客車側(cè)翻結(jié)構(gòu)安全性能試驗(yàn)和優(yōu)化研究*

高軼男， 鞏建強(qiáng)

(1.招商局檢測車輛技術(shù)研究院有限公司 國家客車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心， 重慶 401329；2.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院， 北京 100088)

隨著道路交通網(wǎng)絡(luò)的迅猛發(fā)展和道路旅客運(yùn)輸量的快速增加，涉及客車的道路交通事故時有發(fā)生。客車的道路交通事故形態(tài)包括碰撞、碾壓、側(cè)翻、墜車、失火等，其中側(cè)翻事故發(fā)生概率較小，但其造成的傷亡程度遠(yuǎn)高于其他事故，研究客車側(cè)翻結(jié)構(gòu)安全性能對評價客車被動安全性能、降低道路交通事故人員傷亡和財產(chǎn)損失具有重要意義。Yamaguchi G. T.等分析了整車寬高比對側(cè)翻安全性能的影響；Cruz M. G. H.等對比分析了材料屬性對側(cè)翻安全性能的影響；Ko H. Y.等研究了骨架蜂窩結(jié)構(gòu)對側(cè)翻安全性能的影響；何漢橋等建立客車車身結(jié)構(gòu)有限元模型，分析了高床大客車的側(cè)翻安全性能。客車側(cè)翻結(jié)構(gòu)安全性能研究方法主要有試驗(yàn)法和有限元仿真分析法，目前的研究主要基于有限元仿真分析法開展，雖然能實(shí)現(xiàn)對側(cè)翻結(jié)構(gòu)安全性能的有效分析，但缺乏試驗(yàn)驗(yàn)證。為此，該文采用試驗(yàn)法，通過同系列車型整車上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)驗(yàn)證影響客車側(cè)翻結(jié)構(gòu)安全性能的因素，實(shí)現(xiàn)對其全面可靠的評價，并對客車側(cè)翻結(jié)構(gòu)安全性能進(jìn)行優(yōu)化。

1 側(cè)翻試驗(yàn)及評價指標(biāo)

客車側(cè)翻結(jié)構(gòu)安全性能主要通過客車上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)進(jìn)行考察。國際上最具代表性的是聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟(jì)委員會ECE R66法規(guī)《關(guān)于大客車上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度認(rèn)證的統(tǒng)一技術(shù)規(guī)定》。中國根據(jù)ECE R66法規(guī)01版及其修訂單、勘誤單，制定GB 17578—2013《客車上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求及試驗(yàn)方法》，對客車上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的技術(shù)要求及試驗(yàn)方法作出規(guī)定。

按照GB 17578—2013的規(guī)定，在側(cè)翻試驗(yàn)臺上進(jìn)行客車上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)。側(cè)翻試驗(yàn)臺從客車穩(wěn)定位置開始以不大于0.087 5 rad/s的角速度傾斜到不穩(wěn)定的平衡位置后，客車圍繞車輪-側(cè)翻試驗(yàn)臺平面接觸點(diǎn)翻轉(zhuǎn)至撞擊平面(見圖1)，將側(cè)翻后留給車內(nèi)乘員的生存空間作為評價指標(biāo)考察客車上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。車內(nèi)乘員生存空間表示側(cè)翻事故發(fā)生后維持車內(nèi)乘員生命的最小空間(見圖2)。

圖1 客車上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)示意圖

圖2 車內(nèi)乘員生存空間(單位：mm)

2 側(cè)翻結(jié)構(gòu)安全性能影響因素

客車上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)考察客車側(cè)翻過程中車身骨架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，其中側(cè)圍及頂蓋骨架為主要受力區(qū)域。參與受力的骨架結(jié)構(gòu)主要由側(cè)圍窗立柱、腰梁及頂蓋縱梁組成，其結(jié)構(gòu)形式可視為梁結(jié)構(gòu)，在側(cè)翻過程中主要承受彎曲應(yīng)力，可通過降低梁結(jié)構(gòu)承受的最大彎曲應(yīng)力提升客車側(cè)翻結(jié)構(gòu)安全性能。梁結(jié)構(gòu)的最大彎曲應(yīng)力為：

(1)

式中：σmax為梁結(jié)構(gòu)最大彎曲應(yīng)力；Mmax為梁結(jié)構(gòu)最大彎矩，按式(2)計算；W為梁結(jié)構(gòu)抗彎截面系數(shù)，按式(3)計算；[σ]為梁結(jié)構(gòu)所用材料的最大許用應(yīng)力。

(2)

式中：q為施加在梁結(jié)構(gòu)的載荷；l為梁結(jié)構(gòu)長度。

(3)

式中：b為截面承載面的寬度；h為截面非承載面的寬度。

綜上，可通過減小梁結(jié)構(gòu)最大彎矩或增加梁結(jié)構(gòu)抗彎截面系數(shù)降低梁結(jié)構(gòu)承受的最大彎曲應(yīng)力。最大彎矩的影響因素是梁結(jié)構(gòu)載荷和長度，抗彎截面系數(shù)的影響因素是梁結(jié)構(gòu)截面形態(tài)，其中抗彎截面系數(shù)較易改變。

2.1 截面形態(tài)

在其他因素不變的前提下，梁結(jié)構(gòu)的抗彎截面系數(shù)越大，抗變形能力越強(qiáng)。因此，可通過調(diào)整車身骨架梁結(jié)構(gòu)截面尺寸及形態(tài)改變其抗彎截面系數(shù)，提高側(cè)翻結(jié)構(gòu)安全性能。最常用的車身骨架梁結(jié)構(gòu)是矩形薄壁型鋼結(jié)構(gòu)，其抗彎截面系數(shù)W0為：

(4)

式中：B為客車與剛性面發(fā)生碰撞的梁結(jié)構(gòu)截面外表面寬度；H為梁結(jié)構(gòu)截面非碰撞外表面寬度；b為梁結(jié)構(gòu)截面碰撞內(nèi)表面寬度；h為梁結(jié)構(gòu)截面非碰撞內(nèi)表面寬度。

2.2 薄壁型鋼結(jié)構(gòu)厚度

根據(jù)式(4)，在骨架梁結(jié)構(gòu)外表面寬度H、B不變的情況下，可通過減小內(nèi)表面寬度h、b增加抗彎截面系數(shù)，提升客車側(cè)翻結(jié)構(gòu)安全性能。因此，從理論上看，適當(dāng)增大車身骨架梁結(jié)構(gòu)的薄壁型鋼結(jié)構(gòu)厚度可增強(qiáng)客車側(cè)翻結(jié)構(gòu)安全性能。

2.3 材料屬性及其力學(xué)性能

根據(jù)式(1)，梁結(jié)構(gòu)的最大彎曲應(yīng)力應(yīng)不大于材料的許用應(yīng)力。當(dāng)材料的許用應(yīng)力提升時，梁結(jié)構(gòu)抗變形能力增強(qiáng)，其所承受的最大彎曲應(yīng)力可適當(dāng)增加。因此，理論上，車身骨架梁結(jié)構(gòu)的材料屬性及其力學(xué)性能是影響側(cè)翻結(jié)構(gòu)安全性能的本質(zhì)因素，其強(qiáng)度直接影響車身骨架梁結(jié)構(gòu)在側(cè)翻過程中的彎折程度及乘員生存空間大小。車身骨架梁結(jié)構(gòu)主要采用鋼制材料，材質(zhì)主要為低碳鋼、合金鋼、高強(qiáng)度馬氏體鋼等，其中低碳鋼及合金鋼最常用，主要包括Q235、Q345等。

3 側(cè)翻試驗(yàn)結(jié)果及優(yōu)化分析

利用試驗(yàn)法對客車側(cè)翻結(jié)構(gòu)安全性能影響因素進(jìn)行驗(yàn)證。以理論上對側(cè)翻結(jié)構(gòu)安全性能產(chǎn)生影響的車身骨架梁結(jié)構(gòu)截面形態(tài)、薄壁型鋼結(jié)構(gòu)厚度、材料屬性及其力學(xué)性能等3個因素作為控制變量，在僅改變控制變量，不改變基本屬性參數(shù)、骨架結(jié)構(gòu)形式等的情況下進(jìn)行客車上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)。共進(jìn)行6次試驗(yàn)，包括3個組別，每個組別進(jìn)行2次試驗(yàn)。每個組別的試驗(yàn)采用相同系列客車，除需考察的控制變量外，車身骨架等主要變形部件結(jié)構(gòu)及車輛基本屬性等參數(shù)均保持一致或相似。

3.1 截面形態(tài)對側(cè)翻結(jié)構(gòu)安全性能的影響

針對同系列客車，在車身骨架等主要變形部件結(jié)構(gòu)及車輛基本屬性等參數(shù)一致或相似的情況下，改變骨架梁結(jié)構(gòu)截面尺寸進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)(試驗(yàn)1)，試驗(yàn)客車的基本參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)1中試驗(yàn)客車的基本參數(shù)

按式(4)計算，客車1、客車2的車身骨架梁結(jié)構(gòu)抗彎截面系數(shù)分別為3.3×103、4.0×103。理論上客車2在側(cè)翻過程中承受的最大彎曲應(yīng)力低于客車1，側(cè)翻后保留給車內(nèi)乘員的生存空間應(yīng)更大。

試驗(yàn)1的試驗(yàn)結(jié)果見表2、圖3。客車2在側(cè)翻后的乘員最小生存空間大于客車1，生存空間提升12.12%，與理論推測相符。可見，可通過改變車身骨架梁結(jié)構(gòu)截面形態(tài)提升抗彎截面系數(shù)，降低側(cè)翻過程中梁結(jié)構(gòu)承受的最大彎曲應(yīng)力，改善客車側(cè)翻結(jié)構(gòu)安全性能。

表2 試驗(yàn)1中試驗(yàn)客車乘員生存空間情況

圖3 試驗(yàn)1中試驗(yàn)客車側(cè)翻后車身骨架變形情況

3.2 薄壁型鋼結(jié)構(gòu)厚度對側(cè)翻結(jié)構(gòu)安全性能的影響

針對同系列客車，在車身骨架等主要變形部件結(jié)構(gòu)及車輛基本屬性等參數(shù)一致或相似的情況下，改變骨架梁結(jié)構(gòu)的薄壁型鋼結(jié)構(gòu)厚度進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)(試驗(yàn)2)，試驗(yàn)客車的基本參數(shù)見表3。

表3 試驗(yàn)2中試驗(yàn)客車的基本參數(shù)

客車4的車身骨架梁結(jié)構(gòu)的薄壁型鋼結(jié)構(gòu)厚度大于客車3，按照理論計算，客車4的抗彎截面系數(shù)大于客車3，在側(cè)翻后保留給車內(nèi)乘員的生存空間應(yīng)更大。

試驗(yàn)2的試驗(yàn)結(jié)果見表4、圖4。客車4在側(cè)翻后的乘員最小生存空間大于客車3，生存空間提升44.32%，與理論推測相符。可見，可通過增大車身骨架梁結(jié)構(gòu)的薄壁型鋼結(jié)構(gòu)厚度提升抗彎截面系數(shù)，降低側(cè)翻過程中梁結(jié)構(gòu)承受的最大彎曲應(yīng)力，改善客車側(cè)翻結(jié)構(gòu)安全性能。

表4 試驗(yàn)2中試驗(yàn)客車乘員生存空間情況

圖4 試驗(yàn)2中試驗(yàn)客車側(cè)翻后車身骨架變形情況

3.3 材料屬性及其力學(xué)性能對側(cè)翻結(jié)構(gòu)安全性能的影響

針對同系列客車，在車身骨架等主要變形部件結(jié)構(gòu)及車輛基本屬性等參數(shù)一致或相似的情況下，改變骨架梁結(jié)構(gòu)材料屬性及其力學(xué)性能進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)(試驗(yàn)3)，試驗(yàn)客車的基本參數(shù)見表5。

表5 試驗(yàn)3中試驗(yàn)客車的基本參數(shù)

如表6所示，Q345的屈服強(qiáng)度及拉伸強(qiáng)度優(yōu)于Q235，按照理論計算，客車6所用車身骨架梁結(jié)構(gòu)材料屬性及其力學(xué)性能優(yōu)于客車5，在側(cè)翻后保留給車內(nèi)乘員的生存空間應(yīng)更大。

表6 試驗(yàn)3中試驗(yàn)客車車身骨架梁結(jié)構(gòu)材料屬性及其力學(xué)性能

試驗(yàn)3的試驗(yàn)結(jié)果見表7、圖5。客車6在側(cè)翻后的乘員最小生存空間大于客車5，生存空間提升126.32%，與理論推測相符。可見，可通過改變車身骨架梁結(jié)構(gòu)材料屬性及其力學(xué)性能，使用高強(qiáng)度鋼，提高其最大許用應(yīng)力及抗變形能力，改善客車側(cè)翻結(jié)構(gòu)的安全性能。

表7 試驗(yàn)3中試驗(yàn)客車乘員生存空間情況

圖5 試驗(yàn)3中試驗(yàn)客車側(cè)翻后車身骨架變形情況

3.4 側(cè)翻結(jié)構(gòu)安全性能優(yōu)化

通過理論分析及3組試驗(yàn)驗(yàn)證，車身骨架梁結(jié)構(gòu)截面形態(tài)、薄壁型鋼結(jié)構(gòu)厚度、材料屬性及其力學(xué)性能均會對客車側(cè)翻結(jié)構(gòu)安全性能產(chǎn)生一定影響。可通過如下方式優(yōu)化客車側(cè)翻結(jié)構(gòu)的安全性能：

(1) 調(diào)整車身骨架梁結(jié)構(gòu)截面形態(tài)，提升抗彎截面系數(shù)。適當(dāng)增加與剛性面發(fā)生碰撞的梁結(jié)構(gòu)截面外表面寬度，提升抗彎截面系數(shù)，改善側(cè)翻結(jié)構(gòu)的安全性能。

(2) 增大車身骨架梁結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的薄壁型鋼結(jié)構(gòu)厚度，提升抗彎截面系數(shù)。適當(dāng)增大關(guān)鍵部位及應(yīng)力較大區(qū)域薄壁型鋼結(jié)構(gòu)厚度，在質(zhì)量變化不大的情況下改善側(cè)翻結(jié)構(gòu)安全性能。

(3) 改變車身骨架梁結(jié)構(gòu)所用材料屬性及其力學(xué)性能，提升側(cè)翻結(jié)構(gòu)安全性能。改變材料屬性及其力學(xué)性能是側(cè)翻結(jié)構(gòu)安全性能優(yōu)化最有效且最本質(zhì)的方式，材料屬性及其力學(xué)性能對側(cè)翻結(jié)構(gòu)安全性能的改善程度最大、效果最明顯。

4 結(jié)論

(1) 提升車身骨架梁結(jié)構(gòu)抗彎截面系數(shù)或增加材料許用應(yīng)力，可改善客車側(cè)翻結(jié)構(gòu)的安全性能。

(2) 調(diào)整車身骨架梁結(jié)構(gòu)截面形態(tài)、增大關(guān)鍵部位薄壁型鋼結(jié)構(gòu)厚度、改變材料屬性及其力學(xué)性能，可增加抗彎截面系數(shù)或材料許用應(yīng)力，提高車身骨架抗變形能力，提升客車側(cè)翻安全性能。

(3) 改變材料屬性及其力學(xué)性能是改善客車側(cè)翻安全性能最有效且最本質(zhì)的方式，側(cè)翻后其最小生存空間提升126.32%；其次是增大薄壁型鋼結(jié)構(gòu)厚度及調(diào)整車身骨架梁結(jié)構(gòu)截面形態(tài)，側(cè)翻后最小生存空間分別提升44.32%、12.12%。