全承載大客車前部結構耐撞性分析與改進

司俊德，王銓溥，張博強，吳心平

（河南工業大學機電工程學院，河南 鄭州 450001）

1 引言

目前國內外尚無針對客車正面碰撞的試驗方法和評價標準。歐洲ECBO（Enhanced Coach and Bus Occupant Safety）項目圍繞歐洲客車正面碰撞[6]，通過擺錘試驗研究前部結構安全性，但擺錘試驗撞擊能量較小。奔馳客車Steinmetz G通過整車以25km/h碰撞速度100%重疊撞擊剛性壁障的試驗方法對多款客車前部結構安全性能進行驗證[7]。我國自2014年，由重慶車輛檢測研究院牽頭，聯合國內主流客車企業和檢測機構開展了包括8臺大客車和4臺輕客正面碰撞試驗研究，制定行標JT/T 1369-2020《客車正面碰撞的員保護》[8]。該標準采用整車30km/h100%重疊碰撞剛性壁障的試驗方法，，考核駕駛員生存空間和部分乘客傷害值。

基于JT/T 1369-2020《客車正面碰撞的員保護》的試驗方法和評價標準，建立某12m全承載客車整車正面碰撞有限元模型。通過分析該客車模型在30km/h碰撞速度下的整車變形情況和存在問題，提出全承載客車前部耐撞結構設計思路，并對原客車前部結構進行改進設計。改進后的客車進行整車正面碰撞仿真分析和實車碰撞試驗驗證。該研究思路對提升全承載客車前部結構安全性具有很好的工程價值。

2 客車正面碰撞有限元模型的建立

建立某12m全承載客車三維模型，通過stp格式導入Hypermesh軟件進行網格劃分和參數設置。

由于整車模型進行適當簡化，需對照實車質量分布，調整模型相應零部件質量，使模型總重量和質心位置與實車保持一致。整車有限元模型，如圖1所示。

圖1 整車有限元模型Fig.1 Finite Element Model of the Motorcoach

車身骨架材料大部分采用Q235-B，部分重要立柱橫梁采用是HC700 和510L，底盤骨架材料大部分采用QSTE700TM 和HC700，車身外飾材料除玻璃外均為鋼材和鋁材。整車模型所用材料參數，如表1所示。

表1 材料參數Tab.1 Material Parameters

3 客車正面碰撞仿真分析

按照《客車正面碰撞的乘員保護》標準草案的試驗方法，整車有限元模型以30km/h 初速度垂直碰撞剛性壁障，計算時間為200ms。

3.1 駕駛員生存空間分析

目標車型為全承載結構，車身骨架多由矩形方管桿件結構焊接組成。而桿件結構的力學特點為宜承受拉壓載荷，不宜承受彎扭載荷[9]。當車架存在結構錯位時，碰撞力無法順利傳遞到車架后方，則會直接導致該位置發生嚴重變形?？蛙嚽安拷Y構變形,如圖2所示。駕駛區變形較為嚴重。車輛最大變形量約為510mm，駕駛員生存空間被方向盤侵入，造成駕駛員極大的損傷風險。

圖2 前部結構變形示意圖Fig.2 Deformation of the Front Structure

3.2 車身加速度分析

由于客車前部沒有設計吸能結構，客車碰撞主要由剛度比較大的底盤車架來承受，這導致客車碰撞加速度較大。模型輸出第一排乘客下方骨架上的碰撞加速度曲線，如圖3 所示。波峰為173g，脈寬集中在（12～28）ms。

老巴說：“有句話我還是要講給你聽。你拖著個殘廢爸爸和一個苕哥哥，將來找老婆怕是蠻難?，F在的姑娘伢，個個都講實惠。我也不能不替你想。你畢業后，可以留意一下福利院，看看要多少錢。我把店子盤掉，用那個錢，帶你哥哥住那里去。這房子，你裝修一下，也還蠻好住。這樣的話，你有文憑有工作有房子，姑娘伢就不會嫌棄你?！?/p>

圖3 加速度變化曲線Fig.3 Deceleration Pulse of the Body

4 客車前部耐撞結構設計

4.1 前部結構耐撞性設計思路

針對平頭客車前部可變形空間小、吸能結構缺乏等現狀，基于碰撞能量管理方法[10]，將前部結構分為吸能區、剛性區和變形區三部分，如圖4所示。吸能區設計吸能結構，吸收部分碰撞能量，降低碰撞強度；剛性區增加駕駛區結構強度，將碰撞力分散到后部車橋骨架，維持駕駛員生存空間不被侵入；對前橋車架進行適當弱化，通過結構變形吸收剩余碰撞能量。

圖4 前部結構分區設計思路Fig.4 Partition Design of Front Structure

4.2 前部耐撞結構改進

根據原車前部結構存在問題和客車前部結構耐撞性設計思路，開展碰撞吸能器、車架傳力結構優化和駕駛員座椅后移等關鍵安全技術研究，形成了貫通吸能式客車正面碰撞防護結構。

4.2.1 碰撞吸能器開發

碰撞吸能器的設計目標：①單位質量吸收的能量盡可能大；②吸能器的壓潰力曲線波動盡可能平緩。結合實車前部空間布置、結構特點和生產工藝，確定安裝兩個碰撞吸能器，吸收的能量不低于整車碰撞總能量的25%。整車碰撞動能約為450kJ，吸能器吸收的總能量應不低于112kJ，則單個吸能器吸能量應不低于56kJ?？紤]吸能器有效壓潰距離約為130mm，則平均壓潰力約為430kN。

結合碰撞吸能器設計要求，設計鋁制吸能器，并通過靜態壓縮試驗，檢測吸能器變形情況和壓潰力。通過靜壓試驗，吸能器變形，如圖5所示。增加前端誘導孔后，初始峰值降低，有利于產生軸向變形；壓潰力在450kN左右輕微振蕩，壓潰力曲線平穩，符合設計要求。

圖5 碰撞吸能器變形圖Fig.5 Deformation of the Energy Absorber

4.2.2 車架傳力結構優化

在橫向方面，在車架結構上設計多條傳力路徑，減少橫向薄弱區域，在碰撞區域較大分散碰撞力。在縱向方面，將車架前段和前橋骨架的縱向型材結構設計成前后貫通式結構，保證碰撞力由前向后傳遞的連續性，降低車架前段變形量，優化后的前部車架結構，如圖6所示。

圖6 前部結構骨架改進Fig.6 Improvement of the Front Structure

4.2.3 駕駛員座椅后移結構設計

由于平頭客車駕駛區前部可變形空間小，在發生正面碰撞時，如果駕駛員座椅下部骨架產生向后錯位，帶動駕駛員座椅后移，進而帶動駕駛員后移，可增加駕駛員和方向盤之間的相對距離，可以降低駕駛員受傷風險。

結合全承載客車的結構特點，設計的駕駛員座椅后移結構，如圖7所示。

圖7 駕駛員座椅后移結構Fig.7 Rearward Movement Structure of the Driver’s Seat

在車架前部橫梁和座椅下部固定梁之間增加傳力主梁，同時通過輔助梁將車架前部橫梁、傳力主梁、座椅固定梁連為一體，輔助橫梁和座椅固定梁與兩側的車架結構連接。當車架前部橫梁受到撞擊力向時，通過主傳力梁將碰撞力向后部傳遞；通過將碰撞力傳遞到座椅后部的橫梁上，較大的碰撞力將座椅后部橫梁產生撕裂或斷裂，從而使座椅支架產生向后的位移。

5 改進效果仿真及試驗驗證

將上述改進措施集成在客車上，并進行整車30km/h碰撞仿真和實車碰撞試驗研究，仿真與試驗的客車整體變形，如圖8所示。從圖中可以看出，變形均集中在整車前段，包括前乘客門、前圍蒙皮、車架前段。整車最大變形的仿真和試驗結果分別為318mm和310mm，誤差2.5%。由于碰撞壁障高2.5m，低于整車高度3.7m，導致上風擋變形和仿真存在一定差異，但仿真和試驗結果的整體變形趨勢基本一致。

圖8 改進后客車整體變形仿真和試驗結果對比Fig.8 Comparison of the Result’s Body Frame Deformation for Improvement Design

5.1 改進后駕駛員生存空間分析

結構改進后駕駛員生存空間仿真和試驗結果，如圖9所示。仿真結果可知，方向盤中心距駕駛員X方向變形量由改進的245mm降低到20mm。同時，駕駛員座椅底座產生了向后變形，帶動座椅向后移動80mm。方向盤及轉向管柱未侵入人體模型的生存空間。整車碰撞試驗時，通過泡沫假人代替駕駛員進行生存空間檢測。方向盤未侵入到駕駛員假人腹部，也沒有擠壓駕駛員假人大腿。駕駛員生存空間未被侵入。由仿真和試驗結果可以看出改進結構能夠有效保障駕駛員生存空間不被侵入。

圖9 改進后客車前部結構仿真和試驗結果對比Fig.9 Comparison of the Result’s Deceleration Pulse for Improvement Design

5.2 改進后車身加速度分析

第一排乘客座椅附近車身骨架上的碰撞加速度曲線，如圖10所示。仿真與試驗的加速度曲線均有兩次顯著波峰，其峰值大小及出現時刻較為接近，其中最大峰值為16g左右，遠遠小于原結構最大波峰173g。50ms時刻試驗加速度曲線出現顯著的波谷，而仿真加速度曲線相同時刻沒有明顯波動。差異原因可能是車輛碰撞過程中部分型材出現焊縫開裂、型材斷裂等連接失效導致車架承載力下降，但仿真模型沒有準確模擬焊縫開裂、型材斷裂等失效問題。仿真和試驗加速度整體波形趨勢基本吻合，滿足工程設計需求。改進后車身加速度波形與GB13057-2013給定加速度波形比較接近，有利于乘員約束系統匹配設計。試驗和仿真結果都表明改進結構對車身加速度波形改善明顯，有效降低乘員二次碰撞傷亡的風險。

圖10 改進后客車加速度仿真和試驗結果對比Fig.10 Comparison of the Result’s Deceleration Pulse for Improvement Design

6 結論

研究結果表明，基于前部結構分區設計思路對客車骨架結構進行優化設計。新結構能夠滿足30km/h正面碰撞試驗要求，有效改善客車被動安全性能。

（1）改進后的客車前部結構能夠較好的控制碰撞過程中客車整體縱向變形，將變形量由510mm減少至310mm。

（2）車架加強結構有效改善前車架縱向變形量，同時駕駛員座椅后移結構向后移動80mm，增大駕駛員生存空間，泡沫假人沒有被侵入；

（3）鋁制吸能器軸向壓潰變形模式穩定，將車體加速度第一個峰值由173g降低至16g，極大緩解車身碰撞強度。車身加速度波形相對平緩，有利于乘員約束系統匹配設計。