客車高速碰撞性能的非線性有限元研究

林繁國等

摘 要：根據國家車輛高速碰撞法規要求，利用Hypermesh軟件建立客車正面碰撞有限元模型，并基于Ls-Dyna求解器對客車正面撞擊速度為50km/h進行數值仿真，得到了整車變形情況、碰撞力曲線、整車加速度曲線和前圍板侵入量，這些數據對客車的結構設計具有重要參考價值。

關鍵詞：客車；碰撞；仿真分析；前圍板

基金項目：重慶交通大學研究生創新基金項目（20130138）

Non-linear Finite Element Analysis for Bus High-speed Crashing Performance

LIN Fan-guo， WAN Zhao-jun，QU Xian

（School of Mechatronics and Automobile Engineering， Chongqing Jiaotong University， Chongqing 400074， China ）

Abstract： According to the national vehicle speed collision regulations，this paper utilized Hypermesh software to establish a finite element model of the mini bus for crashing， and the ANSYS/Ls-Dyna solver was used for the numerical simulation of the bus under the velocity condition as 50 km/h， got the vehicle deformation ， the curve of collision force ， the curve of vehicle acceleration and the intrusion of dash panel，these data have important reference value for the structural design of passenger cars。

Key words： bus； impact； simulation analysis； dash panel

隨著機動車輛和公路交通的快速發展，全球交通事故死亡總人數每年也在持續增長，據統計全球每年將近有120萬人死于交通事故[1]，據統計，我國2011年死于交通事故的人數達6.5萬人，交通事故已經成為危害人類安全的重大問題，并且在這些交通事故中碰撞事故為主要形式，碰撞事故造成的死亡人數占60%。為此提高車輛的被動安全尤為重要，在汽車碰撞安全性研究中，為了保證駕乘人員有足夠的生存空間，駕乘艙不應有過大的碰撞變形。

本文利用仿真軟件Hypermesh和Ls-dyna對客車整車100%正面剛性壁障碰撞安全性能進行數值模擬，得到整車變形情況、碰撞力曲線、整車加速度曲線和前圍板侵入量。這對于提高客車的安全性設計具有重要參考價值。

1 碰撞模型的建立

本次仿真實驗參考國內某客車模型尺寸，客車的主要參數總長4140mm，寬1590mm，高1935mm，整備質量1060kg。

碰撞過程中，障礙壁墻基本不變形，因此墻壁可以選用MAT20號剛性體材料。畫分網格時，面網格單元為20mm，體網格單元為20mm，單元總數為889579，節點為983019，三角形單元總數為31493，比例為3.5%。整車模型使用的主要材料為DC01、DC03、BLD、20#、B340/590DP、BUSD、ABS、PP等。由于整車零件很多，這里只列舉重要零件選用材料。

在定義整車與壁障的接觸時，將其定義為面與面的自動接觸[2]，整車為主動接觸。依據《GB11551-2003乘用車正面碰撞的乘員保護》的技術要求[3]，對小型客車的模擬速度設為50km/h。在本次仿真實驗中，重力加速度g=9.81m/s2，小型客車與壁障墻的碰撞角為零度。

因為小型客車的有限元模型大本分都是面網格，即四節點的BT單元，Hypermesh軟件中的算法為單點高斯計算方法，經過積分后，這種方法會造成有限元模型的能量損失，即沙漏能。沙漏能不可避免，并且它越大，計算結果越不準確，越小數據越精確。必須對它進行控制，一般通過設置沙漏系數來確保沙漏能維持在很小范圍內，本文可將沙漏系數設為0.1[4]。

2 碰撞性能分析

由仿真實驗數據可知總能量近似于120kj，沙漏能最大值近似為2.11kj，所占比為1.7%，遠遠小于10%，沙漏能很小，說明本次仿真實驗數據可靠。

圖1和圖2分別為碰撞力和整車加速度變化曲線，這兩圖表明整車加速度隨著碰撞力的變化而變化，碰撞力最大時，整車加速度也最大。在35ms時碰撞力達到最大值488KN，整車加速度最大值為40g。

圖3為碰撞過程中80ms時整車的變形情況，碰撞過程中，前縱梁吸收了碰撞的大部分能量，為主要吸能部件，當碰撞時間為40ms時，前縱梁變形最大，吸能盒基本被壓潰，兩邊的縱梁輕微的向中間方向變形，在縱梁中部有折彎情況。

圖4為前圍板侵入量位移云圖，前圍的侵入是造成人胸部、腹部以及大腿受到傷害的重要原因之一，如果侵入量過大，則可能導致這些部位傷害過大，該圖表明前圍最大侵入量為139.5mm。

4 結論

1）整車加速度隨著碰撞力的變化而變化，碰撞力最大時，整車加速度也最大，在客車結構改進中應重點考慮碰撞力影響。

2）高速碰撞后，吸能盒吸能充分，但左右縱梁在中間位置有折彎情況，這對駕駛室有潛在危害，本文建議應在左右橫梁間加一條或兩條橫板作為支撐；

3）前圍板最大侵量為139.5mm，這個數值對成人胸部、腹部以及大腿有潛在危害，在客車結構設計中應加大改進。

參考文獻

Masao NAGAI. Perspectives of Research for Enhancing Active Safety Based on Advanced Control Technology[J]. Journal Automotive Safety and Energy， 2010， 1（1）：14-22.

BENSON DJ.A single surface contact algorithm for the post-buc-king analsys of shell at structures[J].Computer Methods in Applied Meehanies and Engineering，1990，7-8：141-163.

張金換，杜匯良，馬春生等.汽車碰撞安全性設計[M].北京：清華大學出版社，2010.

胡遠志，曾必強，謝書港.基于LS-DYNA和HyperWorks的汽車安全仿真與分析[M].北京.清華大學出版社.2012.