8m 客車側(cè)翻仿真與上部結(jié)構(gòu)安全性分析＊

張勝蘭 呂文芬

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

0 引 言

客車交通安全事故形態(tài)主要為碰撞、側(cè)翻與追尾.由于客車的重心較高，側(cè)面接觸面積大，當(dāng)與其他客、貨車發(fā)生碰撞接觸時，由于產(chǎn)生的振動和慣性矩較大，極易引起客車側(cè)翻.我國新版GB13094-2007《客車結(jié)構(gòu)安全要求》于2008年2月1日其開始實施，并規(guī)定2011年2月1日開始強制執(zhí)行客車上部結(jié)構(gòu)強度的試驗，即客車生產(chǎn)廠商在進行客車公告前必須進行客車側(cè)翻碰撞試驗.

客車側(cè)翻的結(jié)構(gòu)安全性研究方法主要為：試驗法與有限元仿真分析法［1-3］.前者通過整車或者相關(guān)部件進行實車試驗研究，驗證客車上部結(jié)構(gòu)是否滿足法規(guī)要求；后者即通過數(shù)值有限元模型來進行側(cè)翻仿真模擬，可有效地降低研發(fā)成本.由于我國的標(biāo)準(zhǔn)GB／T17578-1998以及歐洲的ECE R-66的安全性評價方法中均僅對生存空間指標(biāo)提出了要求，通過側(cè)翻碰撞中客車車身變形來說明客車車身結(jié)構(gòu)的強度性能，但該指標(biāo)卻不能完全反映客車側(cè)翻碰撞的安全性能.

本文利用顯式非線性分析軟件Radioss對某8m 客車進行數(shù)值仿真分析，與實車側(cè)翻試驗結(jié)果比較，驗證客車上部結(jié)構(gòu)強度是否滿足法規(guī)要求，并給出了該客車側(cè)翻平均加速度、加速度均方根值以及最大加速度指標(biāo).前處理工具為HyperMesh／HyperCrash，后處理 工具為 Hyper-View，HyperGraph.

1 客車側(cè)翻有限元模型的建立

1.1 客車有限元模型

研究對象是某8m 長途旅游客車，車身結(jié)構(gòu)為半承載式，采用發(fā)動機后置布置形式，車身整體為一層半結(jié)構(gòu)，即車身上部為乘客艙，下半部分為行李艙.客車的車身骨架主要由地板骨架、前／后圍骨架、左／右側(cè)圍骨架和大頂骨架焊接而成，其車身骨架與車架縱梁兩側(cè)懸伸的牛腿焊接在一起，這種車身下部與車架組合成為一個整體受力系統(tǒng)，形成半承載式車身.為了控制計算規(guī)模，在準(zhǔn)確反映車身的實際特性、約束載荷與實際條件一致的前提下，適當(dāng)簡化客車的幾何模型.該客車車身與車架的有限元簡化模型見圖1.

1.2 客車側(cè)翻仿真模型

圖1 車身與車架有限元模型

在已驗證的客車有限元模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)企業(yè)提供的有關(guān)數(shù)據(jù)，建立客車前／后車橋、輪胎網(wǎng)格模型，見圖2.

圖2 輪胎、車橋有限元模型

并按照客車安全法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)建立側(cè)翻平臺、地面與生存空間等有限元模型，將翻轉(zhuǎn)平臺建立為剛性體，地面為剛性墻.由于生存空間是否侵入是評價客車側(cè)翻上部結(jié)構(gòu)安全的重要指標(biāo)，在側(cè)翻過程中不存在變形，將其定義為剛體，同時為了不影響客車質(zhì)心的高度，生存空間的質(zhì)量應(yīng)盡可能的小.生存空間有限元模型見圖3.

圖3 生存空間有限元模型

2 側(cè)翻仿真分析與安全性評價

2.1 邊界條件的設(shè)定

由于客車從臨界側(cè)翻點翻至地面整個有限元仿真計算時間過長，而客車在空中有較長的一段時間不與任何物體發(fā)生碰撞，只有重力勢能與動能的轉(zhuǎn)化，沒有發(fā)生變形，因此為了節(jié)省計算時間，這里以客車即將與地面發(fā)生碰撞時刻作為客車側(cè)翻的仿真計算的初始點，見圖4.

圖4 客車側(cè)翻計算初始點

根據(jù)能量守恒定律，其中：v0為臨界側(cè)翻點的速度，v0=ω0r；vt為客車接近地面時的速度，vt=ωtr；Δh為客車從臨界側(cè)翻點至接近地面時質(zhì)心變化高度；ω0為客車初始旋轉(zhuǎn)角速度（翻轉(zhuǎn)平臺翻轉(zhuǎn)角速度為5（°）／s，即ω0=0.0875rad／s）；ωt為客車與地面接觸時的角速度；r為客車?yán)@旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)半徑；參考圖5 可計算出，r=，h0為客車在旋轉(zhuǎn)平臺上初始質(zhì)心高度；B為旋轉(zhuǎn)軸到客車縱向中心平面的距離；t為客車質(zhì)心偏距（到縱向中心面的距離）.可計算出客車接近地面時的角速度為ωt=1.587rad／s.

圖5 客車側(cè)翻過程示意圖

由質(zhì)心高度及質(zhì)心偏距可計算得到客車側(cè)翻臨界角為43.1°，客車實車側(cè)翻試驗得到的側(cè)翻角度為41°，滿足法規(guī)要求.

2.2 載荷與接觸定義

客車側(cè)翻過程中承受重力，通過Load-GRAV 載荷卡片，按照垂直方向?qū)⒅亓κ┘拥杰嚿聿考?；同時由于客車從接近地面時開始側(cè)翻，在碰撞過程中，骨架與骨架之間、骨架與地面之間發(fā)生接觸，要合理設(shè)置摩擦系數(shù).在客車碰撞過程中，為防止客車車身骨架與骨架、骨架與剛性地面之間的相互穿透，同時為了描述部件間相互作用力，需要對可能發(fā)生接觸的地面進行接觸類型的設(shè)置并選取相關(guān)控制參數(shù).客車骨架之間的接觸類型選擇為Type 7，即自動接觸，并給定合理的接觸間隙；客車骨架與剛性地面之間的接觸類型選擇為Rigid Wall，即剛性墻，通過主、從節(jié)點的關(guān)系來表明接觸關(guān)系.

2.3 仿真結(jié)果分析

為保證計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用QEPH 或Batoz單元的積分形式，有效地控制沙漏能.為保證計算效率，采用固定的時間步長，通過質(zhì)量縮放技術(shù)，即在模型上增加質(zhì)量，以滿足數(shù)值穩(wěn)定的需求，并將質(zhì)量縮放誤差控制在0.01的范圍內(nèi).

客車側(cè)翻有限元仿真計算時間取400ms，側(cè)翻隨時間變化情況見圖6.側(cè)翻碰撞開始時，側(cè)圍上頂棚橫梁與地面接觸，隨著碰撞時間的增加，客車側(cè)圍逐漸與地面接觸，側(cè)圍立柱的變形逐漸增加，發(fā)生塑性變形，到195ms時，客車車身變形達(dá)到最大，繼而發(fā)生滑移，側(cè)圍立柱的彈性變形逐漸恢復(fù)，完成整個側(cè)翻過程.

2.3.1 能量分析

圖6 客車側(cè)翻時移圖

圖7為側(cè)翻過程能量變化曲線.圖中沙漏能在側(cè)翻過程中基本為零，滿足沙漏在任何時刻不超過總能量5%的要求，且在側(cè)翻碰撞過程中動能逐漸減少，內(nèi)能增大，重心不斷下降，重力勢能做功，滿足能量守恒的要求，且由于重力勢能的增加，導(dǎo)致總能量比初始時刻有所增加.在195 ms內(nèi)能達(dá)到最大值，即此時刻車身變形最大，稍后車身回彈，內(nèi)能上升趨勢減緩.法規(guī)要求車身吸收的能量即內(nèi)能與初始動能的比值不得小于0.75，根據(jù)圖中數(shù)據(jù)可知，內(nèi)能與初始動能的比值為1.28，滿足法規(guī)要求.

圖7 側(cè)翻能量變化曲線

2.3.2 速度與加速度分析

分析結(jié)論如下：（1）在0～0.05s時間內(nèi)，速度與加速度值變化較大，說明客車與地面開始接觸，且在0.015s時，速度減少到最小值，而加速度增加到最大值，即在此時刻發(fā)生第一次碰撞，最大加速度為26.29g，會對客車車身造成較大的沖擊.應(yīng)該在客車上部增加一些吸能結(jié)構(gòu)，降低最大加速度值，以減少對人體的傷害；（2）根據(jù)圖8a）所示，速度在X方向上的分量，根據(jù)積分可得在車身達(dá)到最大變形時客車在X方向上的位移為24.48mm，即在X方向有輕微的振動，這是由于在整車側(cè)翻過程中，雖然約束了整車X方向的平動自由度，但在材料發(fā)生塑性變形時，材料的彎曲變形引起了X方向的輕微振動；（3）根據(jù)圖8b）、c）、d）所示，在0.1～0.35s時間內(nèi)，速度有一次回彈，即在0.225s時刻達(dá)到最大，后由于客車在碰撞的過程中發(fā)生回彈，導(dǎo)致在0.325s時刻速度值發(fā)生回彈，但是數(shù)值較第一次碰撞時有所降低；（4）根據(jù)圖9加速度歷程曲線可知，由于客車車身結(jié)構(gòu)、材料屬性以及車身內(nèi)部元件在碰撞過程中發(fā)生的撞擊、震動等原因，從而導(dǎo)致客車的加速度在達(dá)到最大值后出現(xiàn)一定的波動.

圖8 側(cè)圍立柱某節(jié)點速度歷程

本次側(cè)翻碰撞事件為400ms，其平均加速度為5.78g，加速度均方根值為5.75g，最大加速度為26.29g.計算所得3 個加速度值較國內(nèi)外其他車型側(cè)翻碰撞數(shù)據(jù)較高，說明該客車安全性還有待改善.需要說明的是，本客車的有限元模型中忽略了蒙皮的吸能作用，同時一些部件以質(zhì)量點的形式加載，也沒考慮其吸能的作用，因而加速度值比實際值偏大.

圖9 同一節(jié)點加速度歷程

2.3.3 車體變形分析 在客車側(cè)翻過程中，由于上部橫梁最先與地面發(fā)生接觸，隨著時間的增加，客車車身側(cè)圍立柱逐漸發(fā)生變形，在這個過程中，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)圍前、中、后端部位立柱的變形量不同，因而分別考察上述位置的側(cè)圍立柱從計算開始時到計算結(jié)束過程中與生存空間的最小距離.如圖10所示，從側(cè)圍前、中、后立柱上分別選取上、下2個測量點，測量側(cè)圍立柱的變形是否侵入生存空間，其結(jié)果見表1.

表1 車身側(cè)圍立柱變形

圖10 車身側(cè)圍立柱測量位置

由表1可見，車身側(cè)圍立柱與生存空間的最小距離為61.9 mm（該客車實車側(cè)翻試驗結(jié)果：右側(cè)圍與變形規(guī)的最小距離為60 mm），生存空間未受到侵入，符合法規(guī)要求.也可以看到，由于車門安裝的部位的影響，側(cè)圍前端安全性較中、后部端弱.

2.3.4 生存評估角分析［5］為了全面的考察生存空間是否受到侵入，將側(cè)圍與客車地板所形成的角度定義為生存評估角θ（見圖11），通過生存評估角分析來衡量生存空間是否受到侵入.

圖11 生存空間評估角θ

根據(jù)文獻(xiàn)［6］中生存空間截面圖，可計算出生存空間截面角度為θ0=71.6°（生存空間被侵入的最小角度）.在未發(fā)生側(cè)翻時側(cè)圍與客車地板間的夾角為θmax=89°.在側(cè)翻過程中，生存空間評估角θ不斷減少，在客車達(dá)到最大變形時，若生存評估角θ小于θ0，則認(rèn)為生存空間受到侵入.

為此，測量客車在側(cè)翻最大變形時刻側(cè)圍前、中、后段部位地板與右側(cè)圍形成的夾角，如圖12所標(biāo)識的A，B，C3處，分別記為θA，θB，θC.測量角度見表2.在側(cè)翻過程中，側(cè)圍后部有橫向支撐結(jié)構(gòu)，故生存空間評估角θC的值大于θA；側(cè)圍前端變形較大，θA為72.3°大于θ0=71.6°，側(cè)圍立柱與地板所形成的夾角符合要求，生存空間未受到侵入.

圖12 T=195ms客車最大變形量

表2 生存空間評估角變化

3 結(jié) 論

1）有限元仿真能有效的模擬實車側(cè)翻試驗，仿真結(jié)果表明該8m 客車上部結(jié)構(gòu)安全符合法規(guī)要求.但也應(yīng)考慮到在客車上部安裝一些吸能裝置，減少對人體的傷害，進一步提高客車的安全性.

2）在公開的文獻(xiàn)中，極少看到用側(cè)翻加速度指標(biāo)來評價客車上部結(jié)構(gòu)安全性，因此本文中得到的平均加速度、加速度均方根值以及最大加速度值對同類型的客車側(cè)翻碰撞研究提供一定的參考依據(jù).

3）利用Radioss求解器對客車進行側(cè)翻仿真分析，仿真結(jié)果與實車試驗結(jié)果相近（客車側(cè)翻角：仿真結(jié)果為43.1°，試驗為41°；車身側(cè)圍立柱與生存空間的最小距離：仿真結(jié)果為61.9 mm，試驗結(jié)果為60mm），為后續(xù)的研究提供了參考.同時也應(yīng)該看到，客車側(cè)翻仿真與實車試驗結(jié)果有一定的誤差，因此，建立精確的有限元模型（考慮蒙皮、玻璃、內(nèi)飾等）是進一步的研究目標(biāo).

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