殼式客車側翻安全性仿真及其設計研究

梁卓，吳磊，沈光烈，謝義杰

（廣西科技大學汽車研究所，廣西柳州545006）

殼式客車側翻安全性仿真及其設計研究

梁卓，吳磊，沈光烈，謝義杰

（廣西科技大學汽車研究所，廣西柳州545006）

客車側翻是造成重大交通事故的主要原因之一，其側翻安全性研究是完善整車結構性能的關鍵．為了避免或減少由于側翻事故中客車上部結構強度不足而導致的傷亡損失，對多層鈑金全承載結構的客車進行側翻仿真及試驗研究．在仿真結果分析中，對客車側翻安全性進行評定，并提出改進方案進而做出合理的驗證，最終完成整車結構的安全性設計，有效地提高了客車的安全性能.

客車；有限元仿真；側翻；上部結構安全

0　引言

隨著人們生活水平的提高，客車的使用越來越多．在交通事故中，側翻的死亡率非常高，具有群死群傷的特點，側翻安全性的研究具有重要的現實意義．客車安全性的研究在國外日臻完善，具有代表性的安全法規體系有美國FMVSS系列、歐洲EEC和ECE系列，我國的相關法規也不斷修訂，在頒布的最新法規中將客車側翻安全性研究納入強制性的認證檢測項目．

根據法規GB 17578-2013對多層鈑金全承載結構的某客車進行計算機模擬整車全程側翻試驗，借助CAE分析，經過多次的設計、校核和改進，最后使得實車試驗通過客車側翻安全性實驗，可供客車行業參考．

1　法規標準［1］

2013年9月18日，國家質量監督檢驗檢疫總局、國家標準化管理委員會批準發布《客車上部結構強度要求及試驗方法》（GB 17578-2013）強制性國家標準，并于2014年7月1日正式實施．對于客車側翻安全性研究試驗，國家的這項法規屬性是強制性的，代替了之前推薦性的客車側翻安全性標準《客車上部結構強度的規定》（GB／T17578－1998），其主要變化多達22項．表明了國家對客車側翻安全性的高度重視，這也對國內各個汽車企業提出了更高的要求．

1．1新舊法規的主要變化

我國在側翻安全性的舊法規為《客車上部結構的強度要求》（GB／T17578－1998），新法規GB17578-2013主要改變的內容有：

1）新法規的屬性由推薦性改為強制性；

2）新法規改變了加載質量：要求在每個裝有乘員約束裝置的座椅上加載乘員質量的50％；

3）新法規要求的范圍變大：用于M2類和M3類中的Ⅱ級、Ⅲ級及乘客數大于16人的B級客車，包括臥鋪客車．

1．2新法規的難度增加

1）以往的側翻研究多為骨架式車身，對于多層焊接沖壓件的側翻研究極少有報道．有限元法作為分析工程問題的數值計算方法，其核心思想是將結構的求解域離散為有限個單元，并通過它們邊界上的節點相互連接為組合體．骨架式車身結構只是通過單層的單元模擬，受力是連續的，而本次研究的客車結構為多層焊接沖壓件，這就決定了大變形動態仿真中的受力特性的復雜性，大量的焊接及接觸問題的處理增加了難度．

2）新法規要求增加乘員質量，對于多層焊接沖壓件的車身提出了相當苛刻的要求．

2　客車側翻有限元模型及仿真設置

客車側翻碰撞是一個非常復雜的瞬間動態物理過程，即問題的求解涉及到典型的動態接觸問題．動態顯式求解算法已成為汽車被動安全性研究中占比較優勢的方法之一，它能夠有效處理高度復雜的三重（材料、幾何、邊界）非線性問題［2］．為了后續的研究工作做好充分準備，盡可能準確反映客車實際結構的力學特性，建立合理的有限元模型是整個研究過程的關鍵性前提．目前，由于有限元方法在非線性分析中取得了很大進展，以及一批大型通用的非線性分析程序進入實際應用，本文根據GB17578-2013，在AltairHyper-Mesh軟件中搭建有限元模型，求解器采用主流的非線性顯式動力學分析軟件LS－DYNA．

2．1模型的建立

本文研究的客車是由多層薄板沖壓件焊接而成，其尺寸變化大、空間結構相當復雜，特別是底盤結構，碰撞時對外載及邊界條件特別敏感［3］．在充分考慮計算規模、效率和計算精度的基礎上，客車車身結構選用了限定值10mm的殼單元進行仿真．對于分析過程中，變形很小的部件如發動機，則將其定義為剛體，所采用的方式為將剛性材料賦予代表發動機的單元即可．板簧、吊耳、吊耳支座等零件對于上部安全性分析結果影響不大，模型中將其忽略．由于模型中不使用玻璃模型，具體的質量通過施加點質量到安裝玻璃的邊緣，電氣管路、空調、乘客、等根據其位置施加點質量在相應的地方．整車有限元模型如圖1所示．

針對客車側翻碰撞的力學特性，鈑金件及底盤件的材料采用了彈塑性材料模型進行了仿真試驗，選擇彈塑性材料模型來模擬鋼材的力學行為［4］，在軟件中選擇Mat－24進行相關編輯，材料的應力應變曲線由廠家提供．發動機等部件是基本不變形的，可設為剛性材料［5］，剛性材料選用材料Mat－20．鈑金件之間大量的連接采用點焊形式，點焊材料選用材料Mat－100，通過編輯其屬性來模擬焊點的破壞和斷裂模式.其材料相關特性參數如表1所示．

按照法規GB17578－2013要求以及參照實車試驗場的情況，對翻轉平臺、碰撞地面及生存空間進行有限元模擬，均采用剛性材料M at-20進行簡化．其中生存空間有限元模型如圖2所示．

2．2邊界條件

圖1　整車有限元模型Fig.1 Finite elementmodel of the comp lete vehicle

表1　材料特性參數Tab．1 Property parametersof m aterials

圖2　生存空間的有限元模型Fig．2 Finite e lement m odel o f the r esidualspace

1）確定臨界翻轉角.為了減少整車側翻的計算時間，把仿真的初始位置設在臨界不平衡位置，從水平位置翻轉至不平衡位置的角度即是臨界翻轉角.在Hyper-Mesh中按照質心位置的數據通過創建點的方式標記出來，將整個模型繞翻轉軸旋轉，最終使整車質心位置適當越過垂直平面.

2）翻轉平臺始終約束在臨界不平衡位置，按照法規試驗程序要求，給整車模型施加初始角速度0．087 rad／s．

3）給整車模型設置重力加速度，本文以重力加速度的形式對其施加［6］，大小取9．8m／s2．

2．3仿真參數的設置

在進行客車側翻碰撞的仿真中，為了合理的分析結構的受力特性，要對單元計算公式、接觸、沙漏控制、時間步長及質量縮放等相關參數進行合理的設置，確保整個求解過程的穩定性以及仿真結果的可靠性［7］．

3　全程側翻仿真及剛柔轉換技術的應用

由于客車在觸地之前對于上部結構強度沒有任何損傷，為了節省計算成本，側翻分析從觸地瞬間開始計算分析，直至變形完成．其方法是測量車身側翻臨界狀態與碰地瞬間的重心高度差，根據能量換算的辦法求出觸地時的角速度，之后在軟件中定義該角速度和重力加速度作為邊界條件，進行計算．即“不完整”的半程側翻仿真分析.經過查詢國內外的大量文獻資料，發現采用的大多為半程計算，這是目前比較通用的方法．其主要原因是受限于計算機的計算成本，全程側翻仿真的計算量是巨大的．

文獻［8］中論證了全程側翻仿真是具有優勢的，具體分析了全程與半程側翻仿真的結果，最終指出，采用全程側翻仿真獲得的結果更具一致性，從減少數據計算的誤差，增加計算過程的穩定性等方面考慮，建議盡可能采用全程側翻仿真．

為了保證仿真計算的正確性、保證符合真實的物理過程，采用了全程側翻仿真．另外，整車側翻有限元模型采用限定值10mm劃分網格，又進一步保證了計算精度，但也進一步造成了整個模型的計算規模、計算時間的急劇增加．整個側翻仿真的難點在于怎么提高效率、縮減計算量，針對這個難點，在高配置計算機硬件的前提下，采用了剛柔轉換的技術，來彌補計算量急劇增加的不足，大大提高了效率和仿真結果的真實性．所謂的“剛柔轉化”，其主要思想是：在顯式積分中，剛體的計算效率遠遠大于柔性體，整車在空中翻轉的過程中，也即觸地之前，把車體轉化為剛性體，這樣可以最大限度的節約仿真計算時間，以提高效率；而當車身即將碰地時，將車身由剛性體轉化為柔性體．

4　客車側翻安全性仿真分析及其改進設計

4．1仿真結果分析及乘員生存空間評價

圖3　側翻全程能量曲線Fig．3 e nergy plots o f thewhole calculation of r ollover

全程側翻仿真能量曲線如圖3所示，在整車側翻碰撞動態仿真趨于穩定狀態時，整車變形也基本結束，各能量趨于穩定狀態．其中，沙漏能始終低于總能量的5％，認為計算結果是穩定、可靠的，從側翻全程能量曲線變化可知，仿真結果是符合真實的物理邏輯要求的．

由仿真結果可知，車身結構最大變形時，也即動能達到最小值時，生存空間已經被侵入，如圖4所示，其中B，C，D柱的生存空間侵入量曲線如圖5所示．

其中，B柱的最大侵入量達到了130mm；C柱的最大侵入量為45mm；D柱未侵入，尚有余量10mm.所以，整車側翻碰撞仿真不能滿足客車側翻碰撞安全性要求，依照法規不能通過側翻試驗，需要針對分析結果再進行合理的改進．

4．2整車結構的改進設計

圖4　侵入量最大時的變形情況Fig．4 deformation of the maximum amount of intrusion

圖5　安全空間剩余量Fig．5 The remaining amount of residual space

為了使整車側翻安全性能達標，通過對仿真結果分析，對整車結構進行了多種方案的改進設計：1）改進立柱上的連接板，其厚度由1．5mm改為2mm；2）司機門和乘客門A柱的改進，其加強板改為封閉結構；3）將前風窗下橫梁兩端的孔封起來，橫梁厚度由1mm改為1．5mm，材料由DC01（屈服強度為185MPa）改為SAPH370（屈服強度為289MPa），或者改用其他強度類似的材料．前風窗上橫梁的工藝焊接口也封起來；4）將司機門一側B柱底部、前擋上橫梁的工藝焊接口封起來，其內板下拉至地板以下．

整車結構在最終改進設計之后，再進行仿真分析，其中改進前后的侵入量可以進行比較，如表2所示，可以直觀的分析出其安全性得到了很大提高．

表2　改進前后的侵入量比較Tab．2 The comparison of intrusion before and after improvement mm

5　實車試驗情況及結果分析

在上章改進設計后的整車側翻碰撞仿真中，最大的生存空間侵入量為B柱的35mm，改進后的車身骨架得到最大限度的加強，而分析了試驗實車和仿真模型的區別后，發現實驗車比仿真模型具有諸多的抗側翻有利因素，側翻成功的可能性很大.于是大膽地進行了實驗車翻車．

通過將實車試驗的高速攝像動畫與仿真過程的動畫進行對比，具有很高的吻合度，仿真與實車試驗的物理邏輯是相符的，如圖6所示．

在實驗車的安全空間侵入量的測量分析中，取最危險的B柱測點作為說明，B柱仍然有100mm的剩余空間，如圖7所示，整車上部安全性實驗是合格的，側翻實驗通過．

圖6　實驗車與仿真模型側翻對比Fig．6 The comparison of test vehicle and FEA model

6　結論

根據GB17578-2013，針對多層鈑金全承載結構的復雜性，客車側翻安全性仿真采用全程計算，以保證符合真實的物理過程，從而保證計算的正確性，其中，剛柔轉換關鍵技術的應用保證了計算的高效性．經過分析仿真結果，對整車結構進行改進設計，其安全性能得到了最大限度的提高．

研究計算機仿真為指導，對實車進行了側翻試驗，生存空間未被侵入，滿足了上部結構強度要求，側翻實驗通過．

利用計算機仿真不僅降低了研發成本又縮短了設計周期，這對客車行業的結構設計及其安全性評價等很有參考意義．

圖7　實驗車的安全空間（單位：mm）Fig.7 The residual space of test vehicle（unit：mm）

［1］中國國家標準化管理委員會.GB17578－2013客車上部結構強度要求及試驗方法［S］．北京：中國標準出版社，2013．

［2］饒建強，陳吉清，蘭鳳崇，等．側翻工況下客車頂蓋碰撞強度的仿真分析［J］．機械設計，2010（7）：15－19．

［3］謝素明，趙偉，陳秉智，等．客車車身結構側翻過程數值模擬［J］．大連交通大學學報，2010，31（2）：1－4．

［4］李毅．大客車側翻碰撞安全性設計與優化關鍵技術研究［D］．廣州：華南理工大學，2012．

［5］亓文果．基于ECER66法規的客車側翻碰撞安全性能的仿真與優化［J］．汽車工程，2010（12）：1042－1046．

［6］韋志林，黃昶春，李波，等．基于LS—DYNA的兩種客車側翻模型比較［J］．廣西科技大學學報，2014，25（1）：59－62．

［7］李臣，周煒，司景萍，等．客車側翻的上部結構安全性仿真研究［J］．機械設計與制造，2009（8）：216－218．

［8］林志立．客車有限元模型對側翻仿真結果的影響［D］．柳州：廣西科技大學，2015．

（學科編輯：張玉鳳）

Safety and forward design of shell-type bus based on the rollover simulation

LIANG Zhuo，WU Lei，SHEN Guang-lie，XIE Yi-jie
（Research Institute of Automotive Engineering,Guangxi University of Science and Technology,Liuzhou 545006,China）

Bus rollover is one of the main reasons that cause a serious traffic accident,safety study of the rollover is a key to improve the performance of the vehicle structure.In order to avoid or reduce the rollover accident casualty losses resulted from the insufficient strength of the superstructure of bus,under the new requirements,bus rollover simulation and experimental research are performed on the all-bearing structure with multilayer sheet metal.In the results of simulation analysis,we evaluate the safety of bus rollover,and propose improvement plans and then make reasonable validation,and finally complete the forward design of vehicle structure,which makes the real vehicle test through the experiment of the superstructure safety and effectively improves the performance of the vehicle rollover safety.

bus；finite element simulation;rollover;superstructure safety

U469．1

A

2095-7335（2016）04-0045-05

10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2016.04.009

2016－05－15

廣西科學研究與技術開發計劃項目（桂科攻1598007－29）資助．

梁卓，碩士，研究方向：車輛結構工程，E－mail：543784765＠＠qq．com．