某客車整車側翻分析及優化方案

王煜，汪中傳

(安徽安凱汽車股份有限公司，安徽合肥 230051)

某客車整車側翻分析及優化方案

王煜，汪中傳

(安徽安凱汽車股份有限公司，安徽合肥 230051)

根據國標GB 17578-2013《客車上部結構強度要求及實驗方法》，基于LS_DYNA軟件對某新開發客車車型進行仿真分析及優化。通過HyperMesh建立客車仿真分析模型及客車生存空間，設置初始狀態為整車翻轉與地面接觸瞬間，然后采用LS_DYNA進行求解，通過HyperView查看結果。對生存空間侵入部分的結構進行優化改進或更換材料，使優化后仿真結果達到國標要求。

客車；側翻仿真；生存空間；優化

0 引言

近些年，隨著經濟的快速發展，公共交通、旅游業增長速度較快，客車保有量也在不斷增長，對客車安全性的要求也越來越高，尤其是對側翻安全性逐步重視[1]。汽車側翻是指汽車在行駛過程中繞其縱軸線轉動90°或更大角度，以至車身與地面相接觸的一種極其危險的側向運動。很多因素可能引起汽車側翻，包括汽車結構、駕駛員和道路條件等。作者參照GB 17578-2013《客車上部結構強度要求及實驗方法》要求，以某客車為研究對象，利用LS_DYNA對建立的客車模型進行仿真分析。通過仿真分析得到侵入生存空間的結構位置，對其進行結構優化或材料的更換。

1 仿真模型創建

1.1 三維模型的創建

首先利用NX8對該客車進行建模，為了使后期仿真結果盡可能地反映真實情況，整車骨架及主要零部件均按照實際尺寸進行建模。此外根據CAE分析簡化原則，對模型進行正確合理的簡化[2-3]。

1.2 有限元模型創建

1.2.1 模型有限元網格劃分

車身骨架采用殼單元，連接以節點重合為主，對應規則的“T”形接頭，RigidBody為輔；線焊采用MAT100單元；動力總成采用剛性殼單元模擬，與車身連接采用RigidPatch方式[4-5]；材料需考慮應變率效應。整車有限元網格模型如圖1所示。

圖1 整車有限元網格模型

1.2.2 整車配重

整車模型配重后的質心應與實際質心相同，內外飾用均布質量點配重，底盤零部件和電器等部件用集中質量點進行配重。整車模型信息如表1所示，其主要總成部件質量如表2所示。

表1 整車模型信息

表2 主要總成部件質量

1.2.3 建立生存空間

根據GB 17578-2013《客車上部結構強度要求及實驗方法》規定建立生存空間，如圖2所示。

圖2 生存空間

1.2.4 邊界條件

圖3 邊界條件初始狀態

根據GB 17578-2013《客車上部結構強度要求及實驗方法》規定，將整車放置在一個可傾斜的側翻平臺上，將懸架鎖止，再慢慢地傾倒在一個不穩定的平衡位置。側翻實驗從不穩定位

置開始，角速度初速度為0，以車輪側翻平臺平面接觸點作為翻轉軸翻轉。車輛從側翻平臺翻滾撞擊在800 mm落差的水平、干燥、平整的混凝土平面上。超過臨界位置后，整車在自重力的作用下運動至與硬質地面接觸，根據能量守恒定律計算得到角速度為2.32(°)/s。此次仿真為了簡化邊界條件設定，采用逆向思維，使整車靜止不動，地面翻滾撞擊車輛，其效果等同于整車翻滾跌落，邊界條件初始狀態如圖3所示，圖4為圖3轉動后的等效翻滾圖。

2 客車側翻仿真分析

2.1 整車翻滾變形分析

該客車從接觸地面的一瞬間開始發生變形，故從接觸瞬間開始計時，考慮到碰撞后的反彈[6]，時間設定持續250 ms，其變形過程如圖5所示。可知：隨著碰撞深入，變形越大，生存空間被逐漸侵入。

圖5 側翻變形圖

2.2 生存空間侵入分析

整車側圍立柱共有12根，左右側圍各6根，現將一側6根立柱最易侵入生存空間的點標出逐一進行測試分析，如圖6所示。

圖6 側圍立柱測點位置示意圖

分別對各立柱測試點做成員生存空間侵入曲線分析。生存空間A曲線所示最大侵入量為337.635 mm，生存空間B曲線所示最大侵入量為313.354 mm，生存空間C曲線所示最大侵入量為277.095 mm，生存空間D曲線所示最大侵入量為261.666 mm，生存空間E曲線所示最大侵入量為267.928 mm，生存空間F曲線所示最大侵入量為260.915 mm。各曲線如圖7所示。

圖7 各立柱測試點生存空間侵入曲線分析

基礎模型分析結果表明：生存空間在各個立柱均發生侵入，不能滿足國標要求，生存空間最大侵入量為337.635 mm，發生在A柱。

3 優化

3.1 優化思路

從生存空間侵入曲線來看，側圍結構偏弱，是導致侵入發生的主要原因，也是優化的重點。該車受造型要求，側圍中間立柱沒有采用上下貫通結構，從結構傳力角度考慮，立柱中間出現不連續，會降低側翻過程中立柱整體的強度。此外該車側

圍立柱材料采用的是Q345，從仿真結果來看，性能偏弱。優化思路分為兩點：(1)增強結構，優化傳力路徑，加強不連續處的過渡，增加連接梁，如立柱梁的環狀結構、立柱與底架連接處的局部補強等措施；(2)考慮提升立柱材料等級，增加能量吸收[7-8]。

3.2 優化步驟

(1)側圍上下立柱，包括形成封閉環狀的頂蓋橫梁、頂蓋上邊梁，材料升級為高強度鋼，屈服強度達720 MPa。需更改材料的骨架如圖8所示。

圖8 材料升級為高強度鋼的骨架示意圖

(2)側圍下立柱如圖9所示，自地板向上延伸至玻璃窗下沿，增加變形區域的吸能。

(3)側圍A立柱后面立柱向下延伸至底架，形成雙立柱，在與地板骨架連接位置加相應斜撐,厚度3 mm、寬度60 mm，如圖10所示。

(4)側圍上立柱與底架連接處增加三角斜撐，左右對稱布置，如圖11所示。

(5)前頂蓋上方橫梁與縱梁交接處增加兩個三角斜撐,厚度2 mm，如圖12所示。

(6)前圍風擋骨架，材料升級為高強度鋼，厚度從2 mm增加到3 mm，上角增加三角支撐件；后圍風擋立柱與側圍骨架之間加彎角支撐，風擋下角增加三角支撐件,大座椅下增加斜撐,如圖13所示。

(7)為右側圍A柱向后3片梁增加斜撐，厚度3 mm，如圖14所示。

圖9 優化后側圍下立柱示意圖

圖10 優化后側圍A立柱示意圖

圖11 側圍上立柱與底架連接處增加三角斜撐示意圖

圖12 前頂蓋上方橫梁與縱梁交接處增加三角斜撐示意圖

圖13 優化后的前、后圍示意圖

圖14 右側圍A柱向后三片梁增加斜撐示意圖

3.3 優化結果

經過上述優化后再次進行仿真，所得乘員生存空間侵入曲

線如圖15所示，各立柱均無侵入生存空間，符合國標要求。

圖15 優化后各立柱生存空間侵入曲線示意圖

4 結束語

基于LS_DYNA對某車型進行側翻研究，從優化前后仿真結果來看：優化后整車的安全性大大提高，尤其是高強度鋼的使用在側翻仿真中效果明顯，同時也能實現整車骨架輕量化、減排等多目標要求。對于側翻中立柱等關鍵結構件的設計，CAE在造型階段介入更有效果，后期優化空間大，成本也能大大降低。

【1】魏朗，劉浩學．汽車安全技術概論[M]．北京：人民交通出版社，1999．

【2】高水德，張紹理，姚常青．國外客車被動安全研究[J]．客車技術與研究，2006,28(3)：7-10． GAO S D,ZHANG S L,YAO C Q.Study on Foreign Bus and Coach Passive Safety[J].Bus Technology and Research,2006,28(3)：7-10．

【3】嚴永攀，吳長風，蘇亮，等．全承載臥鋪客車側翻仿真分析與優化[J]．機電技術，2012(1)：20-22．

【4】尹鴻飛．客車上部結構強度及側翻碰撞研究[D]．合肥：合肥工業大學，2006．

【5】王旭，蘇瑞意，范子杰．大客車結構有限元分析及輕量化設計[J]．汽車技術，2007(7)：28-30，48． WANG X,SU R Y,FAN Z J.Finite Element Analysis and Light Weight Design for Bus Structure[J].Automobile Technology,2007(7)：28-30,48．

【6】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．

【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． LI C,ZHOU W,SI J P,et al.The Simulation Study on Coach Superstructure Safety Based on Roll-over[J].Machinery Design & Manufacture,2009(8)：216-218.

【8】葛健，張維剛．一種新的客車側翻試驗仿真評價方法[J]．科技導報(北京)，2010，28(13)：19-23． GE J,ZHANG W G.Simulation of a New Evaluation Method in the Coach Rollover Test[J].Science & Technology Review,2010,28(13)：19-23．

Rollover Analysis and Optimization Scheme for a Coach Model

WANG Yu，WANG Zhongchuan

(Anhui Ankai Automobile Co., Ltd.,Hefei Anhui 230051,China)

According to GB 17578-2013RequirementsandTestMethodsofStrengthfortheSuperstructureofBus, the simulated analysis and optimization for a newly developed coach model were conducted based on the LS_DYNA software. The coach simulation analysis model and survival space were established through the HyperMesh. The initial state was set as the moment of vehicle rollover contacting with the ground. Then LS_DYNA was used to solve and the results were checked through HyperView. Optimal improvement or material replacement was conducted for the structure of survival space intruding part. It is shown that the optimized simulation results meet the national standard requirements.

Coach; Rollover simulation; Survival space; Optimization

2017-01-10

王煜(1988—)，男，本科，助理工程師，主要從事客車CAE分析工作，包括客車結構剛度、強度分析，整車側翻、碰撞分析。E-mail：1174416448@qq.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.05.001

U469.1

A

1674-1986(2017)05-001-07