基于HyperWorks大客車上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析及側(cè)翻試驗(yàn)的研究

劉少杰

(廈門金龍旅行車有限公司試驗(yàn)認(rèn)證部，福建 廈門 361026)

1 引 言

近年來(lái)，我國(guó)客車工業(yè)和公路客運(yùn)行業(yè)取得了快速的發(fā)展，客車事故發(fā)生的頻率也有所增加。客車交通事故，尤其是客車側(cè)翻事故造成大量的人員傷亡，嚴(yán)重影響了人們的正常生活[1]。查閱近年來(lái)的客車事故及人員傷亡比例發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度做得好的客車，在翻車事故中不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重變形及散架的情況，能有效減少車上乘客的傷亡。

本文按照歐洲ECE R66法規(guī)[2]《關(guān)于就上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面批準(zhǔn)大型乘客車的統(tǒng)一規(guī)定》，考核我公司出口車型6140的上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否滿足法規(guī)要求。在模擬仿真分析結(jié)果滿足設(shè)計(jì)及法規(guī)要求的前提下，進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)，驗(yàn)證得出的數(shù)據(jù)，校核仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，為今后車身的改進(jìn)及優(yōu)化設(shè)計(jì)提供有力的模型化參考依據(jù)。

2 側(cè)翻仿真試驗(yàn)算法

客車側(cè)翻仿真分析主要涉及能量守恒原理、中心差分法、沙漏和接觸算法等理論。為建立可信度高的仿真模型，需采用合適的單元尺寸進(jìn)行建模和準(zhǔn)確的模型輸入及配載信息等[3]。

目前，汽車碰撞仿真一般采用顯式算法，其中LS-DYNA采用中心差分算法，即在一個(gè)計(jì)算周期t+Δt內(nèi)位移與加速度無(wú)關(guān)的算法稱為顯式算法，這種算法能在求解規(guī)模較大時(shí)保證計(jì)算效率。二階中心差分法是使用最廣泛的一類顯式積分算法，以下介紹該差分法原理。

(1)

式中，H(tn)為tn時(shí)沙漏黏性阻力；P(tn)為tn時(shí)總體載荷矢量。

采用顯式中心差分法對(duì)時(shí)間積分，有：

(2)

(3)

(4)

由初始構(gòu)形得現(xiàn)時(shí)構(gòu)形：

(5)

3 整車側(cè)翻仿真分析

3.1 客車整車建模

利用HyperWorks的Hypermesh模塊，對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。采用自由網(wǎng)格劃分、體映射網(wǎng)格劃分和體掃掠網(wǎng)格劃分等混合網(wǎng)格劃分方式，最終得到其有限元模型，如圖1所示。

此模型文件包含車架、車身骨架、逃生窗、所有窗戶的玻璃、蒙皮、艙門及各前后圍的玻璃鋼、行李架、座椅(因配重需要，座椅不要全裝，按照?qǐng)D1安裝即可)、護(hù)欄、儀表臺(tái)及配重塊等。

圖1 有限元模型

3.2 整車側(cè)翻運(yùn)動(dòng)過(guò)程

側(cè)翻過(guò)程如圖2所示。

圖2 整車側(cè)翻運(yùn)動(dòng)過(guò)程

3.3 生存空間余量的變化

前端生存空間余量的變化，乘客門立柱生存空間余量的變化，后端生存空間余量的變化，如圖3-圖5所示。

圖3 整車前端生存空間余量變化曲線

圖4 乘客門立柱生存空間余量變化曲線

圖5 整車后端生存空間余量變化曲線

從圖中可以看到，在0.13s，前端生存空間余量約23mm；在0.12s，乘客門立柱生存空間余量約有15mm；在0.10s，后端的生存空間余量不足1mm。整車前部剛度比較大，變形較?。缓蠖藙偠容^差，變形較大，這主要是由于隨動(dòng)橋正上方的兩根窗立柱被打斷(如圖6所示)，造成力的傳遞不暢，故建議該部位最好能保證一根立柱直接貫通[4]。

圖6 立柱斷開(kāi)的部位

3.4 側(cè)翻能量曲線

整車側(cè)翻能量曲線如圖7所示，從圖中可以看到，側(cè)翻初始動(dòng)能為250kJ，在側(cè)翻運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，能量逐漸轉(zhuǎn)換為內(nèi)能。其中，沙漏能很小，約為0.03kJ，滑移能也很小，約0.05kJ，可忽略不計(jì)。從能量曲線看，能量最終保持不變[5]，滿足能量守恒定律，故本次模擬分析有效[6]。

圖7 整車側(cè)翻能量曲線

4 實(shí)車側(cè)翻試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 試驗(yàn)對(duì)象

樣品數(shù)量為1件，基本情況如表1所示。6140整車骨架結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖8-圖12。

圖12 行李艙處配載

表1 樣品描述

圖8 6140實(shí)車

4.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)方法依據(jù)ECE R66《關(guān)于就上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面批準(zhǔn)大型乘客車的統(tǒng)一規(guī)定》。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果

4.3.1 整車配載過(guò)程

目標(biāo)值：總重20600kg，重心離地高度為1697mm，x方向?yàn)?080mm(距前軸)，y為3mm(偏左)。估計(jì)整車骨架重量為14t，預(yù)計(jì)配重6600kg。

(a)前端生存空間 (b)后端生存空間

(a)上層 (b)下層

圖11 衛(wèi)生間處配載

稱重后，整車重14060kg，需配載鐵塊6540kg，加載后實(shí)際總重20612kg。配載前后質(zhì)心坐標(biāo)位置詳見(jiàn)表2。

表2 加載前后質(zhì)心坐標(biāo)

4.3.2 試驗(yàn)結(jié)果

此次側(cè)翻試驗(yàn)前，生存空間(泡沫區(qū)域)布置示意圖如圖13所示。試驗(yàn)前竹筷一端垂直插入泡沫中，另一端露出泡沫100mm。

圖13 生存空間上所標(biāo)記的竹筷示意圖

本次側(cè)翻試驗(yàn)的結(jié)果如圖14、圖15所示,最大側(cè)翻穩(wěn)定角見(jiàn)表3。該整車骨架所做的生存空間(泡沫)完好，生存空間沒(méi)有被侵占。

圖14 試驗(yàn)后整車骨架變形

(a)前端生存空間(泡沫) (b)后端生存空間(泡沫)

表3 (整車骨架)最大側(cè)翻穩(wěn)定角

4.3.3 生存空間余量的變化量

生存空間上所標(biāo)記的竹筷在試驗(yàn)前后變化量如表4所示。

表4 生存空間(泡沫)上竹筷的變化量(mm)

4.4 實(shí)車試驗(yàn)結(jié)論

根據(jù)表4中泡沫上竹筷的變化量，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)ECE R66《關(guān)于就上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面批準(zhǔn)大型乘客車的統(tǒng)一規(guī)定》，可以得出，本次側(cè)翻試驗(yàn)，前后端的生存空間都未被侵占，可判定此次骨架側(cè)翻結(jié)果合格。

5 結(jié) 語(yǔ)

利用有限元法和實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證法，分別對(duì)出口車型6140進(jìn)行了上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的分析與試驗(yàn)。依據(jù)《關(guān)于就上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面批準(zhǔn)大型乘客車的統(tǒng)一規(guī)定》，進(jìn)行了整車側(cè)翻碰撞仿真分析，分析了該車的被動(dòng)安全特性，并進(jìn)行了實(shí)際樣車側(cè)翻碰撞試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果與仿真分析對(duì)標(biāo)很好，驗(yàn)證了此次有限元分析的正確性，初步構(gòu)建了整車結(jié)構(gòu)在側(cè)翻方面的有限元模型，發(fā)現(xiàn)了耐撞性方面存在的問(wèn)題。

(1)獨(dú)立完成了客車車身結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算模型，對(duì)某客車進(jìn)行了側(cè)翻碰撞模擬分析，計(jì)算得到了各柱的吸能特性、變形等數(shù)據(jù)，對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)，檢驗(yàn)及改進(jìn)模型，提高模型精度，為客車上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的改進(jìn)及后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)，并總結(jié)歸納了客車車身結(jié)構(gòu)模型化的方法。

(2)本次試驗(yàn)的內(nèi)容、規(guī)程和方法為客車側(cè)翻碰撞試驗(yàn)累積了經(jīng)驗(yàn)。采集并處理實(shí)車試驗(yàn)數(shù)據(jù)，一方面為有限元建模及分析提供實(shí)踐依據(jù)，另一方面用來(lái)驗(yàn)證有限元模型的精確性。

(3)本文的另一創(chuàng)新點(diǎn)是實(shí)際樣車側(cè)翻碰撞試驗(yàn)。研究客車車身結(jié)構(gòu)的側(cè)翻碰撞有限元分析是客車車身設(shè)計(jì)的一個(gè)重要發(fā)展，具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。