基于側(cè)翻安全性的客車車身骨架輕量化研究

許彥池

（石家莊中博汽車有限公司，石家莊050800）

1 引言

安全節(jié)能和環(huán)保是當今汽車發(fā)展的主題，車輛安全性與輕量化設計是各車企生產(chǎn)商重點研究的對象[1-2]。尤其對于客車生產(chǎn)廠商，由于歷史原因，大部分客車車身骨架設計得都非常保守，造成車身骨架超重特別嚴重，這給我們留下了非常大的減重空間；但是由于客車本身的特點，比較高，承載人數(shù)比較多，容易在路況或車況不好的情況下發(fā)生側(cè)翻，而一旦發(fā)生側(cè)翻都是造成群死、群傷，造成嚴重的社會影響。

所以現(xiàn)在相關部門對客車的安全性能，特別是側(cè)翻安全性能要求非常嚴格，并引入歐盟ECE R66上部結(jié)構(gòu)強度的強制標準。目前，為提高整車的側(cè)翻安全性能，大都采用加大材料規(guī)格的方法，但是這會極大增加整車重量，一方面增加成本，另一方面重量增加也不利于側(cè)翻安全。

本項目主要是通過研究高強度鋼材料在對側(cè)翻安全影響較大的地方（如側(cè)圍立柱、頂蓋橫梁等位置）的有效使用，減小材料規(guī)格,對骨架結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，并對優(yōu)化后的骨架模型進行有限元模擬，達到側(cè)翻安全要求之后，再通過試驗對優(yōu)化的骨架進行試驗驗證。得到一種在保證側(cè)翻安全性的同時，實現(xiàn)整車骨架的輕量化的方法。

2 前期準備

2.1 中段骨架模型的建立

客車側(cè)翻主要是參考客車上部結(jié)構(gòu)以及側(cè)圍的強度，因此截斷模型可以直接在整車模型中直接截取。本項目是在我司6129Y8側(cè)圍處，選擇具有客車結(jié)構(gòu)代表性的部位（如圖1所示）。

圖1 中段骨架模型

2.2 乘員生存空間要求

ECE R66法規(guī)修訂于2006年2月底于載客多于22人的客車該法規(guī)規(guī)定的客車側(cè)翻碰撞安全性試驗要求客車停放在一個水平的翻轉(zhuǎn)平臺上翻轉(zhuǎn)起始水平面與下方的撞擊面高度相差800mm，客車在沒有搖晃和不受其他外力影響的情況下側(cè)傾直至翻倒側(cè)傾角速度不應超過5°/s（0.087rad/s），如圖2所示，圖中CG、CG′、CG″為客車不同位置時的重心位置，B為旋轉(zhuǎn)軸到客車縱向垂直中心平面的距離，t為客車重心到縱向垂直中心平面的距離，h0為客車在翻轉(zhuǎn)平臺上的重心初始高度，h1為客車臨界側(cè)翻時重心高度[3]。

圖2 客車側(cè)翻碰撞試驗過程圖

ECE R66法規(guī)要求,客車側(cè)翻碰撞試驗時須確保側(cè)翻變形后車身結(jié)構(gòu)不得侵入生存空間內(nèi)的任何部件也不得侵入生存空間之外,乘員生存空間尺寸的定義如圖3所示：[4]

圖3 生存空間示意圖

3 中段骨架有限元模型的建立及分析

有限元建模的中心任務是結(jié)構(gòu)離散，即劃分網(wǎng)格。但是還是要處理許多與之相關的工作：如結(jié)構(gòu)形式處理、集合模型建立、單位特性定義、單元質(zhì)量檢查、編號順序以及模型邊界條件的定義等[5-6]。

3.1 材料及單元屬性

本項目研究車型的骨架結(jié)構(gòu)方鋼采用20#鋼、車架骨架采用Q345B。模型中絕大部分網(wǎng)格采用殼單元，長度選擇15mm，有些局部結(jié)構(gòu)較復雜的選擇10mm。

3.2 焊點處理

本研究均采用節(jié)點重合和剛性連接（RBE2單元）模擬焊點。其恰好可以顯示出焊縫處的應力集中現(xiàn)象，但這樣處理的結(jié)果可能會使剛度降低。

3.3 網(wǎng)格質(zhì)量檢查

主要通過檢查warpage（均大于5.0）、aspect(均大于4.0)、jacobian(均小于0.6)確定其合理性。

3.4 施加載荷及約束根據(jù)法規(guī)要求翻轉(zhuǎn)

圖4 原始中段骨架有限元模型

圖5 原始的中段骨架側(cè)翻碰撞仿真結(jié)果示意圖

原始中段骨架有限元模擬側(cè)翻碰撞結(jié)果如圖5所示，是不合格的。

4 采用高強鋼優(yōu)化模型建立及計算分析

4.1 材料的選擇

隨著全球環(huán)境和能源危機的日益加劇，節(jié)能、減排已成為客車制造業(yè)面臨的重大問題?？蛙囕p量化技術已成為汽車行業(yè)的發(fā)展潮流，得到廣泛關注。高強度鋼在客車減重、提高安全性等方面效果顯著，在車身制造中應用越來越多。本項目在客車側(cè)翻中的高強度鋼應用（兩種高強度鋼分別為1180#和980#），其材料參數(shù)來自于國內(nèi)某鋼鐵公司所提供的。[7-10]

4.2 骨架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

依據(jù)輕量化設計指導思想，該車的輕量化設計方案如下：①側(cè)圍的縱梁方鋼由Q345B的Q345B的60mm*40mm*3mm改為980#的50mm*40mm*2.5mm的高強鋼，所有側(cè)圍的斜撐由Q345B的50mm*35mm*2mm改為980#的35mm*35mm*2mm。②側(cè)圍行李艙下立柱由Q345B的40mm*40mm*2mm改為980#的40mm*40mm*1.5mm。③側(cè)圍立柱由Q345B的40mm*30mm*2mm和30mm*30mm*2mm桿梁相應改為980#的40mm*30mm*1.5mm和30mm*30mm*1.5mm;斜撐由Q345B的60mm*30mm*3mm改為980#的60mm*30mm*2mm。④頂蓋橫梁中由Q345B的50mm*40mm*2mm改為980#的50mm*30mm*2mm或50mm*35mm*2mm。

上述方案是對現(xiàn)有車型改動量最小時的輕量化設計方案，依據(jù)此方案可減輕250kg,相對于原始中段骨架減輕13.7%。

圖6 優(yōu)化后中段骨架有限元模型

圖8 中段側(cè)翻碰撞完成

圖9 中段前側(cè)生存空間

圖10 中段后側(cè)生存空間

4.3 模擬分析側(cè)翻碰撞結(jié)果

同2.2所用的方法對優(yōu)化后的骨架模型進行側(cè)翻碰撞模擬，結(jié)果如圖7所示，可以滿足側(cè)翻安全要求。

圖7 優(yōu)化后的客車側(cè)翻碰撞仿真結(jié)果示意圖

5 中段側(cè)翻試驗

5.1 試驗骨架配載過程

目標值：總重3.2t，重心離地高度為1440 mm，x方向位于中段中點位置，y為偏右31.3mm(與原型車基本相同）,估計骨架及托架重量為1.15t，預計配重2.05t。

稱重后骨架重1087kg，需配載鐵塊2113kg，加載后實際總重3201kg

表1 加載前后質(zhì)心坐標

5.2 試驗結(jié)果

骨架最大側(cè)翻穩(wěn)定角為38.0度，骨架側(cè)翻后，輕度變形，泡沫標記的安全區(qū)域沒有被侵占。后端泡沫木筷觸及車身，木筷外露長度由Q345B的100mm變?yōu)?2～70mm，后端泡沫木筷有三根長度變?yōu)?5mm，其余未觸及車身骨架，如圖8-10所示。

故判定此骨架側(cè)翻結(jié)果為：合格。

6 結(jié)語

采用增大客車側(cè)圍骨架壁厚及其材料規(guī)格的方法都可有效提高客車的側(cè)翻安全性，然而僅僅通過增大材料規(guī)格的方法來提高客車的側(cè)翻安全性，往往會導致客車車身骨架的質(zhì)量增大，不利于整車的輕量化要求。本文提出了在車身骨架關鍵立柱和橫梁上合理的利用高強度鋼材料，并對材料規(guī)格進行優(yōu)化，來提高客車的側(cè)翻安全性和滿足輕量化要求的方法。研究結(jié)果表明，優(yōu)化后的車體強度和剛度滿足ECE R66法規(guī)對乘員生存空間的要求，客車側(cè)翻碰撞安全性得到了改善，同時，側(cè)圍立柱和頂橫梁的質(zhì)量比優(yōu)化前共減小了13.7%，實現(xiàn)了車身結(jié)構(gòu)輕量化。