基于側(cè)翻安全性的客車腰梁接頭結(jié)構(gòu)改進(jìn)研究*

那景新，王秋林，高劍峰，劉霄希

(1.吉林大學(xué)，汽車仿真與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春 130022； 2.中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心，長春 130011； 3.北京汽車股份有限公司汽車研究院，北京 101300； 4.北京奔馳汽車有限公司，北京 100176)

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2015147

基于側(cè)翻安全性的客車腰梁接頭結(jié)構(gòu)改進(jìn)研究*

那景新，王秋林，高劍峰，劉霄希

(1.吉林大學(xué)，汽車仿真與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春 130022； 2.中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心，長春 130011； 3.北京汽車股份有限公司汽車研究院，北京 101300； 4.北京奔馳汽車有限公司，北京 100176)

針對客車側(cè)翻時腰梁接頭局部變形的特點(diǎn)，提出一種腰梁接頭結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案。首先建立了客車中段側(cè)翻模型，并分別進(jìn)行側(cè)翻過程的仿真和試驗(yàn)，得到的仿真結(jié)果與試驗(yàn)較接近，驗(yàn)證了客車側(cè)翻仿真的有效性；然后通過車身段模型側(cè)翻仿真，對比改進(jìn)前后的腰梁接頭結(jié)構(gòu)在沖擊載荷下的變形特性，最后將改進(jìn)方案引入某客車整體模型中，與改進(jìn)前的腰梁接頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行側(cè)翻性能對比分析，進(jìn)一步驗(yàn)證了改進(jìn)后的腰梁接頭結(jié)構(gòu)有效性，為客車結(jié)構(gòu)側(cè)翻安全性設(shè)計(jì)提供參考。

客車；腰梁接頭；結(jié)構(gòu)改進(jìn)；側(cè)翻仿真

前言

隨著交通網(wǎng)絡(luò)迅猛發(fā)展，公路客運(yùn)量快速增長，客車交通事故的數(shù)量呈上升趨勢。側(cè)翻是大客車主要事故類型之一，客車側(cè)翻往往造成眾多人身傷亡，屬于重大交通事故[1]。因此，如何提高客車抗側(cè)翻能力,確保此類事故中乘客生命安全已成為一個非常重要的課題。

現(xiàn)階段國內(nèi)外學(xué)者主要針對客車側(cè)翻的模擬方法、結(jié)構(gòu)局部加強(qiáng)和新材料應(yīng)用等方面進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[2]中對客車側(cè)翻仿真模型的建模方法和結(jié)果評價方式進(jìn)行了研究，并提出該客車上部結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案。文獻(xiàn)[3]中為提高客車腰梁接頭抗彎能力，提出了腰梁接頭的局部加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，并通過腰梁接頭結(jié)構(gòu)的抗彎試驗(yàn)和客車側(cè)翻仿真進(jìn)行了驗(yàn)證。文獻(xiàn)[4]中將結(jié)構(gòu)泡沫和高強(qiáng)度鋼應(yīng)用到客車變形區(qū)域的接頭處，避免了側(cè)翻時變形區(qū)域的接頭出現(xiàn)局部壓潰現(xiàn)象。

本文中從客車腰梁接頭局部在側(cè)翻時的變形特點(diǎn)出發(fā)，對腰梁接頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，旨在提高客車側(cè)翻安全性能。

首先參照歐洲ECE-R66法規(guī)，簡化模擬客車側(cè)翻試驗(yàn)過程，通過對比某客車中段仿真與試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證客車側(cè)翻仿真方法的有效性。在保證模擬精度的基礎(chǔ)上，對客車腰梁接頭結(jié)構(gòu)側(cè)翻安全性進(jìn)行研究。

鑒于客車側(cè)翻碰撞過程中，封閉環(huán)結(jié)構(gòu)是承受沖擊載荷的主要載體[5]，為縮短研究周期，建立含有兩個封閉環(huán)的車身段模型進(jìn)行側(cè)翻模擬，分析腰梁接頭結(jié)構(gòu)在沖擊載荷下的變形特性，并提出腰梁接頭結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方案，然后通過車身段側(cè)翻仿真模型研究改進(jìn)后的腰梁接頭結(jié)構(gòu)變形特性，最后將改進(jìn)腰梁接頭結(jié)構(gòu)方案引入某客車整體模型中進(jìn)行側(cè)翻模擬，進(jìn)一步對比改進(jìn)前后的腰梁接頭結(jié)構(gòu)對客車側(cè)翻性能的影響。

1 側(cè)翻試驗(yàn)過程和評價指標(biāo)

歐洲ECE-R66法規(guī)是認(rèn)證客車側(cè)翻安全性能的主要標(biāo)準(zhǔn)，該法規(guī)中的客車側(cè)翻試驗(yàn)要求如下：客車在整備質(zhì)量或總有效質(zhì)量下，放置在離地面800mm高的傾斜平臺上，在沒有搖晃和不受其它外力影響的情況下，隨平臺以不超過0.087rad/s的角速度側(cè)傾直至翻倒撞擊地面，當(dāng)客車結(jié)構(gòu)變形不再發(fā)生變化時，試驗(yàn)結(jié)束?？蛙噦?cè)翻試驗(yàn)過程如圖1(a)所示?？蛙嚢匆筮M(jìn)行試驗(yàn)過程中，應(yīng)保證其上部結(jié)構(gòu)具有足夠的剛度和強(qiáng)度，為乘客提供必要的生存空間[6]，如圖1(b)所示。

2 車身段側(cè)翻仿真模型的建立

2.1 網(wǎng)格劃分和連接關(guān)系的處理

為保證計(jì)算精度并提高計(jì)算效率，采用10mm大小的Belytschko-Tsay薄殼單元劃分網(wǎng)格，結(jié)構(gòu)間的焊接關(guān)系采用節(jié)點(diǎn)耦合和剛性連接模擬，同時為彌補(bǔ)客車輪胎高度，建立了車身段側(cè)翻支架，如圖2所示。

2.2 材料模型的選取

計(jì)算單元的響應(yīng)與材料參數(shù)有關(guān),材料參數(shù)的設(shè)置對于碰撞模擬精度具有極其重要的意義[7]?？蛙噦?cè)翻碰撞過程中，結(jié)構(gòu)塑性變形為主要吸能形式，故選用多線性彈塑性材料本構(gòu)模型，并考慮應(yīng)變率的影響，采用Cowper-Symonds方式計(jì)算屈服應(yīng)力[8]。

2.3 定義邊界條件

(1) 施加載荷 重力做功是碰撞過程中能量的主要來源,故將重力加速度施加給仿真模型，創(chuàng)建模型自重。為較真實(shí)地模擬車身段在客車結(jié)構(gòu)中的側(cè)翻變形特點(diǎn)，基于車身段在客車結(jié)構(gòu)中的變形吸能情況，確定車身段側(cè)翻仿真模型的配重，并調(diào)整了質(zhì)量分布位置，使車身段質(zhì)心位置與客車整車相同，具體的集中質(zhì)量位置如圖2中圓圈所示。

(2) 初始速度 圖1(a)中CG、CG′、CG″是客車側(cè)翻試驗(yàn)過程中不同時刻的質(zhì)心位置，如果按照側(cè)翻試驗(yàn)過程進(jìn)行模擬,將花費(fèi)大量求解時間，文中只模擬臨近地面時到碰撞結(jié)束的短暫過程，但此方法需要給仿真模型添加臨近地面時的瞬時速度。鑒于客車碰撞前的過程可近似看成定軸轉(zhuǎn)動，通過能量守恒定律求得仿真模型臨近地面時的瞬時角速度[9]。

(3) 定義約束 車身段在側(cè)翻試驗(yàn)過程中隨傾斜平臺旋轉(zhuǎn)，當(dāng)車身段質(zhì)心達(dá)到最高點(diǎn)后，傾斜平臺將停止運(yùn)動，為此將傾斜平臺旋轉(zhuǎn)至車身段質(zhì)心達(dá)到最高點(diǎn)時，對傾斜平臺旋轉(zhuǎn)軸約束6個自由度，約束位置如圖2中三角符號所示。

2.4 定義接觸

車身段結(jié)構(gòu)自身定義自接觸，與傾斜平臺之間定義面面接觸，與地面之間定義點(diǎn)面接觸。為提高計(jì)算效率,設(shè)置碰撞接觸區(qū)域。模型在進(jìn)行接觸檢測時，只針對碰撞接觸區(qū)域進(jìn)行有限元節(jié)點(diǎn)的穿透搜索。

2.5 時間步和沙漏控制

仿真求解采用的顯示中心差分法是有條件穩(wěn)定的，只有當(dāng)時間步小于臨界時間步時才穩(wěn)定。由于計(jì)算機(jī)資源是有限的,應(yīng)合理控制時間步大小，為減少計(jì)算時間,采用質(zhì)量縮放技術(shù)。

單點(diǎn)高斯積分模式將會節(jié)省大量計(jì)算時間，但同時會引起沙漏模式。沙漏是數(shù)值計(jì)算造成的，而不是結(jié)構(gòu)本身的固有特征。沙漏的出現(xiàn)會導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果的可信度下降，因此，本文中對沙漏進(jìn)行了有效控制[10]。

3 客車側(cè)翻仿真驗(yàn)證

3.1 客車中段側(cè)翻仿真模型的建立

為驗(yàn)證該仿真方法的有效性，選取已有某客車中段側(cè)翻試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，參照建模過程，建立的客車中段側(cè)翻仿真模型如圖3所示。為保證模擬精度，對客車中段結(jié)構(gòu)材料的標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行了單向拉伸試驗(yàn)，通過處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到Q345材料有效應(yīng)力應(yīng)變曲線，如圖4所示，并將其應(yīng)用于客車中段側(cè)翻仿真模型中。

3.2 客車中段側(cè)翻仿真與試驗(yàn)結(jié)果對比

圖5為客車中段側(cè)翻仿真最大變形，為考察客車中段側(cè)翻仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，選擇客車中段前端和后端生存空間外邊界上共15個點(diǎn)沿木棍方向到側(cè)圍立柱的最小距離作為驗(yàn)證指標(biāo)，選取點(diǎn)如圖6所示，試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過測量木棍剩余長度獲得，木棍原長100mm，表1為試驗(yàn)與仿真結(jié)果數(shù)據(jù)。

測量點(diǎn)前端后端試驗(yàn)仿真試驗(yàn)仿真1100997061210010270633100103706641001036569510010265736100101657479595647386269

由表1可知，測點(diǎn)7木棍長度減小，其余各測點(diǎn)木棍長度沒有變化，說明前端除測點(diǎn)7外，其余各測點(diǎn)到側(cè)圍立柱的最小距離稍大于或等于100mm。從表1還看出，仿真中前端相對后端變形小的趨勢與試驗(yàn)一致，并且仿真中各測點(diǎn)沿木棍方向到側(cè)圍立柱的最小距離與試驗(yàn)較接近，進(jìn)而驗(yàn)證了客車側(cè)翻仿真方法的有效性。

4 車身段側(cè)翻仿真結(jié)果分析

4.1 腰梁接頭結(jié)構(gòu)變形特點(diǎn)分析

通過觀察車身段側(cè)翻變形可知，主要變形區(qū)域集中在封閉環(huán)腰梁接頭結(jié)構(gòu)局部處，如圖7橢圓區(qū)域中的腰梁局部產(chǎn)生了嚴(yán)重的壓潰變形。

4.2 腰梁接頭結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案

客車立柱在側(cè)翻碰撞過程中所承受力矩的近似分布規(guī)律如圖8所示。鑒于碰撞力產(chǎn)生的力矩是客車腰梁接頭在側(cè)翻過程中的主要載荷，為減緩腰梁接頭結(jié)構(gòu)局部變形，將圖9橢圓區(qū)域中的腰梁向下平移，地板斜撐焊接在側(cè)圍立柱上，這樣腰梁接頭承受的大部分碰撞力矩將被阻斷。進(jìn)一步考慮到側(cè)圍立柱承受的碰撞力矩從上至下是依次增大的，為避免側(cè)圍立柱下端區(qū)域發(fā)生嚴(yán)重的彎折變形而導(dǎo)致窗立柱產(chǎn)生較大的位移,在不影響內(nèi)飾和附件布置的前提下，可以在側(cè)圍立柱內(nèi)側(cè)拼焊局部加強(qiáng)件，再將牛腿焊接在局部加強(qiáng)件上，如此局部加強(qiáng)件也可以參與承擔(dān)碰撞力矩，最終改進(jìn)后的腰梁接頭結(jié)構(gòu)如圖9所示。

4.3 改進(jìn)前后的腰梁接頭結(jié)構(gòu)變形對比

圖10為腰梁接頭結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后的車身段側(cè)翻最大變形對比。相比改進(jìn)前，改進(jìn)后的腰梁接頭結(jié)構(gòu)局部變形得到了明顯控制，并且主要承擔(dān)碰撞力矩的側(cè)圍立柱各處變形也較均勻。因此，改進(jìn)后的腰梁接頭結(jié)構(gòu)可以有效地改善車身段側(cè)翻變形。

為定量分析改進(jìn)前后的腰梁接頭結(jié)構(gòu)對車身段側(cè)翻變形的影響，通過計(jì)算車身段封閉環(huán)乘客空間對角點(diǎn)連線長度的最大變形量對比改進(jìn)前后的車身段側(cè)翻變形。最大變形量計(jì)算公式可表示為

(1)

式中：ΔL為改進(jìn)前最大變形量；ΔL′為改進(jìn)后最大變形量；L0為乘客空間對角點(diǎn)連線的初始長度；L為變形最大時，改進(jìn)前乘客空間對角點(diǎn)連線長度；L′為變形最大時，改進(jìn)后乘客空間對角點(diǎn)連線長度。

其中L0=2.901m,L和L′值如圖10中所示，由式(1)可知：ΔL=0.719m，ΔL′=0.489m。改進(jìn)后車身段最大變形量小于改進(jìn)前，與改進(jìn)前相比，改進(jìn)后車身段最大變形量降低了31.99%。

5 客車側(cè)翻仿真結(jié)果分析

由于車身段在客車結(jié)構(gòu)中承擔(dān)眾多載荷，受力情況復(fù)雜，難以按實(shí)際加載，其變形只是接近客車側(cè)翻變形特點(diǎn)，為進(jìn)一步研究改進(jìn)前后的腰梁接頭結(jié)構(gòu)對客車側(cè)翻性能的影響，將改進(jìn)后的腰梁接頭結(jié)構(gòu)引入某全承載客車各封閉環(huán)中。

5.1 客車側(cè)翻仿真模型的建立

客車側(cè)翻過程中，相對骨架來說,一些部件在承受沖擊載荷和吸能方面并不起明顯作用，因此，建模過程中進(jìn)行了以下簡化處理：發(fā)動機(jī)、變速器、座椅和車身附件等以質(zhì)量節(jié)點(diǎn)單元連接在客車骨架的相應(yīng)支撐點(diǎn)上；車橋和懸架用梁單元和彈簧阻尼單元簡化模擬并剛化；考慮客車質(zhì)心高度，用一段與輪胎高度相同的梁單元簡化輪胎模型[11]。建立的某全承載客車側(cè)翻仿真模型如圖11所示。

5.2 客車側(cè)翻仿真結(jié)果對比分析

圖12為腰梁接頭結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后的客車側(cè)翻最大變形對比。由圖12可知，腰梁接頭結(jié)構(gòu)改進(jìn)前的客車變形已侵入ECE-R66法規(guī)規(guī)定的生存空間，改進(jìn)后的客車在側(cè)翻過程中，盡管也產(chǎn)生了一定結(jié)構(gòu)變形，但生存空間沒有受到侵入,因此，腰梁接頭結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的客車側(cè)翻性能優(yōu)于改進(jìn)前。

圖13為客車各封閉環(huán)結(jié)構(gòu)在整車的位置示意圖。鑒于客車各封閉環(huán)結(jié)構(gòu)變形量是不同的，為定量分析改進(jìn)前后整車側(cè)翻變形，將計(jì)算整車各封閉環(huán)乘客空間對角點(diǎn)連線長度的最大變形量，對比改進(jìn)前后的整車側(cè)翻變形。

表2為整車腰梁接頭結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后，客車各封閉環(huán)對角點(diǎn)連線長度的最大變形量對比。

表2 改進(jìn)前后客車各封閉環(huán)變形結(jié)果對比

由表2可知，與腰梁接頭結(jié)構(gòu)改進(jìn)前的客車相比，改進(jìn)后的客車各封閉環(huán)對角點(diǎn)連線長度最大變形量平均降低了19.58%。

6 結(jié)論

對比腰梁接頭結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后的車身段和客車整體側(cè)翻變形可知，腰梁接頭是客車結(jié)構(gòu)側(cè)翻安全性設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部位之一，其結(jié)構(gòu)形式對客車側(cè)翻安全性能的影響較大。同時仿真結(jié)果也表明，所提出的腰梁接頭結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案可顯著提高客車側(cè)翻安全性，對客車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有參考作用。此外，先通過車身段模型改進(jìn)腰梁接頭結(jié)構(gòu)，再通過客車整體模型對該改進(jìn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)證的研究方法可有效地縮短研究周期。

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A Research on the Structure Modification of BusWaist Rail Joint Based on Rollover Safety

Na Jingxin1, Wang Qiulin2, Gao Jianfeng3& Liu Xiaoxi4

1.JilinUniversity,StateKeyLaboratoryofAutomotiveSimulationandcontrol,Changchun130022; 2.R&DCenter,ChinaFAWCo.,Ltd.,Changchun130011; 3.BeijingAutomotiveTechnologyCenter,BAICMOTORCo.,Ltd.,Beijing101300; 4.BeijingBenzAutomotiveCo.,Ltd.,Beijing100176

According to the local deformation features of the waist rail joint of bus during rollover, an improved scheme of waist rail joint structure is proposed. Firstly, a rollover simulation model for the middle section of a bus is built and both simulation and test are conducted with simulation results relatively close to test data, verifying the effectiveness of bus rollover simulation. Then through rollover simulation on bus body sections, the deformation characteristics of waist rail joint structures before and after modification under impact load are compared. Finally the improved scheme is incorporated into the complete bus model to compare the rollover performance of waist rail joint structures with that before modification. This further verifies the effectiveness of the improved structure of waist rail joint, providing a reference for the rollover safety design of bus structure.

bus; waist rail joint; structure modification; rollover simulation

*國家863計(jì)劃項(xiàng)目(2006AA110104)資助。

原稿收到日期為2012年3月14日，修改稿收到日期為2013年6月25日。