中型客車駕駛室正碰結(jié)構(gòu)安全性仿真研究

唐友名 ，嚴(yán)永攀 ，吳長風(fēng) ，黃紅武 ，易際明 ，冉清華

（1.廈門金龍聯(lián)合汽車工業(yè)有限公司，福建 廈門 361023；2.廈門大學(xué)物理與機(jī)電學(xué)院，福建 廈門 361005；3.廈門理工學(xué)院汽車安全與保險(xiǎn)技術(shù)研究中心，福建 廈門 361024）

中型客車駕駛室正碰結(jié)構(gòu)安全性仿真研究

唐友名1，2，3，嚴(yán)永攀1，吳長風(fēng)1，黃紅武1，2，3，易際明3，冉清華1

（1.廈門金龍聯(lián)合汽車工業(yè)有限公司，福建 廈門 361023；2.廈門大學(xué)物理與機(jī)電學(xué)院，福建 廈門 361005；3.廈門理工學(xué)院汽車安全與保險(xiǎn)技術(shù)研究中心，福建 廈門 361024）

建立半承載式中型客車的正面碰撞有限元模型，采用LS-DYNA軟件進(jìn)行仿真分析。結(jié)果表明，該車駕駛室變形較大、完整性較差，需對客車前部吸能結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

正面碰撞；客車駕駛室；有限元模型；結(jié)構(gòu)安全

隨著客車行業(yè)的發(fā)展，客車的安全性越來越受到重視。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和有限元方法的成熟，采用CAE仿真對客車抗側(cè)翻及頂部強(qiáng)度研究越來越多，并取得了較多成果[1-3]，同時(shí)參照ECE R29《關(guān)于對商用車駕駛室乘員保護(hù)方面的車輛認(rèn)證的統(tǒng)一規(guī)定》，對商用車開展了擺錘試驗(yàn)方面的研究[4-6]。由于客車正面碰撞目前還沒有具體的標(biāo)準(zhǔn)要求，因此，研究得較少[7-11]。本文應(yīng)用有限元法建立半承載式客車模型開展正面碰撞耐撞性研究，對提高客車前部結(jié)構(gòu)的耐撞性、加快客車正面碰撞安全標(biāo)準(zhǔn)的制定具有積極意義。

1 客車有限元模型建立

1.1 幾何模型及網(wǎng)格劃分

根據(jù)三維UG模型，建立車身骨架有限元模型。為了保證計(jì)算的準(zhǔn)確性及減少計(jì)算時(shí)間，在盡可能如實(shí)反映汽車車身結(jié)構(gòu)主要力學(xué)特性的前提下，力求簡化車身結(jié)構(gòu)的幾何模型，以便有限元模型采用較少的單元和較簡單的單元形態(tài)。在建模過程中，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和遵循CAE分析簡化原則，對模型做如下處理[1，11]：

1）略去蒙皮和一些非承載件（如內(nèi)飾件、玻璃和各種功能件等），只保留主體承載骨架、地板和保險(xiǎn)杠。

2）發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器等可用剛性體建模或者以集中質(zhì)量單元布置于各支撐點(diǎn)上。

3）懸掛系統(tǒng)導(dǎo)向桿系和懸架彈簧分別采用梁單元和彈簧阻尼單元模擬。

4）忽略承載結(jié)構(gòu)上的小工藝孔、安裝孔、凸臺(tái)、埋鐵和翻邊等工藝特征。

建立了客車車身骨架三維模型，采用殼單位對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在主要變形區(qū)域，單元尺寸以10mm為主[12]；在非撞擊區(qū)域，單元尺寸以30 mm為主。模型共計(jì)330998個(gè)節(jié)點(diǎn)，332696個(gè)四邊形單元，2100多個(gè)三角形單元，128個(gè)部件。

1.2 焊接模擬及材料參數(shù)選取

殼單元所在面為其對應(yīng)部件的中面，不考慮骨架結(jié)構(gòu)在焊接過程中出現(xiàn)的變形、殘余應(yīng)力、連接失效等；各部件之間是剛性連接，在碰撞過程中不會(huì)發(fā)生脫落，結(jié)構(gòu)間的連接關(guān)系采用節(jié)點(diǎn)耦合、點(diǎn)焊、片焊、可變形焊點(diǎn)梁和固連接觸等模擬。

材料的本構(gòu)關(guān)系是影響碰撞仿真結(jié)果的一個(gè)重要因素。為了保證計(jì)算的精度，這里考慮材料應(yīng)變率的影響。材料屬性根據(jù)LS-DYNA中提供的24#分段線性材料Piecwise_Linear進(jìn)行設(shè)定，客車骨架模型中主要采用20#碳鋼。其材料參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)表

1.3 模型邊界設(shè)定

對建立的網(wǎng)格模型賦予材料屬性后，需設(shè)置邊界條件，主要包括初始碰撞速度、重力場、接觸與摩擦等。

1）碰撞初始速度。客車的正面碰撞試驗(yàn)不是我國汽車安全強(qiáng)制檢驗(yàn)項(xiàng)目，國內(nèi)外沒有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)作參考。這里參照國家標(biāo)準(zhǔn)[13]，估算得到M1類車碰撞能量：

①最小總質(zhì)量為1000 kg的碰撞動(dòng)能：

②最大總質(zhì)量為2500 kg的碰撞動(dòng)能：

本文中客車的總質(zhì)量在8000 kg左右。根據(jù)能量公式E2逆推得速度為28 km/h左右，取整為30 km/h。本文采用速度8.33 m/s進(jìn)行客車正面碰撞模擬分析。

2）重力場。為了保證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，仿真分析中考慮重力加速度的影響，對整個(gè)客車有限元模型施加垂直于地面的重力加速度，加速度大小為9800 mm/s2。

3）接觸與摩擦。分析中需要考慮客車骨架與剛性墻之間的接觸摩擦問題，以及碰撞中骨架變形的自身接觸摩擦問題。這里采用單面接觸contact_single_surface，這種接觸形式不需要指定目標(biāo)面和接觸面。設(shè)定之后的客車100%正面碰撞模型如圖1所示。

2 客車正面碰撞仿真

設(shè)定客車前撞剛性壁障的計(jì)算時(shí)間為0.1 s。通過計(jì)算，得到客車正面碰撞變形結(jié)果，如圖2所示。圖3表示駕駛室區(qū)域碰撞前后局部放大圖，圖中分別表示出碰撞之前客車所在位置和碰撞之后客車所在位置。圖4表示客車正面碰撞模型能量變化圖。由圖4可知，客車碰撞仿真前后能量守恒，滿足CAE分析要求。

為了對比分析碰撞模擬過程中左右側(cè)車門的變形量、駕駛室地板的左右側(cè)變形量、駕駛室的完整性，對模型前部測量位置進(jìn)行了標(biāo)識(shí)，如圖5所示。左右車門分別測量其對角線位置的長度，即圖5中對應(yīng)的左右側(cè)測量點(diǎn)1和測量點(diǎn)2的長度。用左側(cè)測量點(diǎn)1和測量點(diǎn)2的對角線長度表示駕駛員側(cè)車門的變形情況；用右側(cè)測量點(diǎn)1和測量點(diǎn)2的對角線長度表示導(dǎo)游側(cè)車門的變形情況。該數(shù)據(jù)的大小能夠在一定程度上反映駕駛室區(qū)域碰撞前后變形的大小。用地板測量點(diǎn)1碰撞前后位移變形值表示駕駛員側(cè)腿部區(qū)域變形大小；用地板測量點(diǎn)2碰撞前后位移變形值表示導(dǎo)游腿部區(qū)域變形的大小。各觀測位置點(diǎn)變形數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 各觀測點(diǎn)碰撞前后測量結(jié)果 （mm）

通過對變形圖3、圖4和表2數(shù)據(jù)分析可知，客車車身骨架在能量吸收、變形方面效果不佳，主要問題總結(jié)如下：

1）左右側(cè)車門變形較大。左側(cè)Z12變形量超過156 mm，相比較而言，右側(cè)車門變形比左側(cè)更大，Y12變形量超過368 mm。

2）前縱梁變形大。駕駛室地板D1和D2測量點(diǎn)變形量超過333 mm，高達(dá)402 mm。這是因?yàn)榭蛙嚽安咳狈线m的吸能部件，致使前縱梁結(jié)構(gòu)被壓潰，從而導(dǎo)致駕駛室地板發(fā)生整體后移變形。

3）試驗(yàn)后駕駛室不完整。試驗(yàn)后駕駛室地板變形大，駕駛員儀表支撐結(jié)構(gòu)侵入量大，兩側(cè)車門變形很大。總體來說，駕駛室試驗(yàn)前后變形大，不規(guī)整性大。

3 結(jié)束語

通過對客車碰撞仿真分析發(fā)現(xiàn)，客車車身骨架在碰撞試驗(yàn)中存在較多問題。客車前部車身骨架部分變形很大，駕駛室、前縱梁變形較大，導(dǎo)致駕駛室完整性不夠好，在實(shí)際碰撞中容易致使駕駛員及導(dǎo)游受傷。后續(xù)將對客車正面碰撞進(jìn)行進(jìn)一步的研究：通過客車結(jié)果的優(yōu)化，改善客車的耐撞性，減少客車正面碰撞中的乘員傷亡。

[1]何漢橋，張維剛.高床大客車側(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.

[2]李臣，周煒，司景萍，等.客車側(cè)翻的上部結(jié)構(gòu)安全性仿真研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2009，21(8)：216-218.

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[12]唐友名,黃紅武,梅麗芳.美國側(cè)面碰撞規(guī)程下轎車變形侵入仿真研究[J].中國安全科學(xué)學(xué)報(bào),2011，21（5）：29-35.

[13]GB 11551-2003，乘用車正面碰撞的乘員保護(hù)[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2003.

修改稿日期：2012-06-21

Simulation Study on Front Impact Safety of Medium Coach

TANGYou-ming1,2,3,YANYong-pan1,WU Chang-feng1,HUANG Hong-wu1,2,3,YI Ji-ming3,RAN Qing-hua1
(1.Xiamen King-long United Automotive IndustryCo.,Ltd,Xiamen 361023,China;2.School of Physical and Mechanical&Electric Eng.,Xiamen Univ.,Xiamen 361005,China;3.Research Center of Technol.for Vehicle Safety&Insurance,Xiamen Univ.of Technol.,Xiamen 361024,China)

The finite element model offront impact ofmediumcoach is built,which bodyis semi-integral type.Using LS-DYNAs oftw are,the front impact safety is simulated.The results indicate that the drive cab deformation is bigger and its integrality is worse,so it is necessary to optimize the front absorbing structure components to the coach drive cab.

front impact;coach drive cab;finite element model;structure safety

U463.83；U461.91

B

1006-3331（2012）04-0047-03

交通部西部交通科技項(xiàng)目（2009318000043）；福建省教育廳科技項(xiàng)目（JA11239）；廈門理工學(xué)院科技項(xiàng)目（JKY10023R）；福建省自然科學(xué)基本項(xiàng)目（2012J05103）

唐友名（1981-），男，博士后；講師；汽車安全與保險(xiǎn)研究中心秘書；主要研究領(lǐng)域?yàn)槠嚢踩夹g(shù)。