms 時(shí)刻。50 ms時(shí)，地板已經(jīng)開始變形并凸起，地板與水平面的夾角達(dá)到25°，駕駛艙前一些構(gòu)件由于吸能已經(jīng)開始發(fā)生輕微變形；100 ms時(shí)，前圍上側(cè)橫梁凹陷嚴(yán)重，駕駛室變形較50 ms時(shí)更加嚴(yán)重，一些構(gòu)件由于壓潰變形甚至出現(xiàn)斷裂趨勢；200 ms時(shí)，部分構(gòu)件侵入到駕駛艙生存空間，駕駛員生命安全受到威脅，此時(shí)碰撞接近結(jié)束，結(jié)構(gòu)變形基本維持在200 ms左右形態(tài)。

綜上所述，在碰撞的過程中，不論是前圍亦或是駕駛艙，結(jié)構(gòu)變形都十分嚴(yán)重，特別是駕駛艙位置，由于碰撞力過大導(dǎo)致地板凸起，與地板相連的座椅隨著地板一并翹起，造成駕駛員順時(shí)針“傾覆”。因此，需要改進(jìn)客車的結(jié)構(gòu)及材料，減小變形，增加駕駛艙生存空間安全余量。

2.3 小偏置碰撞力傳遞路徑分析

由上述分析可知，在車身剛剛接觸避障時(shí)，首先變形的是駕駛員側(cè)前圍骨架，此時(shí)力的傳遞路徑主要有2種：1）由駕駛員側(cè)前圍骨架經(jīng)前圍橫梁傳遞到右側(cè)前圍骨架、前圍底梁傳遞到左側(cè)縱梁；2）由前圍骨架直接傳遞到頂蓋邊縱梁、側(cè)圍上縱梁、駕駛員側(cè)腰梁、地板縱梁和底梁，再往后傳遞到輪胎、頂蓋橫梁及成員艙。由圖4可知在梁連接處均有較大程度擠壓變形，由此可見，25%小偏置碰撞對車損害程度較大，對客車骨架提出了更高的要求［5］?？蛙囋诮佑|避障后傳力路徑如圖5所示。

圖4 駕駛艙附近碰撞過程動(dòng)畫

圖5 傳力路徑圖

2.4 吸能分析

碰撞能量主要是通過材料部件的塑性變形體現(xiàn)，表1列出了主要部件的吸能量，可以看出：客車在碰撞時(shí)所有部件吸收的總內(nèi)能為280 kJ，碰撞吸能量最多的部位是前圍骨架，而前圍骨架恰恰是車體剛接觸避障的部位，主要部件吸能率只有45%，說明超過一半的能量都傳遞給駕駛艙部位，乘員與約束系統(tǒng)吸收的能量較多，乘員受傷風(fēng)險(xiǎn)大。

表1 部件吸能統(tǒng)計(jì)

2.5 駕駛員側(cè)加速度分析

駕駛員側(cè)加速度是評價(jià)客車碰撞性能的重要參數(shù)。加速度峰值越大，意味著車體結(jié)構(gòu)較為剛硬，傳遞的碰撞力大，碰撞性能較差，對乘員的二次傷害越大，越容易造成司乘人員傷亡，經(jīng)SAE60 濾波后加速度曲線如圖6所示：駕駛員側(cè)峰值均在碰撞后0.05 s 內(nèi)出現(xiàn)，加速度峰值達(dá)到83.72 g（絕對值），超過法規(guī)規(guī)定的80 g，此時(shí)對駕駛員的傷害是致命的，此后加速度變化較為平穩(wěn)，保持在較小范圍內(nèi)波動(dòng)，碰撞力較低，碰撞接近結(jié)束［6］。

圖6 駕駛員側(cè)加速度曲線

2.6 駕駛員生存空間分析

碰撞過程中材料吸收碰撞能量產(chǎn)生塑性變形，如果材料屈服強(qiáng)度小，則會(huì)產(chǎn)生較大變形甚至折斷，變形過大會(huì)導(dǎo)致駕駛員生存空間減小，侵入駕駛艙，從而對駕駛員產(chǎn)生傷害，因而選取駕駛室生存空間余量作為碰撞安全性能指標(biāo)。駕駛室生存空間余量指駕駛員座椅和地板連接處與前圍的距離，其值越大，前圍與地板距離越遠(yuǎn)，對駕駛員生存更加有利，如圖7所示。

圖7 駕駛室生存空間余量

生存空間余量與時(shí)間變化曲線如圖8所示：剛開始接觸避障時(shí)生存空間余量為831.68 mm，隨著碰撞進(jìn)行，桿件開始發(fā)生潰縮并逐漸侵入生存空間，導(dǎo)致生存空間安全余量不斷減少，190 ms 左右時(shí)變形達(dá)到最大值，此時(shí)安全余量為616.85 mm，侵入量為214.83 mm，參照轎車法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，遠(yuǎn)超過法規(guī)規(guī)定的150 mm，說明駕駛員侵入量過高，在碰撞中可能導(dǎo)致駕駛員致命傷害［7］。

圖8 生存空間余量曲線

3 客車車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由傳力分析可知，碰撞過程中由于車體與避障重疊率小，導(dǎo)致客車縱梁未與避障接觸；縱梁不能很好地吸收能量，碰撞力主要集中在駕駛員側(cè)，導(dǎo)致駕駛艙潰縮嚴(yán)重，從而侵入生存空間。與此同時(shí)，客車座椅地板變形較為嚴(yán)重，駕駛員生命受到威脅，因此通過結(jié)構(gòu)改進(jìn)來增加前端客車吸能量，減小駕駛艙變形，從而增加生存空間安全余量。

3.1 車身前端優(yōu)化

碰撞過程中避障與車體最先接觸的部位是前圍，碰撞力通過前圍直接傳遞到駕駛艙，考慮在客車前圍增加一些吸能裝置，吸能裝置在碰撞中吸收碰撞產(chǎn)生的能量，緩沖碰撞力，則傳遞到駕駛艙的能量降低，乘員受傷的風(fēng)險(xiǎn)降低［8］。鋁合金在汽車輕量化方面的運(yùn)用廣泛，其強(qiáng)度和鋼鐵相差無幾，密度是鋼鐵的1/3，吸收沖擊的能量是鋼鐵的2倍，在延緩碰撞力的同時(shí)能夠較好地吸收碰撞能量，因此采用鋁合金作為客車前端優(yōu)化選擇，通過相關(guān)分析，選用正六邊形吸能盒，邊長為40 mm，長度為160 mm［9］。吸能盒放置在駕駛艙前端，即前圍上橫梁前端，如圖9所示。

圖9 吸能裝置位置與結(jié)構(gòu)

在駕駛艙前側(cè)增加4個(gè)鋁合金吸能盒，后端用鋼板進(jìn)行連接固定在前圍上橫梁上，因此碰撞時(shí)避障與車體最先接觸吸能盒，吸能盒發(fā)生潰縮后將碰撞力傳遞到駕駛艙，相較改進(jìn)前“延緩”了碰撞力的傳遞，從而降低駕駛員二次受傷的風(fēng)險(xiǎn)，提高碰撞安全性能。鋁合金的有關(guān)參數(shù)如表2所示。

表2 鋁合金參數(shù)

3.2 客車車身改進(jìn)

客車車身是承載部件，碰撞時(shí)應(yīng)具有足夠的剛度來抵抗變形，保護(hù)乘員［10］。改進(jìn)前動(dòng)畫顯示，前圍與門檻梁折彎近90°，地板凸起，與避障接觸的桿件有斷裂的趨勢，高強(qiáng)度鋼的屈服強(qiáng)度大，相同應(yīng)力條件下變形更小，碰撞時(shí)能較好地吸收碰撞力［11］。將原有結(jié)構(gòu)鋼替換為Q700 低碳鋼，其余條件不變。Q700鋼具有比Q345更高的屈服強(qiáng)度，在相同的沖擊力下，Q345 鋼的變形遠(yuǎn)大于Q700 鋼，替換材料的部件主要是前圍橫梁、前圍、前部縱梁、駕駛室以及車門位置，都是碰撞力較高的部位，如圖10所示。改進(jìn)前Q345鋼變形很大，主要原因是屈服強(qiáng)度過低，碰撞力較大不足以抵抗變形，而Q700能較好地緩沖碰撞力，減小碰撞變形。

圖10 替換材料部件

4 改進(jìn)結(jié)果分析

4.1 碰撞變形分析

由于碰撞后變形部位主要集中在客車前部，因此主要考慮客車前部變形情況，選取開始碰撞時(shí)刻和碰撞后50 ms、100 ms、200 ms、300 ms 時(shí)刻，如圖11 所示，改進(jìn)后客車前部前圍與駕駛員艙門處的變形較改進(jìn)前降低。改進(jìn)前前圍在碰撞中幾乎有斷裂趨勢，前圍與門檻梁由于碰撞力影響擠壓變形嚴(yán)重，改進(jìn)后碰撞前期0～50 ms由于前端吸能器參與吸能，前圍僅輕微變形，50～100 ms 吸能器已完全潰縮，碰撞力向前傳遞到前圍骨架導(dǎo)致折彎變形，100～200 ms 碰撞力繼續(xù)傳遞向乘員艙傳遞，變形加大，前圍已經(jīng)開始侵入生存空間，隨著碰撞進(jìn)行，駕駛員生存空間侵入量越來越大。200～300 ms碰撞已基本結(jié)束，桿件與駕駛員座椅處變形較改進(jìn)前減小很多。

圖11 改進(jìn)后碰撞變形動(dòng)畫

4.2 主要部件吸能分析

由上述分析可知，吸能比最大的幾個(gè)部件分別為前圍、前圍上橫梁、前縱梁，因此優(yōu)化后主要考察吸能比較大的部件與吸能器的吸能情況。表3 統(tǒng)計(jì)了主要構(gòu)件的吸能情況，總內(nèi)能為280 kJ。由表3 中可知，改進(jìn)后主要吸能部件為吸能盒、前圍與前圍上橫梁，其中吸能盒吸能量為26.4 kJ，吸能率為9.43%，說明吸能盒能有效吸收碰撞產(chǎn)生的內(nèi)能，減少傳遞到駕駛艙的能量。改進(jìn)后桿件吸收的能量較改進(jìn)前更多，傳遞到乘員艙的能量減少，降低了乘員受傷的風(fēng)險(xiǎn)，改進(jìn)效果顯著。

表3 優(yōu)化后主要部件吸能統(tǒng)計(jì)

4.3 駕駛員側(cè)加速度分析

由上述分析可知，水平加速度峰值超過80 g，前端結(jié)構(gòu)較剛硬，碰撞力大，所以在碰撞中應(yīng)盡量降低加速度值，將其降低到可承受范圍內(nèi)，有效降低乘員受傷風(fēng)險(xiǎn)［12］。由于改進(jìn)前側(cè)向加速度與垂向加速度遠(yuǎn)小于80 g，因此主要考慮水平加速度，圖12為改進(jìn)后加速度曲線。改進(jìn)后出現(xiàn)2個(gè)峰值減速度（y軸負(fù)向），第1 個(gè)減速度峰值是客車剛接觸避障時(shí)產(chǎn)生加速度峰值，此刻碰撞產(chǎn)生加速度峰值的時(shí)間幾乎與改進(jìn)前一致，在30 ms左右由產(chǎn)生另外1個(gè)減速度峰值，這是因?yàn)樵?～30 ms時(shí)，吸能器一直產(chǎn)生軸向變形，在30 ms時(shí)吸能器被完全壓潰，碰撞力傳遞到前圍，因此產(chǎn)生了較大的峰值，此時(shí)峰值加速度為49.04 g，小于80 g，峰值降低了41.42%，改進(jìn)效果顯著。

圖12 改進(jìn)后駕駛員座椅處加速度曲線

4.4 駕駛員生存空間分析

安全余量是保證駕駛員生存空間的基礎(chǔ)，余量越大，則碰撞性能越好，對駕駛員的傷害越低［13］，圖13為改進(jìn)后生存空間余量曲線。改進(jìn)后生存空間余量最小值為681.50 mm，侵入量為149.60 mm，小于法規(guī)規(guī)定150 mm，相較改進(jìn)前生存空間余量增加43.6%，改進(jìn)后的結(jié)果符合法規(guī)要求。

圖13 改進(jìn)后駕駛員生存空間余量曲線

5 結(jié)論

根據(jù)IIHS法規(guī)建立了某客車小偏置碰撞工況模型，通過LS-DYNA 軟件進(jìn)行模擬仿真計(jì)算，其駕駛員座椅處加速度與駕駛艙侵入量均超過法規(guī)限值。針對上述原因，分析其力的傳遞路徑，采用增加吸能裝置及材料改進(jìn)的方法對客車結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。與改進(jìn)前相比，改進(jìn)后吸能裝置可以吸收較多能量且駕駛艙變形減小，且加速度與侵入量均在限值內(nèi)，滿足法規(guī)要求。