客車側翻安全性能研究

張天榕

廈門金龍聯合汽車工業有限公司 福建省廈門市 361023

1 引言

客車作為大眾出行的一種交通工具，其結構安全一直倍受關注，客車側翻安全性能是客車被動安全的重要部分。本文利用客車整車側翻試驗、分段側翻試驗和CAE 仿真分析手段，提出了基于客車側翻安全的結構設計準則，為客車結構設計提供參考。

2 建立客車側翻數據庫

根據多款不同車型樣車的側翻試驗結果，建立客車側翻數據庫，針對其中4 款車型，收集的數據如表1 所示。B 柱和C 柱的生存余量為車輛側翻后立柱內側與生存量規的最近點距離，如圖1 所示。

表1 車型側翻數據

圖1 某車型B柱與C柱生存余量示意

通過對比車型的側翻數據分析，得出在車輛質量和質心相近的情況下，車輛骨架關鍵部件的材質和規格是影響側翻結果的重要因素。需要對骨架關鍵部件的材料和規格對車輛的側翻性能影響進行研究。

3 分段側翻試驗

選取某款車型進行分段側翻試驗，設計了三個側翻樣件，采用等強度替代原則，分別對窗立柱和頂蓋橫梁采用Q700 和Q345兩種材質，同時分為地板和窗立柱之間有無加強斜撐的不同狀態。試驗的主要目的是：對比CAE 仿真分析與實際側翻結果，驗證CAE 分析的準確性；對比等強度Q700 與Q345 套管材料側翻應用結果，分析材料剛度對側翻的影響；對比地板有無加強斜撐的側翻結果，分析結構剛度對側翻的影響。

通過高速攝像及試驗數據采集，測量不同點位處側立柱的變形數據，并與CAE 仿真結果進行對比，圖2 為分段側翻樣件1 的側翻過程，圖3 為分段側翻樣件1 的CAE 仿真生存空間余量變化曲線。

圖2 分段側翻樣件1的側翻過程

圖3 分段側翻樣件1的CAE仿真生存空間余量變化曲線

通過分段側翻試驗結果與CAE 仿真分析的對比，如表2 所示，可得出以下結論：CAE 仿真與試驗結果的趨勢基本吻合，CAE分析可以作為側翻性能檢驗的重要工具；生存空間截面的抗彎剛度和抗彎強度是影響側翻的決定性因素。

表2 分段側翻試驗與仿真數據

4 整車側翻試驗

通過分段側翻試驗的數據和經驗積累，選取某車型樣車進行整車側翻研究分析，整車側翻運動仿真過程如圖4 所示，整車側翻從T=0.00S 時開始，變形量約在T=0.15s 時達到最大，此后開始回彈直至側翻結束。對樣車實車進行整車側翻試驗，圖5為側翻樣車。對側翻車的前段、中段和后段的變形量進行檢測，并與仿真數據進行對標，數據如表3 所示。通過數據對比，中段的仿真變形量與試驗吻合度較高；通過高速錄像發現，因側翻試驗中車輛觸地點不同步，后部先觸地發生鞭打效應導致仿真變形量與試驗變形量有差異。

表3 側翻試驗變形數據與仿真變形數據

圖4 整車側翻運動仿真過程

圖5 整車側翻試驗樣車

5 提高客車側翻性能設計準則

通過系列的側翻試驗和仿真分析研究，得出了提高客車側翻性能的設計準則。車輛的上部結構應具有足夠的強度和剛度，以確保在整車側翻試驗中和側翻后生存空間沒有受到侵入。通過系列的側翻試驗和仿真分析研究，為提高車輛的上部結構強度，需綜合考量以下幾點設計因素：

（1）保證整車力傳遞的連續性，從而使側翻時整車受到的沖擊能量可以通過骨架的各個桿件有效、流暢地分散到車身各個受力部件上。整體結構上，采用“封閉環”設計，頂蓋主橫梁與側窗立柱嚴格對齊，側窗立柱直通側圍下腰梁，側窗立柱與側艙立柱需盡可能對齊，頂蓋主橫梁、側窗立柱和地板橫梁形成一個封閉的“小環”，頂蓋主橫梁、側窗立柱、艙門立柱和行李艙地板骨架橫梁形成一個封閉的“大環”。具體結構上，應避免力傳遞路徑的“突變”，造成局部受力過大，傳遞效率低下。

（2）保證車身骨架與車架的連接強度，避免使用類似扣車身的拼裝工藝。車身與車架的連接強度是整車上部強度的基礎，二者可靠的剛性連接可使上部結構在側翻時不會產生多余的線性位移，從而滿足生存空間的要求。

（3）提高各個關鍵截面的抗彎剛度，最有效的辦法是增加側圍和頂蓋厚度方向方鋼的規格，但這樣會減小車內空間。也可通過增加斜撐、扒角或者并管的辦法來增加截面的抗彎剛度。

（4）用側窗R 弧半徑更大的龍門框曲線，R 弧半徑越大，骨架變形的空間越大，達到生存空間截面前會吸收更多的能量，越有利于通過側翻檢驗。

（5）輕量化設計原則，側翻時上部結構所吸收的能量與整車的重力勢能成正比，因此在結構設計時應去除冗余結構，同時選用剛強度性能更好的鋼材，以降低鋼管壁厚，降低骨架重量。

6 結語

客車的側翻安全性能作為客車被動安全的重要組成部分，在出現側翻事故時，直接影響到乘客的生命安全。本文通過收集樣車側翻數據，建立了側翻數據庫；通過分段側翻試驗和整車側翻試驗，與CAE 仿真分析進行對比，驗證了CAE 仿真手段的可使用性；最后根據系列的側翻試驗和仿真分析，提出了提高客車側翻性能設計準則。