那景新,王秋林,高劍峰,劉霄希
(1.吉林大學(xué),汽車(chē)仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)春 130022; 2.中國(guó)第一汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心,長(zhǎng)春 130011; 3.北京汽車(chē)股份有限公司汽車(chē)研究院,北京 101300; 4.北京奔馳汽車(chē)有限公司,北京 100176)
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2015147
基于側(cè)翻安全性的客車(chē)腰梁接頭結(jié)構(gòu)改進(jìn)研究*
那景新,王秋林,高劍峰,劉霄希
(1.吉林大學(xué),汽車(chē)仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)春 130022; 2.中國(guó)第一汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心,長(zhǎng)春 130011; 3.北京汽車(chē)股份有限公司汽車(chē)研究院,北京 101300; 4.北京奔馳汽車(chē)有限公司,北京 100176)
針對(duì)客車(chē)側(cè)翻時(shí)腰梁接頭局部變形的特點(diǎn),提出一種腰梁接頭結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案。首先建立了客車(chē)中段側(cè)翻模型,并分別進(jìn)行側(cè)翻過(guò)程的仿真和試驗(yàn),得到的仿真結(jié)果與試驗(yàn)較接近,驗(yàn)證了客車(chē)側(cè)翻仿真的有效性;然后通過(guò)車(chē)身段模型側(cè)翻仿真,對(duì)比改進(jìn)前后的腰梁接頭結(jié)構(gòu)在沖擊載荷下的變形特性,最后將改進(jìn)方案引入某客車(chē)整體模型中,與改進(jìn)前的腰梁接頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行側(cè)翻性能對(duì)比分析,進(jìn)一步驗(yàn)證了改進(jìn)后的腰梁接頭結(jié)構(gòu)有效性,為客車(chē)結(jié)構(gòu)側(cè)翻安全性設(shè)計(jì)提供參考。
客車(chē);腰梁接頭;結(jié)構(gòu)改進(jìn);側(cè)翻仿真
隨著交通網(wǎng)絡(luò)迅猛發(fā)展,公路客運(yùn)量快速增長(zhǎng),客車(chē)交通事故的數(shù)量呈上升趨勢(shì)。側(cè)翻是大客車(chē)主要事故類(lèi)型之一,客車(chē)側(cè)翻往往造成眾多人身傷亡,屬于重大交通事故[1]。因此,如何提高客車(chē)抗側(cè)翻能力,確保此類(lèi)事故中乘客生命安全已成為一個(gè)非常重要的課題。
現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要針對(duì)客車(chē)側(cè)翻的模擬方法、結(jié)構(gòu)局部加強(qiáng)和新材料應(yīng)用等方面進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[2]中對(duì)客車(chē)側(cè)翻仿真模型的建模方法和結(jié)果評(píng)價(jià)方式進(jìn)行了研究,并提出該客車(chē)上部結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案。文獻(xiàn)[3]中為提高客車(chē)腰梁接頭抗彎能力,提出了腰梁接頭的局部加強(qiáng)結(jié)構(gòu),并通過(guò)腰梁接頭結(jié)構(gòu)的抗彎試驗(yàn)和客車(chē)側(cè)翻仿真進(jìn)行了驗(yàn)證。文獻(xiàn)[4]中將結(jié)構(gòu)泡沫和高強(qiáng)度鋼應(yīng)用到客車(chē)變形區(qū)域的接頭處,避免了側(cè)翻時(shí)變形區(qū)域的接頭出現(xiàn)局部壓潰現(xiàn)象。
本文中從客車(chē)腰梁接頭局部在側(cè)翻時(shí)的變形特點(diǎn)出發(fā),對(duì)腰梁接頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn),旨在提高客車(chē)側(cè)翻安全性能。
首先參照歐洲ECE-R66法規(guī),簡(jiǎn)化模擬客車(chē)側(cè)翻試驗(yàn)過(guò)程,通過(guò)對(duì)比某客車(chē)中段仿真與試驗(yàn)結(jié)果,驗(yàn)證客車(chē)側(cè)翻仿真方法的有效性。在保證模擬精度的基礎(chǔ)上,對(duì)客車(chē)腰梁接頭結(jié)構(gòu)側(cè)翻安全性進(jìn)行研究。
鑒于客車(chē)側(cè)翻碰撞過(guò)程中,封閉環(huán)結(jié)構(gòu)是承受沖擊載荷的主要載體[5],為縮短研究周期,建立含有兩個(gè)封閉環(huán)的車(chē)身段模型進(jìn)行側(cè)翻模擬,分析腰梁接頭結(jié)構(gòu)在沖擊載荷下的變形特性,并提出腰梁接頭結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方案,然后通過(guò)車(chē)身段側(cè)翻仿真模型研究改進(jìn)后的腰梁接頭結(jié)構(gòu)變形特性,最后將改進(jìn)腰梁接頭結(jié)構(gòu)方案引入某客車(chē)整體模型中進(jìn)行側(cè)翻模擬,進(jìn)一步對(duì)比改進(jìn)前后的腰梁接頭結(jié)構(gòu)對(duì)客車(chē)側(cè)翻性能的影響。
歐洲ECE-R66法規(guī)是認(rèn)證客車(chē)側(cè)翻安全性能的主要標(biāo)準(zhǔn),該法規(guī)中的客車(chē)側(cè)翻試驗(yàn)要求如下:客車(chē)在整備質(zhì)量或總有效質(zhì)量下,放置在離地面800mm高的傾斜平臺(tái)上,在沒(méi)有搖晃和不受其它外力影響的情況下,隨平臺(tái)以不超過(guò)0.087rad/s的角速度側(cè)傾直至翻倒撞擊地面,當(dāng)客車(chē)結(jié)構(gòu)變形不再發(fā)生變化時(shí),試驗(yàn)結(jié)束。客車(chē)側(cè)翻試驗(yàn)過(guò)程如圖1(a)所示。客車(chē)按要求進(jìn)行試驗(yàn)過(guò)程中,應(yīng)保證其上部結(jié)構(gòu)具有足夠的剛度和強(qiáng)度,為乘客提供必要的生存空間[6],如圖1(b)所示。
2.1 網(wǎng)格劃分和連接關(guān)系的處理
為保證計(jì)算精度并提高計(jì)算效率,采用10mm大小的Belytschko-Tsay薄殼單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格,結(jié)構(gòu)間的焊接關(guān)系采用節(jié)點(diǎn)耦合和剛性連接模擬,同時(shí)為彌補(bǔ)客車(chē)輪胎高度,建立了車(chē)身段側(cè)翻支架,如圖2所示。
2.2 材料模型的選取
計(jì)算單元的響應(yīng)與材料參數(shù)有關(guān),材料參數(shù)的設(shè)置對(duì)于碰撞模擬精度具有極其重要的意義[7]。客車(chē)側(cè)翻碰撞過(guò)程中,結(jié)構(gòu)塑性變形為主要吸能形式,故選用多線(xiàn)性彈塑性材料本構(gòu)模型,并考慮應(yīng)變率的影響,采用Cowper-Symonds方式計(jì)算屈服應(yīng)力[8]。
2.3 定義邊界條件
(1) 施加載荷 重力做功是碰撞過(guò)程中能量的主要來(lái)源,故將重力加速度施加給仿真模型,創(chuàng)建模型自重。為較真實(shí)地模擬車(chē)身段在客車(chē)結(jié)構(gòu)中的側(cè)翻變形特點(diǎn),基于車(chē)身段在客車(chē)結(jié)構(gòu)中的變形吸能情況,確定車(chē)身段側(cè)翻仿真模型的配重,并調(diào)整了質(zhì)量分布位置,使車(chē)身段質(zhì)心位置與客車(chē)整車(chē)相同,具體的集中質(zhì)量位置如圖2中圓圈所示。
(2) 初始速度 圖1(a)中CG、CG′、CG″是客車(chē)側(cè)翻試驗(yàn)過(guò)程中不同時(shí)刻的質(zhì)心位置,如果按照側(cè)翻試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行模擬,將花費(fèi)大量求解時(shí)間,文中只模擬臨近地面時(shí)到碰撞結(jié)束的短暫過(guò)程,但此方法需要給仿真模型添加臨近地面時(shí)的瞬時(shí)速度。鑒于客車(chē)碰撞前的過(guò)程可近似看成定軸轉(zhuǎn)動(dòng),通過(guò)能量守恒定律求得仿真模型臨近地面時(shí)的瞬時(shí)角速度[9]。
(3) 定義約束 車(chē)身段在側(cè)翻試驗(yàn)過(guò)程中隨傾斜平臺(tái)旋轉(zhuǎn),當(dāng)車(chē)身段質(zhì)心達(dá)到最高點(diǎn)后,傾斜平臺(tái)將停止運(yùn)動(dòng),為此將傾斜平臺(tái)旋轉(zhuǎn)至車(chē)身段質(zhì)心達(dá)到最高點(diǎn)時(shí),對(duì)傾斜平臺(tái)旋轉(zhuǎn)軸約束6個(gè)自由度,約束位置如圖2中三角符號(hào)所示。
2.4 定義接觸
車(chē)身段結(jié)構(gòu)自身定義自接觸,與傾斜平臺(tái)之間定義面面接觸,與地面之間定義點(diǎn)面接觸。為提高計(jì)算效率,設(shè)置碰撞接觸區(qū)域。模型在進(jìn)行接觸檢測(cè)時(shí),只針對(duì)碰撞接觸區(qū)域進(jìn)行有限元節(jié)點(diǎn)的穿透搜索。
2.5 時(shí)間步和沙漏控制
仿真求解采用的顯示中心差分法是有條件穩(wěn)定的,只有當(dāng)時(shí)間步小于臨界時(shí)間步時(shí)才穩(wěn)定。由于計(jì)算機(jī)資源是有限的,應(yīng)合理控制時(shí)間步大小,為減少計(jì)算時(shí)間,采用質(zhì)量縮放技術(shù)。
單點(diǎn)高斯積分模式將會(huì)節(jié)省大量計(jì)算時(shí)間,但同時(shí)會(huì)引起沙漏模式。沙漏是數(shù)值計(jì)算造成的,而不是結(jié)構(gòu)本身的固有特征。沙漏的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果的可信度下降,因此,本文中對(duì)沙漏進(jìn)行了有效控制[10]。
3.1 客車(chē)中段側(cè)翻仿真模型的建立
為驗(yàn)證該仿真方法的有效性,選取已有某客車(chē)中段側(cè)翻試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,參照建模過(guò)程,建立的客車(chē)中段側(cè)翻仿真模型如圖3所示。為保證模擬精度,對(duì)客車(chē)中段結(jié)構(gòu)材料的標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行了單向拉伸試驗(yàn),通過(guò)處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到Q345材料有效應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn),如圖4所示,并將其應(yīng)用于客車(chē)中段側(cè)翻仿真模型中。
3.2 客車(chē)中段側(cè)翻仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比
圖5為客車(chē)中段側(cè)翻仿真最大變形,為考察客車(chē)中段側(cè)翻仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性,選擇客車(chē)中段前端和后端生存空間外邊界上共15個(gè)點(diǎn)沿木棍方向到側(cè)圍立柱的最小距離作為驗(yàn)證指標(biāo),選取點(diǎn)如圖6所示,試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)測(cè)量木棍剩余長(zhǎng)度獲得,木棍原長(zhǎng)100mm,表1為試驗(yàn)與仿真結(jié)果數(shù)據(jù)。

測(cè)量點(diǎn)前端后端試驗(yàn)仿真試驗(yàn)仿真1100997061210010270633100103706641001036569510010265736100101657479595647386269
由表1可知,測(cè)點(diǎn)7木棍長(zhǎng)度減小,其余各測(cè)點(diǎn)木棍長(zhǎng)度沒(méi)有變化,說(shuō)明前端除測(cè)點(diǎn)7外,其余各測(cè)點(diǎn)到側(cè)圍立柱的最小距離稍大于或等于100mm。從表1還看出,仿真中前端相對(duì)后端變形小的趨勢(shì)與試驗(yàn)一致,并且仿真中各測(cè)點(diǎn)沿木棍方向到側(cè)圍立柱的最小距離與試驗(yàn)較接近,進(jìn)而驗(yàn)證了客車(chē)側(cè)翻仿真方法的有效性。
4.1 腰梁接頭結(jié)構(gòu)變形特點(diǎn)分析
通過(guò)觀察車(chē)身段側(cè)翻變形可知,主要變形區(qū)域集中在封閉環(huán)腰梁接頭結(jié)構(gòu)局部處,如圖7橢圓區(qū)域中的腰梁局部產(chǎn)生了嚴(yán)重的壓潰變形。
4.2 腰梁接頭結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案
客車(chē)立柱在側(cè)翻碰撞過(guò)程中所承受力矩的近似分布規(guī)律如圖8所示。鑒于碰撞力產(chǎn)生的力矩是客車(chē)腰梁接頭在側(cè)翻過(guò)程中的主要載荷,為減緩腰梁接頭結(jié)構(gòu)局部變形,將圖9橢圓區(qū)域中的腰梁向下平移,地板斜撐焊接在側(cè)圍立柱上,這樣腰梁接頭承受的大部分碰撞力矩將被阻斷。進(jìn)一步考慮到側(cè)圍立柱承受的碰撞力矩從上至下是依次增大的,為避免側(cè)圍立柱下端區(qū)域發(fā)生嚴(yán)重的彎折變形而導(dǎo)致窗立柱產(chǎn)生較大的位移,在不影響內(nèi)飾和附件布置的前提下,可以在側(cè)圍立柱內(nèi)側(cè)拼焊局部加強(qiáng)件,再將牛腿焊接在局部加強(qiáng)件上,如此局部加強(qiáng)件也可以參與承擔(dān)碰撞力矩,最終改進(jìn)后的腰梁接頭結(jié)構(gòu)如圖9所示。
4.3 改進(jìn)前后的腰梁接頭結(jié)構(gòu)變形對(duì)比
圖10為腰梁接頭結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后的車(chē)身段側(cè)翻最大變形對(duì)比。相比改進(jìn)前,改進(jìn)后的腰梁接頭結(jié)構(gòu)局部變形得到了明顯控制,并且主要承擔(dān)碰撞力矩的側(cè)圍立柱各處變形也較均勻。因此,改進(jìn)后的腰梁接頭結(jié)構(gòu)可以有效地改善車(chē)身段側(cè)翻變形。
為定量分析改進(jìn)前后的腰梁接頭結(jié)構(gòu)對(duì)車(chē)身段側(cè)翻變形的影響,通過(guò)計(jì)算車(chē)身段封閉環(huán)乘客空間對(duì)角點(diǎn)連線(xiàn)長(zhǎng)度的最大變形量對(duì)比改進(jìn)前后的車(chē)身段側(cè)翻變形。最大變形量計(jì)算公式可表示為
(1)
式中:ΔL為改進(jìn)前最大變形量;ΔL′為改進(jìn)后最大變形量;L0為乘客空間對(duì)角點(diǎn)連線(xiàn)的初始長(zhǎng)度;L為變形最大時(shí),改進(jìn)前乘客空間對(duì)角點(diǎn)連線(xiàn)長(zhǎng)度;L′為變形最大時(shí),改進(jìn)后乘客空間對(duì)角點(diǎn)連線(xiàn)長(zhǎng)度。
其中L0=2.901m,L和L′值如圖10中所示,由式(1)可知:ΔL=0.719m,ΔL′=0.489m。改進(jìn)后車(chē)身段最大變形量小于改進(jìn)前,與改進(jìn)前相比,改進(jìn)后車(chē)身段最大變形量降低了31.99%。
由于車(chē)身段在客車(chē)結(jié)構(gòu)中承擔(dān)眾多載荷,受力情況復(fù)雜,難以按實(shí)際加載,其變形只是接近客車(chē)側(cè)翻變形特點(diǎn),為進(jìn)一步研究改進(jìn)前后的腰梁接頭結(jié)構(gòu)對(duì)客車(chē)側(cè)翻性能的影響,將改進(jìn)后的腰梁接頭結(jié)構(gòu)引入某全承載客車(chē)各封閉環(huán)中。
5.1 客車(chē)側(cè)翻仿真模型的建立
客車(chē)側(cè)翻過(guò)程中,相對(duì)骨架來(lái)說(shuō),一些部件在承受沖擊載荷和吸能方面并不起明顯作用,因此,建模過(guò)程中進(jìn)行了以下簡(jiǎn)化處理:發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、座椅和車(chē)身附件等以質(zhì)量節(jié)點(diǎn)單元連接在客車(chē)骨架的相應(yīng)支撐點(diǎn)上;車(chē)橋和懸架用梁?jiǎn)卧蛷椈勺枘釂卧?jiǎn)化模擬并剛化;考慮客車(chē)質(zhì)心高度,用一段與輪胎高度相同的梁?jiǎn)卧?jiǎn)化輪胎模型[11]。建立的某全承載客車(chē)側(cè)翻仿真模型如圖11所示。
5.2 客車(chē)側(cè)翻仿真結(jié)果對(duì)比分析
圖12為腰梁接頭結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后的客車(chē)側(cè)翻最大變形對(duì)比。由圖12可知,腰梁接頭結(jié)構(gòu)改進(jìn)前的客車(chē)變形已侵入ECE-R66法規(guī)規(guī)定的生存空間,改進(jìn)后的客車(chē)在側(cè)翻過(guò)程中,盡管也產(chǎn)生了一定結(jié)構(gòu)變形,但生存空間沒(méi)有受到侵入,因此,腰梁接頭結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的客車(chē)側(cè)翻性能優(yōu)于改進(jìn)前。
圖13為客車(chē)各封閉環(huán)結(jié)構(gòu)在整車(chē)的位置示意圖。鑒于客車(chē)各封閉環(huán)結(jié)構(gòu)變形量是不同的,為定量分析改進(jìn)前后整車(chē)側(cè)翻變形,將計(jì)算整車(chē)各封閉環(huán)乘客空間對(duì)角點(diǎn)連線(xiàn)長(zhǎng)度的最大變形量,對(duì)比改進(jìn)前后的整車(chē)側(cè)翻變形。
表2為整車(chē)腰梁接頭結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后,客車(chē)各封閉環(huán)對(duì)角點(diǎn)連線(xiàn)長(zhǎng)度的最大變形量對(duì)比。

表2 改進(jìn)前后客車(chē)各封閉環(huán)變形結(jié)果對(duì)比
由表2可知,與腰梁接頭結(jié)構(gòu)改進(jìn)前的客車(chē)相比,改進(jìn)后的客車(chē)各封閉環(huán)對(duì)角點(diǎn)連線(xiàn)長(zhǎng)度最大變形量平均降低了19.58%。
對(duì)比腰梁接頭結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后的車(chē)身段和客車(chē)整體側(cè)翻變形可知,腰梁接頭是客車(chē)結(jié)構(gòu)側(cè)翻安全性設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部位之一,其結(jié)構(gòu)形式對(duì)客車(chē)側(cè)翻安全性能的影響較大。同時(shí)仿真結(jié)果也表明,所提出的腰梁接頭結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案可顯著提高客車(chē)側(cè)翻安全性,對(duì)客車(chē)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有參考作用。此外,先通過(guò)車(chē)身段模型改進(jìn)腰梁接頭結(jié)構(gòu),再通過(guò)客車(chē)整體模型對(duì)該改進(jìn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)證的研究方法可有效地縮短研究周期。
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A Research on the Structure Modification of BusWaist Rail Joint Based on Rollover Safety
Na Jingxin1, Wang Qiulin2, Gao Jianfeng3& Liu Xiaoxi4
1.JilinUniversity,StateKeyLaboratoryofAutomotiveSimulationandcontrol,Changchun130022; 2.R&DCenter,ChinaFAWCo.,Ltd.,Changchun130011; 3.BeijingAutomotiveTechnologyCenter,BAICMOTORCo.,Ltd.,Beijing101300; 4.BeijingBenzAutomotiveCo.,Ltd.,Beijing100176
According to the local deformation features of the waist rail joint of bus during rollover, an improved scheme of waist rail joint structure is proposed. Firstly, a rollover simulation model for the middle section of a bus is built and both simulation and test are conducted with simulation results relatively close to test data, verifying the effectiveness of bus rollover simulation. Then through rollover simulation on bus body sections, the deformation characteristics of waist rail joint structures before and after modification under impact load are compared. Finally the improved scheme is incorporated into the complete bus model to compare the rollover performance of waist rail joint structures with that before modification. This further verifies the effectiveness of the improved structure of waist rail joint, providing a reference for the rollover safety design of bus structure.
bus; waist rail joint; structure modification; rollover simulation
*國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目(2006AA110104)資助。
原稿收到日期為2012年3月14日,修改稿收到日期為2013年6月25日。