接頭設(shè)計對客車側(cè)翻仿真的影響

摘 要：接頭是車身結(jié)構(gòu)的重要組成部分，起著過渡作用，接頭結(jié)構(gòu)的合理性是保障汽車安全性能的重要因素.通過對某車型的翻車模擬仿真，結(jié)果發(fā)現(xiàn)由于接頭設(shè)計不當，剛度不足，使接頭多處發(fā)生屈服，導(dǎo)致整車側(cè)面翻車而變形嚴重，使司乘人員受傷嚴重.文章通過對接頭結(jié)構(gòu)進行改進，重新設(shè)計，建立仿真模型，經(jīng)仿真分析、有限元計算，結(jié)果能滿足現(xiàn)行法規(guī)的要求，由此證明合理的接頭設(shè)計能夠在整車側(cè)翻時使司乘人員的安全性得到提高，減輕其受傷害程度，為今后的客車結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考.

關(guān)鍵詞：接頭設(shè)計；側(cè)面翻車；仿真模型；有限元計算

中圖分類號：U462.35 文獻標志碼：A

0 引言

如今，隨著世界汽車保有量的持續(xù)增長，汽車的交通事故也在頻繁發(fā)生.從交通事故的統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，其中車輛翻車導(dǎo)致的乘員受傷非常嚴重；因此，研究并提高車輛的翻車安全性十分必要[1].

接頭、板和梁這三大部件是車身結(jié)構(gòu)的主要部分.其中，接頭是車身結(jié)構(gòu)的一個重要部分，在車身結(jié)構(gòu)中起著過渡的作用.車身接頭剛度的大小，對整個車身的剛度、強度和模態(tài)產(chǎn)生直接的影響.車身的結(jié)構(gòu)受到載荷時，結(jié)構(gòu)的連接過渡處即接頭處受力較大，一般來講，車輛的骨架斷裂等問題，都可以追溯到接頭部分[2].在車輛側(cè)面翻車的過程中，著地初始階段的主要部件是接頭，如果這個階段接頭因為剛度不足等設(shè)計原因，會導(dǎo)致整車在翻車時發(fā)生嚴重變形；因此，車身接頭模型建立對整個汽車骨架的計算分析產(chǎn)生影響.

文中對某承載式客車進行建模，建立車身骨架的側(cè)翻碰撞模型，利用Ls-dyna進行求解計算，證明接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計對側(cè)翻仿真分析結(jié)果的影響程度.

1 建立原方案的側(cè)翻仿真模型

1.1 相關(guān)法規(guī)

各國都發(fā)布了關(guān)于客車側(cè)翻的安全法規(guī)，比如美國發(fā)布了FMSVV216的車頂抗壓強度與FMSVV208的乘客安全保護，歐洲發(fā)布了CECR66的客車車身上部結(jié)構(gòu)強度安全要求.國內(nèi)也制定了相應(yīng)的法規(guī)《GB/T17578客車上部結(jié)構(gòu)強度的規(guī)定》（文中簡稱GB/T17578）.法規(guī)中對翻轉(zhuǎn)臺的建立和乘員空間的布置進行了詳細的說明.

對于翻轉(zhuǎn)平臺的設(shè)計（圖1），法規(guī)要求：客車停放在一個水平的翻轉(zhuǎn)平臺上，翻轉(zhuǎn)軸平行于客車縱軸線，初始水平面和碰撞水平面的高度差為800 mm.

對于生存空間的設(shè)計（圖2—圖3），GB/T17578要求：車身任何部分的位移都不允許侵入生存空間，生存空間內(nèi)的任何部分都不能突出到變形的車身結(jié)構(gòu)外.

1.2 仿真模型的建立

在客車側(cè)碰模型的建立過程中，進行了如下細節(jié)的處理[3].

1）發(fā)動機總成、油箱采用體單元來模擬，輪胎和前后橋采用50 mm的殼單元劃分.前后橋與輪圈的連接用CONSTRAINED_RIGID_BODIES來定義.發(fā)動機總成、油箱跟底盤的連接用CONSTRAINED_EXTRA_NODE_NODE來定義.

2）客車側(cè)翻過程中，在未觸及地面之前，客車上部結(jié)構(gòu)基本沒有變形，為了提高計算效率節(jié)約計算成本，對客車即將觸地時刻到變形結(jié)束的階段進行模擬.根據(jù)側(cè)翻臨界角和該車的重心位置，運用能量守恒公式計算出客車即將觸地時刻的角速度為1.82 rad/s.整個過程中考慮重力加速度，取9.8 m/s2.

3）模型中的車身部件的接觸類型為單面自動接觸；輪胎與側(cè)傾平臺的接觸、車身骨架與地面的接觸為自動面面接觸.圖4為需要建立的側(cè)翻有限元模型.

2 原方案的計算結(jié)果及分析

2.1 計算結(jié)果

計算結(jié)果如圖5所示，圖中可知，生存空間明顯侵入到地面（紅色圈），侵入量約212 mm.明顯地，原方案的側(cè)翻達不到法規(guī)的要求.進一步查看計算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)碰地側(cè)的車身接頭，大部分都產(chǎn)生了嚴重的屈服（圖6—圖7）[4].

2.2 結(jié)果分析與改進

之所以碰地側(cè)的大部分接頭都發(fā)生了屈服，是因為現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的設(shè)計，導(dǎo)致接頭剛度不足.在觸地的時刻，頂部與側(cè)圍的接頭，以及窗下縱梁與司機門框搭接的接頭，最先著地，承受很大的沖擊載荷.如果剛度不足，很容易發(fā)生失穩(wěn)，進而導(dǎo)致整車變形嚴重，翻車結(jié)果不合法規(guī)要求；因此，必須對現(xiàn)有的接頭結(jié)構(gòu)進行改進.改進方案為：接頭處的相關(guān)鈑金件使用的材料由Q235更改為Q345，此時鈑金件的屈服極限由235 MPa提高到345 MPa；在工藝限定的范圍內(nèi)，擴大接頭相關(guān)處的鈑金件的截面尺寸；在關(guān)鍵接頭（如側(cè)圍立柱）處增加2 mm后的加強板；同時對一些不連續(xù)的接頭進行搭接使其有效傳遞載荷（圖8）.

3 接頭的有限元計算

3.1 接頭剛度的計算原理

截取接頭及其附近的部分結(jié)構(gòu)：從接頭處開始，向外延伸至少150 mm部分的結(jié)構(gòu).除加力端外，其余各端約束1～6自由度，在加力端剪心處引一長度為L的剛性梁，在剛性梁外端點加載，計算接頭的剛度值.

運用剪心法，如表1為某一接頭的剛度計算示例[5]，其中剛度Kx和Kz通過在加載點施加一定大小的力獲得.對于剛度Ky，通過施加一定大小的扭矩獲得.

3.2 改進前后的接頭剛度對比

運用剪心法，在HyperWorks前處理中進行剛度計算[6].分別對原方案和改進方案中的7處接頭（圖9）進行計算，結(jié)果如表2.從表2的數(shù)據(jù)可知，改進后的接頭剛度均明顯大于原方案的.其中，位置1、2、7處的接頭剛度改善更為明顯，這3處為原方案中發(fā)生嚴重屈服的位置.

4 改進方案的翻車結(jié)果

改進后的側(cè)翻結(jié)果如圖10所示，碰撞后的生存空間與側(cè)圍立柱最小距離為43.2 mm.生存空間沒有侵入到側(cè)圍立柱和地面.

整個仿真時間為1.4 s，如圖11所示為改進后的客車側(cè)翻中能量變化情況.包括骨架總能量（Total Energy）、動能（Kinetic Energy）、內(nèi)能（Internal Energy）、滑移界面能（Interface Energy）、沙漏能（Hourglass Energy）.整個側(cè)翻過程中能量是守恒的，從臨界位置開始，勢能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽埽兀?.1 s）后動能逐漸減少，內(nèi)能增加，沙漏能（0.6 kJ）在整個變形中占總能量（34.1 kJ）的1.7%，滿足小于5%的要求[7]，滑移界面能極小，生存空間未侵入到側(cè)圍立柱和地板，能量曲線符合邏輯，因此本次側(cè)翻滿足法規(guī)要求.

5 結(jié)語

文中通過改進接頭結(jié)構(gòu)的設(shè)計，以增強其剛度.其中前擋窗下橫梁處接頭（位置1）的Kx剛度提高了344%，前擋窗上橫梁與司機門框相交處接頭（位置2）的Kx剛度提高了385%，尾門框上部接頭（位置7）的Kx剛度提高了57.5%.這些接頭剛度的提高，避免了碰撞后生存空間侵入到側(cè)立柱或地板，使改進后的側(cè)翻結(jié)果滿足法規(guī)要求，加強了客車側(cè)翻的安全性，說明了接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計的恰當與否對客車的側(cè)翻結(jié)果產(chǎn)生重要影響，為今后的客車結(jié)構(gòu)設(shè)計工作提供參考.

參考文獻

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[2] 鄒素平.承載式客車車身骨架接頭CAE建模方法研究[D].吉林：吉林大學(xué)，2007.

[3] 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(xué)出版社，2011.

[4] 廖金深，沈光烈，林圣存.對某微型客車車身結(jié)構(gòu)的有限元分析[J].廣西科技大學(xué)學(xué)報，2016，27（1）：58-61.

[5] 聶毓琴，孟廣偉.材料力學(xué)[M].2版.北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[6] 廖君.基于有限元法的汽車接頭剛度仿真分析[J].現(xiàn)代零部件，2008（10）：82-84.

[7] 韋志林，黃昶春，李波，等.基于LS-DYNA的兩種客車側(cè)翻模型比較[J].廣西科技大學(xué)學(xué)報，2014，25（1）：59-62.

Effect of joint design on bus rollover simulation

LIN Sheng-cun

（ Research Institute of Automotive Engineering， Guangxi University of Science and Technology，

Liuzhou 545006， China）

Abstract：The joint is an important part of the body structure and plays the role of transition. So the rationality of joint structure design is an important factor to ensure the safety performance of the car. Through the simulation of a vehicle rollover， it was found that improper joint design and insufficient stiffness caused the yield of joints， rollover and deformation of vehicle， and the injury of the passengers. The paper improved and redesigned the structure of the joints by establishing simulation model. Through finite element simulation and calculation， it showed that the result could meet the requirements of current laws and regulations， thus proving that the reasonable design of joint can improve the safety in rollover and reduce the injury of the passengers， which provides a reference for the structural design of the vehicle in the future.

Key words：joint structure； vehicle rollover； simulation model； finite element calculation

（學(xué)科編輯：黎 婭）