基于承載式客車的正面碰撞性能仿真研究

摘要：以某型承載式大客車為研究對(duì)象，利用有限元法和非線性理論建立整車有限元模型，通過通用顯式動(dòng)力分析軟件對(duì)其100%正面碰撞進(jìn)行仿真計(jì)算，研究該承載式車身骨架結(jié)構(gòu)的變形大小以及變形特點(diǎn)，并對(duì)乘員的生存空間進(jìn)行分析比較，評(píng)價(jià)該客車耐撞性與安全性能，并為進(jìn)一步研究改進(jìn)客車耐撞性能提供相關(guān)參考。

關(guān)鍵詞：正面碰撞；骨架結(jié)構(gòu)；耐撞性；安全性

中圖分類號(hào)：U467.13 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1005-2550（2013）04-0037-05

隨著汽車保有量逐步增長(zhǎng)，我國(guó)道路交通安全問題愈發(fā)嚴(yán)峻。其中大型客車因?yàn)檐囁俑摺⑤d客量大、防護(hù)措施少等特點(diǎn)容易造成大型事故，客車的被動(dòng)安全技術(shù)要求越來越引起廣泛的關(guān)注。在早期的汽車碰撞研究中，主要是進(jìn)行實(shí)車碰撞試驗(yàn)和臺(tái)車模擬實(shí)驗(yàn)。這種方法需要先進(jìn)的試驗(yàn)裝備和大額實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)，很多企業(yè)無法承擔(dān)如此龐大的實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，有限元法被運(yùn)用到汽車碰撞模擬仿真中，有效的降低了汽車被動(dòng)安全的研究成本和試驗(yàn)周期，彌補(bǔ)了實(shí)車碰撞試驗(yàn)的不足。歐美發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)建立了較為完善的客車被動(dòng)安全標(biāo)準(zhǔn)，并且許多國(guó)外的大型客車公司多年前已經(jīng)開始了大客車實(shí)車碰撞試驗(yàn)的研究[1-3]。國(guó)內(nèi)也開始了大客車的被動(dòng)安全研究，但是起步較晚，缺少統(tǒng)一有效的安全標(biāo)準(zhǔn)，且只有少數(shù)幾個(gè)公司完成了實(shí)車碰撞試驗(yàn)，凸顯出對(duì)大客車進(jìn)行碰撞試驗(yàn)與仿真優(yōu)化分析的重要性。本文以某型承載式大客車為對(duì)象，通過對(duì)該型承載式大客車100%正面碰撞仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行研究，分析主要變形區(qū)域的變形特點(diǎn)和該部分骨架結(jié)構(gòu)對(duì)客車正面碰撞安全性的影響，并在此基礎(chǔ)上研究車身變形對(duì)乘員安全的影響。

1 汽車碰撞的非線性有限元法理論介紹

2 客車有限元模型建立

該型客車為全承載式車身，其骨架結(jié)構(gòu)主要由矩形梁、異型梁、變截面梁以及鋼板構(gòu)成，各桿之間多采用焊接的方式連接，在Hypermesh中變現(xiàn)為焊接或者共節(jié)點(diǎn)連接。在不影響碰撞結(jié)果的情況下，建立模型時(shí)進(jìn)行了必要的簡(jiǎn)化：

1）考慮到模型的復(fù)雜性和仿真計(jì)算規(guī)模的大小，在建模分析中，忽略了全部蒙皮和玻璃部件；

2）在客車正面碰撞中，發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、冷卻水箱等部件遠(yuǎn)離碰撞區(qū)，所以將這些部件簡(jiǎn)化成一個(gè)體積相當(dāng)?shù)膶?shí)體；

3）忽略車內(nèi)裝飾、扶手等對(duì)碰撞性能沒有影響的非承載件；

4）考慮到工作量的問題，忽略了地板、座椅等對(duì)碰撞性能影響較小的部件；

5）忽略車身結(jié)構(gòu)上的工藝孔、安裝孔、凸臺(tái)和翻邊等工藝特征。

忽略車身結(jié)構(gòu)上的工藝孔、安裝孔、凸臺(tái)和翻邊等工藝特征。

圖1為經(jīng)過簡(jiǎn)化處理后用hypermesh建立的客車有限元模型，并與車頭內(nèi)安置了一個(gè)備胎。將被忽略的車皮、玻璃的質(zhì)量分配到前圍與側(cè)圍骨架中；將地板、非承載件、座椅等部件的質(zhì)量均勻的分布于地板梁與底盤骨架中，以確保整車模型質(zhì)量準(zhǔn)確。同時(shí)，為確保整車的質(zhì)心位置準(zhǔn)確，在不影響碰撞變形和應(yīng)力的情況下，均勻調(diào)整骨架結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。

圖2為客車有限元模型前圍及前懸部分底盤骨架結(jié)構(gòu)圖，該部分結(jié)構(gòu)為客車100%正面碰撞主要塑性變形及吸能區(qū)域[4-5]。本文通過對(duì)客車有限元模型進(jìn)行仿真模擬計(jì)算，分析研究該全承載式客車車頭部分骨架結(jié)構(gòu)對(duì)該車耐撞性能的影響并分析該車的耐撞性能與安全性。

3 碰撞仿真過程中的能量變化

建立樣車的整車結(jié)構(gòu)有限元模型后，生成K文件，并遞交到LS-DYNA MPP971求解器中計(jì)算，在工作站中運(yùn)行45小時(shí)后得出本次正面碰撞仿真分析結(jié)果。本次仿真模擬過程中，建立的整車有限元模型最前端與剛性墻的距離為500 mm，設(shè)置有限元模型以30 km/h的速度駛向高2 m的剛性墻，故模型最前端與剛性墻在60 ms時(shí)開始接觸。整個(gè)仿真計(jì)算設(shè)置0.4 s為模型運(yùn)行時(shí)間。

整個(gè)正面碰撞仿真計(jì)算過程中，客車模型基本保持能量守恒，總能量主要由動(dòng)能、內(nèi)能、沙漏能等組成。圖3為碰撞仿真過程中各種能量—時(shí)間歷程圖。

由圖3可知，模型的初始總能量為403.1 kJ，仿真計(jì)算結(jié)束時(shí)總能量為395.3 kJ，模型基本保持能量守恒。仿真計(jì)算結(jié)束時(shí)模型動(dòng)能減少384.2 kJ，而內(nèi)能共增加378.1 kJ，碰撞能量的98.41%轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。說明該全承載式車身骨架具有良好的吸能效果。從圖4可以看出，碰撞能量的變化符合動(dòng)能減少內(nèi)能增加的趨勢(shì)，由圖示沙漏能曲線可知，沙漏能占整體能量的比例遠(yuǎn)低于5%，說明仿真計(jì)算的精度符合要求[6-8]。模型與剛性墻距離設(shè)定為0.5 m，模型前圍與剛性墻在60 ms時(shí)開始接觸，前圍板開始變形，動(dòng)能出現(xiàn)一個(gè)明顯的下降過程。此后，能量由車身整體吸收，在170 ms時(shí)車身吸能達(dá)到最大值。同時(shí)通過碰撞動(dòng)畫及速度變化曲線可以看出，170 ms時(shí)，整車模型速度接近為零，開始出現(xiàn)反彈現(xiàn)象，故認(rèn)為計(jì)算結(jié)果符合實(shí)際情況，說明該次仿真結(jié)果是合理的與可信的。

4 整車模型變形及吸能情況分析

圖4為模型各主要時(shí)間點(diǎn)碰撞分析變形圖，分別取60 ms、100 ms、170 ms、260 ms、400 ms各時(shí)刻整車變形結(jié)果，通過研究各主要時(shí)間點(diǎn)的變形結(jié)果對(duì)整車模型碰撞過程進(jìn)行全面的了解。模型最前端與剛性墻在60 ms時(shí)開始接觸，碰撞開始后，剛性墻首先與前圍曲型梁接觸，前圍曲型梁逐漸變形直至被壓潰，最后不能再變形吸能；接著剛性墻與車身前部整體接觸，并帶動(dòng)整個(gè)駕駛室區(qū)向后移動(dòng)，車頭各部件包括側(cè)圍、車門、底架等都開始變形并吸收碰撞能量。整車模型整體在170 ms時(shí)變形量達(dá)到最大值，兩側(cè)車門和駕駛室都有較大變形，同時(shí)在170 ms時(shí)車身開始反彈，變形開始會(huì)談，變形量有所減小。在260 ms時(shí)變形反彈基本完成，整車變形趨穩(wěn)定，同時(shí)客車模型繼續(xù)向后反彈。400 ms時(shí)模型停止后退，仿真計(jì)算結(jié)束。

由圖4可以看出，碰撞主要變形區(qū)域?yàn)榭蛙囉邢拊Ｐ颓皣?cè)圍前端和前懸位置處底盤的骨架。由圖4（c）可知，前軸后端的骨架結(jié)構(gòu)由于遠(yuǎn)離碰撞區(qū)域并且底盤加強(qiáng)梁等結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化作用等原因變形較小，說明在碰撞過程中大部分的碰撞能量由前圍、側(cè)圍以及前懸部分底盤骨架產(chǎn)生的塑性變形吸收，小部分由模型其他部分骨架構(gòu)件變形吸收[9-10]。同時(shí)在該次仿真中，安置在車頭的備胎在仿真計(jì)算中起著重要的吸能和緩沖作用。

圖5是為方便測(cè)量于車身兩側(cè)門框處標(biāo)定的表示點(diǎn)，客車正面碰撞主要變形區(qū)為前軸前車頭部分骨架結(jié)構(gòu)，故該圖所示位置為本次仿真計(jì)算主要變形區(qū)，所得變形數(shù)據(jù)能充分表述模型變形情況。

表1為標(biāo)示點(diǎn)位置處仿真計(jì)算結(jié)果的變形數(shù)據(jù)，表中“-”表示壓縮，“+”表示拉伸。由表1可以看出，由于剛性墻高度為2 m高，故車頭頂部變形較小，2號(hào)及以下標(biāo)示點(diǎn)變形量開始增大；車頭左右兩側(cè)骨架結(jié)構(gòu)有所不同，造成整車模型進(jìn)行100%正面碰撞時(shí)左右兩側(cè)變形量有一定差別，但是總體而言，車頭左右兩側(cè)變形量相似，說明該車型車頭部分骨架結(jié)構(gòu)分布合理，能較平穩(wěn)的吸收碰撞能量[10-11]。同時(shí)，可以看出該模型在時(shí)速30 km/h時(shí)與剛性墻正面碰撞造成的塑性變形過大，侵占了駕駛員與前排乘客的生存空間。

圖6為客車車頭骨架結(jié)構(gòu)變形圖，從圖中可以看出，兩個(gè)門都有嚴(yán)重的塑性變形，整個(gè)門框構(gòu)件已經(jīng)嚴(yán)重的破壞。表2為碰撞仿真三個(gè)重要位置處的最大變形數(shù)據(jù)，由表2可知，駕駛員門變形213 mm，乘客門變形249 mm，變形過大且門柱已經(jīng)彎曲造成乘客門和駕駛員門都不能夠打開，乘客不能逃生，有較大的安全隱患。前圍曲型梁最大變形為691 mm，整個(gè)前圍下端嚴(yán)重變形，從而導(dǎo)致儀表盤、方向盤和前擋風(fēng)玻璃侵入駕駛區(qū)，對(duì)駕駛員和前排乘客的生存空間構(gòu)成較大的威脅，嚴(yán)重威脅駕駛員和前排乘客的生命安全。

5 結(jié)論

利用CAE軟件Hypermesh建立客車的整車有限元模型，遞交通用顯式動(dòng)力分析程序LS-DYNA中仿真計(jì)算，得到整車模型100%正面碰撞變形吸能等計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)該型客車模型的車頭部分塑性變形過大，骨架結(jié)構(gòu)侵入駕駛區(qū)，給駕駛員和乘客生命安全帶來嚴(yán)重威脅。以上仿真計(jì)算分析對(duì)承載式車身骨架結(jié)構(gòu)研究起到一定的指導(dǎo)作用，為整車正面碰撞研究提供了參考，為進(jìn)一步的研究如何提升客車耐撞性能打下了良好的基礎(chǔ)。

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