客車(chē)側(cè)面碰撞仿真研究

郭敬文 姚 成

客車(chē)側(cè)面碰撞仿真研究

郭敬文 姚 成

廈門(mén)金龍旅行車(chē)有限公司

建立客車(chē)骨架的有限元模型，對(duì)客車(chē)與客車(chē)的側(cè)面碰撞進(jìn)行仿真研究。通過(guò)對(duì)其側(cè)碰歷程、能量變化、變形特征以及加速度變化的分析，得出客車(chē)側(cè)碰的規(guī)律，并對(duì)客車(chē)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)提出建議。

客車(chē)；側(cè)碰；仿真

引言

汽車(chē)側(cè)面是車(chē)體中剛度較薄弱的部位，對(duì)客車(chē)而言，一旦受到來(lái)自側(cè)面的撞擊，由于沒(méi)有足夠空間發(fā)生結(jié)構(gòu)變形以吸收碰撞能量，車(chē)內(nèi)乘員同撞擊物之間僅隔著有限的空間，這就是側(cè)面碰撞對(duì)乘員的傷害較其它類(lèi)型的碰撞要嚴(yán)重的原因。在斜坡上或在轉(zhuǎn)彎時(shí)發(fā)生的側(cè)面碰撞，還有可能引起被撞汽車(chē)翻傾，可能導(dǎo)致車(chē)門(mén)框變形使車(chē)門(mén)不能開(kāi)啟，影響乘員逃離危險(xiǎn)地帶及對(duì)乘員的救援。因此，側(cè)面碰撞對(duì)乘員可能造成的傷害不可輕估[1]。

但國(guó)內(nèi)關(guān)于客車(chē)側(cè)碰的相關(guān)研究卻較少，本文利用有限元軟件模擬仿真了兩輛客車(chē)發(fā)生側(cè)面碰撞，對(duì)其側(cè)碰歷程、能量變化、變形特征以及加速度變化進(jìn)行分析，以檢驗(yàn)被撞客車(chē)的安全性能，得出客車(chē)側(cè)碰的規(guī)律，并做出相應(yīng)的改進(jìn)措施，減少客車(chē)側(cè)面碰撞交通事故造成的危害。

1 客車(chē)有限元模型的建立

依照廈門(mén)金龍旅行車(chē)有限公司的試驗(yàn)車(chē)型，首先在UG平臺(tái)做出三維模型，并抽取中面，導(dǎo)入前處理軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分、單元檢查、邊界條件和載荷的施加、參數(shù)設(shè)置等前處理，然后導(dǎo)出K文件，并提交LS-DYNA計(jì)算。

1.1 側(cè)碰模型前處理

為了提高分析精度，有限元模型采用板殼單元和實(shí)體單元，建模過(guò)程中遵循以下簡(jiǎn)化原則[2]：

（1）略去了蒙皮和一些非承載件（如玻璃、內(nèi)飾件、埋板、地板和各種功能件等），只保留主體承載骨架；

（2）忽略承載結(jié)構(gòu)上的工藝孔、安裝孔、凸臺(tái)和翻邊等工藝特征；

（3）殼單元基準(zhǔn)面為客車(chē)實(shí)際結(jié)構(gòu)的中面，結(jié)構(gòu)間的連接關(guān)系采用節(jié)點(diǎn)耦合、剛性連接、焊接和接觸設(shè)置等模擬；

（4）輪胎、前后懸掛、發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、空調(diào)、座椅等以剛性體形式分布在各支撐點(diǎn)上；

（5）不考慮骨架結(jié)構(gòu)在焊接過(guò)程中出現(xiàn)的變形和殘余應(yīng)力等；

（6）有限元模型質(zhì)量和重心位置與真車(chē)保持一致。

1.2 側(cè)碰有限元模型

歐盟和美國(guó)均對(duì)乘用車(chē)制定了側(cè)碰法規(guī)，試驗(yàn)中使用移動(dòng)壁障作為等效側(cè)面來(lái)車(chē)，但對(duì)客車(chē)還沒(méi)有具體規(guī)定。為了更合理的獲得客車(chē)側(cè)碰信息，本文模擬了客車(chē)與客車(chē)的碰撞[3]，被撞客車(chē)的碰撞中心在中門(mén)側(cè)的兩軸中間。設(shè)定被撞客車(chē)處于靜止?fàn)顟B(tài)，撞擊客車(chē)移動(dòng)初速度為50 km／h，方向垂直于被撞大客車(chē)車(chē)側(cè)圍。最終的側(cè)碰有限元模型如圖1所示，共有879614個(gè)單元，885703個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖1 側(cè)碰有限元模型

2 客車(chē)側(cè)碰仿真結(jié)果分析

2.1 側(cè)碰歷程分析

汽車(chē)側(cè)碰事故可分為側(cè)碰前運(yùn)動(dòng)、側(cè)向碰撞和側(cè)碰后運(yùn)動(dòng)3個(gè)連續(xù)階段。碰撞前的運(yùn)動(dòng)，通常是從發(fā)現(xiàn)對(duì)方車(chē)輛或障礙物等其它物體開(kāi)始，接著采取制動(dòng)和操縱轉(zhuǎn)向盤(pán)等回避事故的操作：碰撞是指發(fā)生事故的車(chē)輛相互接觸的過(guò)程，持續(xù)時(shí)間為0.13 s左右。在這個(gè)期間，兩車(chē)交換動(dòng)量，一部分動(dòng)能以塑性變形的形式消耗掉。側(cè)碰后，兩車(chē)回彈且相互離開(kāi)，做平移運(yùn)動(dòng)或平移加旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。由于路面等的摩擦，碰撞后剩余動(dòng)能被消耗掉，最終靜止。

2.2 側(cè)碰能量分析

側(cè)碰能量歷程曲線如圖2所示，在碰撞過(guò)程中，撞擊客車(chē)的動(dòng)能減小，而骨架變形產(chǎn)生的內(nèi)能增加。在0.13 s處，49.1%的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，約為5.5×105 J。此時(shí)，變形吸能基本結(jié)束，而動(dòng)能在地面摩擦力等的作用下逐漸減小。

圖2 側(cè)碰能量圖

2.3 側(cè)碰變形分析

客車(chē)變形對(duì)乘員生存空間造成的侵入可以借用客車(chē)側(cè)翻法規(guī)的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行評(píng)價(jià)。側(cè)碰后，客車(chē)骨架變形集中在碰撞區(qū)域，尤其是客車(chē)骨架下端發(fā)生了向里凹陷的變形，如圖3所示。圖4為側(cè)圍的變形圖，可以看出，中門(mén)立柱下端和行李艙門(mén)立柱出現(xiàn)了向里彎曲變形，這有可能導(dǎo)致中門(mén)無(wú)法正常自動(dòng)開(kāi)啟和行李艙的損壞。圖5為頂蓋變形圖，可以看到，2根長(zhǎng)縱梁向車(chē)內(nèi)有少許彎曲變形，但頂蓋的變形沒(méi)有對(duì)乘員的生存空間造成侵入。被撞客車(chē)前部和后部損傷較小，乘員生存空間不受影響。

圖3 被碰客車(chē)變形圖

圖4 側(cè)圍變形圖

圖5 頂蓋變形圖

2.4 側(cè)碰加速度分析

側(cè)碰加速度是評(píng)價(jià)客車(chē)骨架耐撞性能的另一項(xiàng)重要指標(biāo)，目的在于考察側(cè)碰給車(chē)內(nèi)乘員造成的傷害程度。為了能夠全面地分析被撞客車(chē)車(chē)內(nèi)駕駛員以及乘客在碰撞中的安全情況，現(xiàn)對(duì)客車(chē)車(chē)內(nèi)駕駛員座椅地板處和乘客座椅地板處的合成加速度提取數(shù)據(jù)。由圖6可得，駕駛員座椅處的最大加速度為15.6 g，出現(xiàn)在0.14 s;右側(cè)第一排座椅處的最大加速度為23.8 g，出現(xiàn)在0.13 s；右側(cè)中門(mén)處座椅的最大加速度為27.6 g，出現(xiàn)在0.13 s；右側(cè)最后排座椅的加速度為15.5 g，出現(xiàn)在0.15 s。美國(guó)FMVSS214規(guī)定了乘用車(chē)的損傷準(zhǔn)則，其中只規(guī)定了胸部和骨盆的損傷要求：胸部傷害指標(biāo)（Thoracic Trauma Index）TTI﹤85 g（四門(mén)車(chē)）,TTI﹤90 g(二門(mén)車(chē))，骨盆側(cè)向加速度峰值﹤130 g。可見(jiàn)，此車(chē)的側(cè)碰加速度值遠(yuǎn)小于規(guī)定值。

圖6 側(cè)碰加速度圖

4 結(jié)論

通過(guò)進(jìn)行兩輛客車(chē)的側(cè)碰仿真，對(duì)其側(cè)碰歷程、能量變化、變形特征以及加速度變化進(jìn)行分析，了解了被撞客車(chē)的變形規(guī)律，變形區(qū)域，變形特征和沖擊載荷造成的加速度范圍，為試驗(yàn)車(chē)的下一步改進(jìn)提供參考。

因此，根據(jù)仿真結(jié)果，可采取的措施有：增加客車(chē)中門(mén)立柱剛度，減小側(cè)碰時(shí)立柱變形；合理分配側(cè)圍與車(chē)架剛度，使變形朝車(chē)架側(cè)進(jìn)行，以保護(hù)乘員生存空間；在客車(chē)前圍處設(shè)置專(zhuān)門(mén)的吸能機(jī)構(gòu)，以迅速地吸收能量，減少造成的損失。

[1] 雷正保,鐘志華.汽車(chē)被動(dòng)安全性研究中的幾個(gè)問(wèn)題及對(duì)策[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào), 1999,26(1):33~42.

[2] 何漢橋,張維剛.高床大客車(chē)側(cè)翻結(jié)構(gòu)安全性仿真研究[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2007,26(7)：922~925,930.

[3] 王守江.客車(chē)整體骨架側(cè)碰仿真與耐撞性分析研究[D ].武漢:武漢理工大學(xué), 2007.

Simulation and Research of Bus Side Impact

Guo Jingwen , Yao Cheng

(Xiamen King Long Van Co., Ltd , Xiamen 361022, China）

A finite element model of bus skeleton was built. Simulation of bus’s side impact was made. The impact course, energy transformation, distortion character and change of acceleration were analyzed to obtain the side impact rule. An improvement method of bus body framework was proposed.

bus; side impact