某客車側(cè)翻安全性吸能結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)*

姜 勇，那景新，王 童

(吉林大學(xué)，汽車動(dòng)態(tài)模擬國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春 130022)

前言

大客車是城市客運(yùn)的重要組成部分，隨著保有量的增加，其交通事故數(shù)量呈上升趨勢(shì)，大客車的安全性逐漸受到廣泛關(guān)注。大客車和一般乘用車相比質(zhì)心較高，其主要交通事故形式多為側(cè)翻，因此，多年來國內(nèi)外各研究機(jī)構(gòu)通過實(shí)車試驗(yàn)和仿真分析等手段對(duì)大客車側(cè)翻安全性開展了廣泛的研究［1－4］。

在客車側(cè)翻中，由頂蓋和側(cè)圍組成的上部結(jié)構(gòu)是承受碰撞沖擊的主要區(qū)域，其變形較大，是主要的吸能位置，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)直接影響客車的側(cè)翻安全性能。它和正面碰撞等無重力做功的水平碰撞能量轉(zhuǎn)換方式不同，客車側(cè)翻碰撞從質(zhì)心最高的位置到上部結(jié)構(gòu)接觸地面之前，重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能;在接觸地面之后到變形完成，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為車身結(jié)構(gòu)塑性變形能和一部分摩擦熱能，剩余的能量將由車內(nèi)乘員所吸收而導(dǎo)致?lián)p傷。因此，為提高客車側(cè)翻安全性，在減小結(jié)構(gòu)變形的同時(shí)，必須控制碰撞能量向乘員艙的傳遞［5－8］。

本文中從某型全承載客車截取車身段封閉環(huán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行側(cè)翻碰撞仿真分析，參考乘用車正面碰撞中采用的緩沖吸能方式，建立一種新型的客車側(cè)翻碰撞緩沖吸能結(jié)構(gòu)，并驗(yàn)證其側(cè)翻安全性的改進(jìn)效果。同時(shí)，也為大客車的側(cè)翻安全性研究提供新的思路。

1 客車車身封閉環(huán)側(cè)翻吸能結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

傳統(tǒng)的客車側(cè)翻安全性研究方法，是通過增加封閉環(huán)剛度的方法，減小側(cè)翻引起的車身結(jié)構(gòu)變形還不能完全滿足客車內(nèi)部乘員安全性的要求。過大的車身結(jié)構(gòu)剛度會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形減小，其吸收的能量隨之降低，多余的碰撞能量向車內(nèi)傳遞，被乘員所吸收，此時(shí)車內(nèi)乘員所受到加速度峰值、碰撞持續(xù)時(shí)間和碰撞沖擊會(huì)非常大。因此，大客車側(cè)翻安全性的評(píng)價(jià)必須考慮乘員所受到的二次碰撞傷害情況。據(jù)此，本文中決定在車身首先與地面發(fā)生接觸碰撞的頂蓋和側(cè)圍的連接處加入吸能結(jié)構(gòu)，并對(duì)側(cè)圍和頂蓋結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

采用的吸能結(jié)構(gòu)材料為泡沫鋁。它是一種多功能材料，可用于熱量交換、熱量阻隔、隔音、吸音和屏蔽電磁等，泡沫鋁的密度較小，質(zhì)量較輕，具有較強(qiáng)的吸收撞擊能量的特性［9－10］。在碰撞壓縮變形中，泡沫鋁通過內(nèi)部泡孔的逐層壓縮和密實(shí)而引起應(yīng)力的不斷增加，通過塑性變形迅速吸收撞擊能量。其吸能能力主要由其應(yīng)力—應(yīng)變曲線下的面積決定，面積越大單位質(zhì)量吸收能量越多。

客車車身封閉環(huán)吸能結(jié)構(gòu)改進(jìn)如圖1所示，為留出吸能結(jié)構(gòu)安裝位置，將側(cè)圍窗框豎梁向車身內(nèi)側(cè)彎曲，增加其曲率半徑，并將頂蓋兩側(cè)一段彎曲邊梁設(shè)計(jì)成直梁，在蒙皮和車身骨架結(jié)構(gòu)之間安裝吸能結(jié)構(gòu)，并通過托板進(jìn)行支撐固定。

2 客車車身封閉環(huán)有限元模型的建立

封閉環(huán)側(cè)翻碰撞仿真模型須施加的各項(xiàng)計(jì)算條件包括:重力加速度、模型自重與外載、碰撞瞬時(shí)初速度、位移約束、接觸設(shè)置和材料參數(shù)。

(1)重力加速度

側(cè)翻碰撞與正面、側(cè)面和追尾等水平碰撞不同，是豎直方向接地碰撞，受重力影響較大，側(cè)翻碰撞能量是在內(nèi)能、動(dòng)能和重力勢(shì)能之間進(jìn)行變換，本文中通過施加重力場的方式賦予仿真模型重力加速度。

(2)模型自重和外載

模型質(zhì)量包括車身結(jié)構(gòu)自重、車身附件質(zhì)量和乘員質(zhì)量等。本文中的車身封閉環(huán)模型外載根據(jù)每個(gè)封閉環(huán)所承載的整車質(zhì)量計(jì)算得出。同時(shí)載荷的施加應(yīng)使車身段封閉環(huán)結(jié)構(gòu)在仿真?zhèn)确惺軟_擊變形的特點(diǎn)與整車側(cè)翻試驗(yàn)基本相同。

(3)碰撞瞬時(shí)初速度和位移約束

側(cè)翻碰撞計(jì)算開始時(shí)間是車身結(jié)構(gòu)翻倒接觸地面的瞬間。在翻倒過程中客車的運(yùn)動(dòng)方式是繞一側(cè)車輪接地點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)。由于采用車身段模型仿真計(jì)算只須進(jìn)行定性的結(jié)構(gòu)性能對(duì)比分析，無須定量地考察生存空間的侵入情況，因此，對(duì)于輪胎高度予以忽略，在車身段模型最下部一側(cè)縱梁外沿節(jié)點(diǎn)約束其3個(gè)方向平動(dòng)自由度，并定義模型繞此軸轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)角速度通過能量轉(zhuǎn)換計(jì)算得出。

(4)接觸設(shè)置

為防止在碰撞變形中整體模型的各單元之間相互侵入應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置接觸。仿真計(jì)算設(shè)置的接觸有兩種:防止車身結(jié)構(gòu)自身零部件相互侵入的自接觸;防止車身結(jié)構(gòu)穿過碰撞地面的點(diǎn)面接觸。其中由于車身和地面碰撞的部分并非車身全部結(jié)構(gòu)，因此，只對(duì)有可能發(fā)生碰撞的部分設(shè)置接觸。定義的所有接觸都采用自動(dòng)搜索接觸方向的方式。

(5)材料參數(shù)

車身結(jié)構(gòu)材料為20號(hào)碳素結(jié)構(gòu)鋼，密度為7.8×103kg/m3，泊 松 比 為 0.25，彈 性 模 量 為2.06×1011Pa，屈服極限為2.45×108Pa，強(qiáng)度極限為4.10×108Pa。泡沫鋁材料模型采用可壓縮泡沫模型，密度為2.5×102kg/m3，彈性模量為1.37×109Pa，泊松比為0.25，拉伸截?cái)鄳?yīng)力為1.44×106Pa。

最終建立的原結(jié)構(gòu)和改進(jìn)后結(jié)構(gòu)有限元模型如圖2所示。

3 封閉環(huán)結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后仿真結(jié)果的對(duì)比

原結(jié)構(gòu)和吸能結(jié)構(gòu)封閉環(huán)側(cè)翻碰撞最大變形如圖3所示。

由于客車車身結(jié)構(gòu)變形是否侵入乘員生存空間，是大客車車身結(jié)構(gòu)側(cè)翻安全性最主要的指標(biāo)。為定量研究車身封閉環(huán)結(jié)構(gòu)的變形情況，并分析改進(jìn)結(jié)構(gòu)和原結(jié)構(gòu)的側(cè)翻特性，本文中定義了乘員艙空間對(duì)角線，如圖4所示。在側(cè)翻中受到壓縮的為對(duì)角線1，受到拉伸的為對(duì)角線2。測量對(duì)角線原始長度和封閉環(huán)最大變形時(shí)刻的長度，并計(jì)算對(duì)角線側(cè)翻最大變形量(最大變形量=|最大變形時(shí)長度－原長度|)，改進(jìn)前后封閉環(huán)對(duì)象線變形見表1。改進(jìn)后封閉環(huán)結(jié)構(gòu)對(duì)角線1最大變形量比原結(jié)構(gòu)減少0.189m，對(duì)角線2最大變形量比原結(jié)構(gòu)減少0.139m，變形分別減少26.6%和25.3%?？煽闯龈倪M(jìn)后的封閉環(huán)新結(jié)構(gòu)在側(cè)翻碰撞中側(cè)圍變形對(duì)生存空間的侵入明顯減少。

表1 改進(jìn)前后對(duì)角線變形表

改進(jìn)前后封閉環(huán)結(jié)構(gòu)側(cè)翻能量曲線見圖5。

從圖5可看出，原封閉環(huán)結(jié)構(gòu)內(nèi)能最高值為2.106kJ，總能量最高值為2.379kJ;改進(jìn)后封閉環(huán)結(jié)構(gòu)內(nèi)能最高值為2.041kJ，總能量最高值為2.201kJ，吸能結(jié)構(gòu)吸收碰撞能量值為0.2kJ，占最高內(nèi)能值的9.8%。由于側(cè)翻碰撞完成后的內(nèi)能主要是結(jié)構(gòu)的塑性變形能，若車內(nèi)有乘客則碰撞能量會(huì)被乘客所吸收，對(duì)乘客造成傷害。在車身外部安裝吸能結(jié)構(gòu)后，在碰撞開始時(shí)首先吸收了一部分能量，在一定程度上阻隔了部分碰撞能量向車身內(nèi)部的傳遞，對(duì)保證乘員在碰撞事故中的安全性起到了積極的作用。與改進(jìn)前相比，吸能結(jié)構(gòu)封閉環(huán)內(nèi)能最高值下降65J，總能量最高值下降178J，主要是由于加裝吸能結(jié)構(gòu)后封閉環(huán)側(cè)翻完成時(shí)質(zhì)心高度降低量減少，重力做功減少。

根據(jù)以往學(xué)者研究表明，車輛碰撞過程中產(chǎn)生的加速度是造成人體損傷的主要原因。因此，本文中測量了碰撞發(fā)生時(shí)車身結(jié)構(gòu)內(nèi)表面和乘員頭部撞擊點(diǎn)的加速度變化情況，如圖6所示。

從圖6可看出，結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，頭部撞擊點(diǎn)的加速度峰值和平均值有非常明顯的下降，其中峰值下降到原結(jié)構(gòu)的29%，加速度波動(dòng)更加平穩(wěn)。改進(jìn)結(jié)構(gòu)使乘員側(cè)翻安全性得到明顯的提高。

4 結(jié)論

通過以上分析可看出，安裝吸能結(jié)構(gòu)后的車身封閉環(huán)和原結(jié)構(gòu)相比，側(cè)翻碰撞變形量減小，加速度峰值和平均值降低，其側(cè)翻安全性提高，乘員的生命安全得到保證。

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