基于靈敏度分析和側(cè)翻碰撞安全性的客車輕量化研究

郁鋮 洪天宇 周夢(mèng)瑤 777

【摘 要】以某款國(guó)產(chǎn)客車為例，通過(guò)對(duì)車身部分骨架進(jìn)行剛度靈敏度分析，從中選取合適的優(yōu)化對(duì)象，然后以車身質(zhì)量最小化為目標(biāo)，優(yōu)化所選取車身零件的截面尺寸和厚度。對(duì)輕量化后的骨架進(jìn)行側(cè)翻碰撞仿真，確保優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)安全性。結(jié)果表明，輕量化結(jié)果滿足乘員安全性的要求。

【關(guān)鍵詞】靈敏度分析；側(cè)翻；輕量化

一、引言

當(dāng)今時(shí)代的汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向是低碳化、信息化、智能化，對(duì)此，輕量化技術(shù)是支持節(jié)能與新能源發(fā)展的重要生產(chǎn)技術(shù)之一，實(shí)現(xiàn)車身結(jié)構(gòu)減重有利于提高汽車動(dòng)力性以及節(jié)能減排、保護(hù)環(huán)境。

但不恰當(dāng)?shù)妮p量化設(shè)計(jì)可能導(dǎo)致車身結(jié)構(gòu)力學(xué)性能和乘員安全性的下降，因此本文以國(guó)內(nèi)某款客車為例，將檢驗(yàn)后的有限元模型在Hypermesh/Optistruct中進(jìn)行計(jì)算求解，采用剛度靈敏度分析的方法，得到對(duì)剛度變化影響較小的構(gòu)件并進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。再以客車最危險(xiǎn)的側(cè)翻碰撞事故為例，在Hypermesh/Ls-Dyna中檢驗(yàn)優(yōu)化后的客車乘員安全性。

二、建立有限元模型

從Catia中導(dǎo)入整車幾何模型，在Hypermesh中建立有限元模型：為方便建模，做如下簡(jiǎn)化處理：（1）忽略管件的倒圓角；忽略一些非承載部件和工藝孔；左右側(cè)圍骨架中的部分彎曲梁用直梁代替[1]。（2）網(wǎng)格單元類型選擇：所有規(guī)則的型材和蒙皮采用殼單元建模，鋼板彈簧采用梁?jiǎn)卧M，車內(nèi)乘客生存空間采用低密度剛性單元，蓄電池和油箱采用體單元模擬，翻轉(zhuǎn)平臺(tái)及撞擊面采用剛性殼單元模擬。（3）網(wǎng)格單元形狀選擇三角形與四邊形混合交叉型，單元大小為40mm。（4）連接情況：各構(gòu)件之間進(jìn)行節(jié)點(diǎn)合并，各總成之間根據(jù)實(shí)際焊接情況，采用RBE2剛性單元模擬，蒙皮車身使用焊點(diǎn)連接。（5）材料選擇：客車車身骨架結(jié)構(gòu)和底盤骨架結(jié)構(gòu)均使用Q235B材料，蒙皮使用Q235A材料[1]。

三、車身剛度靈敏度分析

輕量化設(shè)計(jì)的初衷是通過(guò)優(yōu)化材料布局、去除材料冗余的方法達(dá)到減輕整車質(zhì)量的目的，但不可避免地會(huì)影響車身性能如整車剛度、模態(tài)和內(nèi)外部振動(dòng)噪聲性能等，又因?yàn)樯鲜鲕嚿硇阅芏伎梢灾苯踊蜷g接地通過(guò)剛度體現(xiàn)[2]，因此本文對(duì)車身構(gòu)件進(jìn)行剛度靈敏度分析，以期望盡量避免車身性能的大幅度降低。

（一）靈敏度分析

分析目標(biāo)：彎曲剛度可用車身在鉛垂載荷作用下產(chǎn)生的撓度大小來(lái)描述，扭轉(zhuǎn)剛度可以用車身在扭轉(zhuǎn)載荷作用下產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)角大小來(lái)描述[2]，因此對(duì)于彎曲工況設(shè)為車身骨架的最大撓度，對(duì)于扭轉(zhuǎn)工況設(shè)為車身的最大扭轉(zhuǎn)角。

約束條件：對(duì)于兩種工況下均設(shè)為車身構(gòu)件的最大應(yīng)力值

設(shè)計(jì)變量：由于客車車身結(jié)構(gòu)件眾多，不可能全部選擇，故遵循以下選擇原則：第一，避開(kāi)對(duì)碰撞安全性、局部剛度性能影響大的零件；第二，忽略一些對(duì)剛度貢獻(xiàn)量小的板件[2]。最后選擇的設(shè)計(jì)變量包括：前風(fēng)窗立柱、側(cè)窗立柱、側(cè)圍第一立柱和后立柱、擱梁、腰梁、裙立柱、頂部橫梁縱梁等桿件的高、寬、壁厚的變化量。

（二）優(yōu)化設(shè)計(jì)

得到兩種工況下變量的靈敏度分析結(jié)果，挑選其中靈敏度值大者即對(duì)目標(biāo)函數(shù)和約束條件影響小的桿件的作為優(yōu)化設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)變量。由于桿件密度均勻，質(zhì)量與體積成線性關(guān)系，因此新的目標(biāo)函數(shù)設(shè)為待優(yōu)化的車身骨架的體積最小[3]，新的約束條件設(shè)為待優(yōu)化的車身骨架的最大撓度和最大應(yīng)力值，計(jì)算可得質(zhì)量、撓度和應(yīng)力隨迭代次數(shù)的變化情況如表 1。由表知，優(yōu)化分析共進(jìn)行了10次迭代計(jì)算，從第6次開(kāi)始數(shù)據(jù)漸趨平緩，其中第8次質(zhì)量最小為700kg，較初始降低120kg，較總質(zhì)量減小5.9%；此次最大撓度值較第一次增加0.0532mm，上升1.5%；最大應(yīng)力值較初始值相比增大4.53Mpa，上升4.0%。雖然最大撓度與最大應(yīng)力均有所上升，但幅度較小，較為理想。

但計(jì)算結(jié)果出于制造性與經(jīng)濟(jì)性的考慮無(wú)法直接應(yīng)用，還需結(jié)合實(shí)際人為修正板厚，部分截面尺寸的修正值見(jiàn)表2。

四、仿真分析

考慮到地板擱梁與左右側(cè)圍的連接部分可能存在變形較大的問(wèn)題，因此在連接處進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，采用管內(nèi)填充的方法，填充材料選擇環(huán)氧樹(shù)脂、木屑及固化劑的混合物[1]。在有限元模型中建立實(shí)體單元模擬物和乘員安全空間，將模型遞交到Hypermesh/Ls-Dyna中進(jìn)行側(cè)翻碰撞仿真計(jì)算。

（一）參數(shù)設(shè)置

求解前輸入如下參數(shù)：（1）仿真初始角速度：利用能量守恒定律[4]，計(jì)算得客車接觸地面的角速度為2.18rad/s。（2）接觸設(shè)置：客車與平臺(tái)之間的接觸設(shè)置為面面接觸，摩擦系數(shù)均為0.7；客車內(nèi)部各部件間的接觸設(shè)置為單面自動(dòng)接觸[4]，摩擦系數(shù)設(shè)為0.8。（3）時(shí)間步長(zhǎng)：為了控制沙漏現(xiàn)象，設(shè)置沙漏系數(shù)為0.05，并通過(guò)人為改變質(zhì)量縮放來(lái)控制時(shí)間步長(zhǎng)的長(zhǎng)短[4]。（4）仿真時(shí)間：設(shè)為200ms。

（二）侵入量分析

骨架變形量的大小直接影響到乘客的生命安全，因此根據(jù)骨架變形后位移是否侵入生存空間可以判斷乘員安全性是否滿足要求。本文中變形測(cè)量點(diǎn)選擇在左右側(cè)圍車身立柱距離地板1250mm處各6個(gè)測(cè)量點(diǎn)[5]，仿真結(jié)束后變形的側(cè)窗立柱與乘員生存空間的距離如表3所示。由表可知，變形后的車身構(gòu)件未侵入乘員生存空間，說(shuō)明乘員安全性滿足要求，其中，前部立柱變形較后部大。

（三）加速度分析

客車發(fā)生側(cè)翻事故時(shí)，如果客車的側(cè)翻加速度較大而車輛結(jié)構(gòu)剛度不夠時(shí)，骨架結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生擠壓變形進(jìn)而造成人員傷亡，或者即便骨架結(jié)構(gòu)沒(méi)有入侵乘員生存空間，乘客也可能因?yàn)閭?cè)翻過(guò)程中的瞬時(shí)加速度過(guò)大導(dǎo)致意外。所以在客車側(cè)翻過(guò)程中，加速度曲線可用來(lái)評(píng)價(jià)乘員安全性的好壞，曲線中峰值大小與峰值的持續(xù)時(shí)間是評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)[6]。

本次仿真中客車的質(zhì)心加速度隨時(shí)間變化的曲線如圖1所示。第一個(gè)峰值意味著車體與地面發(fā)生第一次接觸，第二個(gè)峰值意味著由于側(cè)翻后車體發(fā)生變形后反彈。而與優(yōu)化前相比，第一個(gè)和第二個(gè)峰值發(fā)生的時(shí)間均有延長(zhǎng)，加速度值也略有減少，說(shuō)明優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)帶給乘客的最大沖擊載荷有所減少，乘員安全性略有提高。

五、結(jié)論

對(duì)已有車型在Hypermesh/Optistruct中進(jìn)行剛度靈敏度分析，通過(guò)改變構(gòu)件的截面尺寸和厚度可以達(dá)到輕量化的目的，但車身性能會(huì)略有降低。但通過(guò)局部加強(qiáng)等措施，在Hypermesh/Ls-dyna中進(jìn)行側(cè)翻碰撞仿真分析可知，結(jié)果滿足側(cè)翻碰撞下乘員安全性的要求。

【參考文獻(xiàn)】

[1]阮誠(chéng)心.基于側(cè)翻碰撞仿真安全性的客車車身改進(jìn)設(shè)計(jì)及乘員損傷研究[D].湖南：湖南大學(xué)，2012.6 .

[2]王志亮，劉波，馬莎莎等.基于彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度的白車身優(yōu)化分析[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù).2008，27（8）：1021-1024.

[3]曹文鋼，曲令晉，白迎春.基于靈敏度分析的客車車身質(zhì)量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)[J].汽車工程.2009，31（3）：278-281.

[4]徐曉芳.客車上部結(jié)構(gòu)側(cè)翻安全性研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2017.6.

[5]王書舉，潘一山，張國(guó)勝等.某6756型客車側(cè)翻碰撞安全性分析[J].公路交通科技.2015，32（6）：154-158.

[6]周革，盧強(qiáng).客車側(cè)翻碰撞加速度評(píng)價(jià)的研究[J].機(jī)械工程師.2007，（3）：19-20.