基于靈敏度分析和側翻碰撞安全性的客車輕量化研究

郁鋮 洪天宇 周夢瑤 777

【摘 要】以某款國產客車為例，通過對車身部分骨架進行剛度靈敏度分析，從中選取合適的優(yōu)化對象，然后以車身質量最小化為目標，優(yōu)化所選取車身零件的截面尺寸和厚度。對輕量化后的骨架進行側翻碰撞仿真，確保優(yōu)化后的結構安全性。結果表明，輕量化結果滿足乘員安全性的要求。

【關鍵詞】靈敏度分析；側翻；輕量化

一、引言

當今時代的汽車產業(yè)的發(fā)展方向是低碳化、信息化、智能化，對此，輕量化技術是支持節(jié)能與新能源發(fā)展的重要生產技術之一，實現(xiàn)車身結構減重有利于提高汽車動力性以及節(jié)能減排、保護環(huán)境。

但不恰當?shù)妮p量化設計可能導致車身結構力學性能和乘員安全性的下降，因此本文以國內某款客車為例，將檢驗后的有限元模型在Hypermesh/Optistruct中進行計算求解，采用剛度靈敏度分析的方法，得到對剛度變化影響較小的構件并進行輕量化設計。再以客車最危險的側翻碰撞事故為例，在Hypermesh/Ls-Dyna中檢驗優(yōu)化后的客車乘員安全性。

二、建立有限元模型

從Catia中導入整車幾何模型，在Hypermesh中建立有限元模型：為方便建模，做如下簡化處理：（1）忽略管件的倒圓角；忽略一些非承載部件和工藝孔；左右側圍骨架中的部分彎曲梁用直梁代替[1]。（2）網(wǎng)格單元類型選擇：所有規(guī)則的型材和蒙皮采用殼單元建模，鋼板彈簧采用梁單元模擬，車內乘客生存空間采用低密度剛性單元，蓄電池和油箱采用體單元模擬，翻轉平臺及撞擊面采用剛性殼單元模擬。（3）網(wǎng)格單元形狀選擇三角形與四邊形混合交叉型，單元大小為40mm。（4）連接情況：各構件之間進行節(jié)點合并，各總成之間根據(jù)實際焊接情況，采用RBE2剛性單元模擬，蒙皮車身使用焊點連接。（5）材料選擇：客車車身骨架結構和底盤骨架結構均使用Q235B材料，蒙皮使用Q235A材料[1]。

三、車身剛度靈敏度分析

輕量化設計的初衷是通過優(yōu)化材料布局、去除材料冗余的方法達到減輕整車質量的目的，但不可避免地會影響車身性能如整車剛度、模態(tài)和內外部振動噪聲性能等，又因為上述車身性能都可以直接或間接地通過剛度體現(xiàn)[2]，因此本文對車身構件進行剛度靈敏度分析，以期望盡量避免車身性能的大幅度降低。

（一）靈敏度分析

分析目標：彎曲剛度可用車身在鉛垂載荷作用下產生的撓度大小來描述，扭轉剛度可以用車身在扭轉載荷作用下產生的扭轉角大小來描述[2]，因此對于彎曲工況設為車身骨架的最大撓度，對于扭轉工況設為車身的最大扭轉角。

約束條件：對于兩種工況下均設為車身構件的最大應力值

設計變量：由于客車車身結構件眾多，不可能全部選擇，故遵循以下選擇原則：第一，避開對碰撞安全性、局部剛度性能影響大的零件；第二，忽略一些對剛度貢獻量小的板件[2]。最后選擇的設計變量包括：前風窗立柱、側窗立柱、側圍第一立柱和后立柱、擱梁、腰梁、裙立柱、頂部橫梁縱梁等桿件的高、寬、壁厚的變化量。

（二）優(yōu)化設計

得到兩種工況下變量的靈敏度分析結果，挑選其中靈敏度值大者即對目標函數(shù)和約束條件影響小的桿件的作為優(yōu)化設計的設計變量。由于桿件密度均勻，質量與體積成線性關系，因此新的目標函數(shù)設為待優(yōu)化的車身骨架的體積最小[3]，新的約束條件設為待優(yōu)化的車身骨架的最大撓度和最大應力值，計算可得質量、撓度和應力隨迭代次數(shù)的變化情況如表 1。由表知，優(yōu)化分析共進行了10次迭代計算，從第6次開始數(shù)據(jù)漸趨平緩，其中第8次質量最小為700kg，較初始降低120kg，較總質量減小5.9%；此次最大撓度值較第一次增加0.0532mm，上升1.5%；最大應力值較初始值相比增大4.53Mpa，上升4.0%。雖然最大撓度與最大應力均有所上升，但幅度較小，較為理想。

但計算結果出于制造性與經(jīng)濟性的考慮無法直接應用，還需結合實際人為修正板厚，部分截面尺寸的修正值見表2。

四、仿真分析

考慮到地板擱梁與左右側圍的連接部分可能存在變形較大的問題，因此在連接處進行結構加強，采用管內填充的方法，填充材料選擇環(huán)氧樹脂、木屑及固化劑的混合物[1]。在有限元模型中建立實體單元模擬物和乘員安全空間，將模型遞交到Hypermesh/Ls-Dyna中進行側翻碰撞仿真計算。

（一）參數(shù)設置

求解前輸入如下參數(shù)：（1）仿真初始角速度：利用能量守恒定律[4]，計算得客車接觸地面的角速度為2.18rad/s。（2）接觸設置：客車與平臺之間的接觸設置為面面接觸，摩擦系數(shù)均為0.7；客車內部各部件間的接觸設置為單面自動接觸[4]，摩擦系數(shù)設為0.8。（3）時間步長：為了控制沙漏現(xiàn)象，設置沙漏系數(shù)為0.05，并通過人為改變質量縮放來控制時間步長的長短[4]。（4）仿真時間：設為200ms。

（二）侵入量分析

骨架變形量的大小直接影響到乘客的生命安全，因此根據(jù)骨架變形后位移是否侵入生存空間可以判斷乘員安全性是否滿足要求。本文中變形測量點選擇在左右側圍車身立柱距離地板1250mm處各6個測量點[5]，仿真結束后變形的側窗立柱與乘員生存空間的距離如表3所示。由表可知，變形后的車身構件未侵入乘員生存空間，說明乘員安全性滿足要求，其中，前部立柱變形較后部大。

（三）加速度分析

客車發(fā)生側翻事故時，如果客車的側翻加速度較大而車輛結構剛度不夠時，骨架結構會發(fā)生擠壓變形進而造成人員傷亡，或者即便骨架結構沒有入侵乘員生存空間，乘客也可能因為側翻過程中的瞬時加速度過大導致意外。所以在客車側翻過程中，加速度曲線可用來評價乘員安全性的好壞，曲線中峰值大小與峰值的持續(xù)時間是評價的重要指標[6]。

本次仿真中客車的質心加速度隨時間變化的曲線如圖1所示。第一個峰值意味著車體與地面發(fā)生第一次接觸，第二個峰值意味著由于側翻后車體發(fā)生變形后反彈。而與優(yōu)化前相比，第一個和第二個峰值發(fā)生的時間均有延長，加速度值也略有減少，說明優(yōu)化后的結構帶給乘客的最大沖擊載荷有所減少，乘員安全性略有提高。

五、結論

對已有車型在Hypermesh/Optistruct中進行剛度靈敏度分析，通過改變構件的截面尺寸和厚度可以達到輕量化的目的，但車身性能會略有降低。但通過局部加強等措施，在Hypermesh/Ls-dyna中進行側翻碰撞仿真分析可知，結果滿足側翻碰撞下乘員安全性的要求。

【參考文獻】

[1]阮誠心.基于側翻碰撞仿真安全性的客車車身改進設計及乘員損傷研究[D].湖南：湖南大學，2012.6 .

[2]王志亮，劉波，馬莎莎等.基于彎曲剛度和扭轉剛度的白車身優(yōu)化分析[J].機械科學與技術.2008，27（8）：1021-1024.

[3]曹文鋼，曲令晉，白迎春.基于靈敏度分析的客車車身質量優(yōu)化設計[J].汽車工程.2009，31（3）：278-281.

[4]徐曉芳.客車上部結構側翻安全性研究[D].西安：長安大學，2017.6.

[5]王書舉，潘一山，張國勝等.某6756型客車側翻碰撞安全性分析[J].公路交通科技.2015，32（6）：154-158.

[6]周革，盧強.客車側翻碰撞加速度評價的研究[J].機械工程師.2007，（3）：19-20.