基于承載式客車的正面碰撞性能仿真研究

摘要：以某型承載式大客車為研究對象，利用有限元法和非線性理論建立整車有限元模型，通過通用顯式動力分析軟件對其100%正面碰撞進行仿真計算，研究該承載式車身骨架結構的變形大小以及變形特點，并對乘員的生存空間進行分析比較，評價該客車耐撞性與安全性能，并為進一步研究改進客車耐撞性能提供相關參考。

關鍵詞：正面碰撞；骨架結構；耐撞性；安全性

中圖分類號：U467.13 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2550（2013）04-0037-05

隨著汽車保有量逐步增長，我國道路交通安全問題愈發嚴峻。其中大型客車因為車速高、載客量大、防護措施少等特點容易造成大型事故，客車的被動安全技術要求越來越引起廣泛的關注。在早期的汽車碰撞研究中，主要是進行實車碰撞試驗和臺車模擬實驗。這種方法需要先進的試驗裝備和大額實驗經費，很多企業無法承擔如此龐大的實驗經費。隨著計算機技術的發展，有限元法被運用到汽車碰撞模擬仿真中，有效的降低了汽車被動安全的研究成本和試驗周期，彌補了實車碰撞試驗的不足。歐美發達國家已經建立了較為完善的客車被動安全標準，并且許多國外的大型客車公司多年前已經開始了大客車實車碰撞試驗的研究[1-3]。國內也開始了大客車的被動安全研究，但是起步較晚，缺少統一有效的安全標準，且只有少數幾個公司完成了實車碰撞試驗，凸顯出對大客車進行碰撞試驗與仿真優化分析的重要性。本文以某型承載式大客車為對象，通過對該型承載式大客車100%正面碰撞仿真計算結果進行研究，分析主要變形區域的變形特點和該部分骨架結構對客車正面碰撞安全性的影響，并在此基礎上研究車身變形對乘員安全的影響。

1 汽車碰撞的非線性有限元法理論介紹

2 客車有限元模型建立

該型客車為全承載式車身，其骨架結構主要由矩形梁、異型梁、變截面梁以及鋼板構成，各桿之間多采用焊接的方式連接，在Hypermesh中變現為焊接或者共節點連接。在不影響碰撞結果的情況下，建立模型時進行了必要的簡化：

1）考慮到模型的復雜性和仿真計算規模的大小，在建模分析中，忽略了全部蒙皮和玻璃部件；

2）在客車正面碰撞中，發動機、變速箱、冷卻水箱等部件遠離碰撞區，所以將這些部件簡化成一個體積相當的實體；

3）忽略車內裝飾、扶手等對碰撞性能沒有影響的非承載件；

4）考慮到工作量的問題，忽略了地板、座椅等對碰撞性能影響較小的部件；

5）忽略車身結構上的工藝孔、安裝孔、凸臺和翻邊等工藝特征。

忽略車身結構上的工藝孔、安裝孔、凸臺和翻邊等工藝特征。

圖1為經過簡化處理后用hypermesh建立的客車有限元模型，并與車頭內安置了一個備胎。將被忽略的車皮、玻璃的質量分配到前圍與側圍骨架中；將地板、非承載件、座椅等部件的質量均勻的分布于地板梁與底盤骨架中，以確保整車模型質量準確。同時，為確保整車的質心位置準確，在不影響碰撞變形和應力的情況下，均勻調整骨架結構的質量。

圖2為客車有限元模型前圍及前懸部分底盤骨架結構圖，該部分結構為客車100%正面碰撞主要塑性變形及吸能區域[4-5]。本文通過對客車有限元模型進行仿真模擬計算，分析研究該全承載式客車車頭部分骨架結構對該車耐撞性能的影響并分析該車的耐撞性能與安全性。

3 碰撞仿真過程中的能量變化

建立樣車的整車結構有限元模型后，生成K文件，并遞交到LS-DYNA MPP971求解器中計算，在工作站中運行45小時后得出本次正面碰撞仿真分析結果。本次仿真模擬過程中，建立的整車有限元模型最前端與剛性墻的距離為500 mm，設置有限元模型以30 km/h的速度駛向高2 m的剛性墻，故模型最前端與剛性墻在60 ms時開始接觸。整個仿真計算設置0.4 s為模型運行時間。

整個正面碰撞仿真計算過程中，客車模型基本保持能量守恒，總能量主要由動能、內能、沙漏能等組成。圖3為碰撞仿真過程中各種能量—時間歷程圖。

由圖3可知，模型的初始總能量為403.1 kJ，仿真計算結束時總能量為395.3 kJ，模型基本保持能量守恒。仿真計算結束時模型動能減少384.2 kJ，而內能共增加378.1 kJ，碰撞能量的98.41%轉化為內能。說明該全承載式車身骨架具有良好的吸能效果。從圖4可以看出，碰撞能量的變化符合動能減少內能增加的趨勢，由圖示沙漏能曲線可知，沙漏能占整體能量的比例遠低于5%，說明仿真計算的精度符合要求[6-8]。模型與剛性墻距離設定為0.5 m，模型前圍與剛性墻在60 ms時開始接觸，前圍板開始變形，動能出現一個明顯的下降過程。此后，能量由車身整體吸收，在170 ms時車身吸能達到最大值。同時通過碰撞動畫及速度變化曲線可以看出，170 ms時，整車模型速度接近為零，開始出現反彈現象，故認為計算結果符合實際情況，說明該次仿真結果是合理的與可信的。

4 整車模型變形及吸能情況分析

圖4為模型各主要時間點碰撞分析變形圖，分別取60 ms、100 ms、170 ms、260 ms、400 ms各時刻整車變形結果，通過研究各主要時間點的變形結果對整車模型碰撞過程進行全面的了解。模型最前端與剛性墻在60 ms時開始接觸，碰撞開始后，剛性墻首先與前圍曲型梁接觸，前圍曲型梁逐漸變形直至被壓潰，最后不能再變形吸能；接著剛性墻與車身前部整體接觸，并帶動整個駕駛室區向后移動，車頭各部件包括側圍、車門、底架等都開始變形并吸收碰撞能量。整車模型整體在170 ms時變形量達到最大值，兩側車門和駕駛室都有較大變形，同時在170 ms時車身開始反彈，變形開始會談，變形量有所減小。在260 ms時變形反彈基本完成，整車變形趨穩定，同時客車模型繼續向后反彈。400 ms時模型停止后退，仿真計算結束。

由圖4可以看出，碰撞主要變形區域為客車有限元模型前圍、側圍前端和前懸位置處底盤的骨架。由圖4（c）可知，前軸后端的骨架結構由于遠離碰撞區域并且底盤加強梁等結構的強化作用等原因變形較小，說明在碰撞過程中大部分的碰撞能量由前圍、側圍以及前懸部分底盤骨架產生的塑性變形吸收，小部分由模型其他部分骨架構件變形吸收[9-10]。同時在該次仿真中，安置在車頭的備胎在仿真計算中起著重要的吸能和緩沖作用。

圖5是為方便測量于車身兩側門框處標定的表示點，客車正面碰撞主要變形區為前軸前車頭部分骨架結構，故該圖所示位置為本次仿真計算主要變形區，所得變形數據能充分表述模型變形情況。

表1為標示點位置處仿真計算結果的變形數據，表中“-”表示壓縮，“+”表示拉伸。由表1可以看出，由于剛性墻高度為2 m高，故車頭頂部變形較小，2號及以下標示點變形量開始增大；車頭左右兩側骨架結構有所不同，造成整車模型進行100%正面碰撞時左右兩側變形量有一定差別，但是總體而言，車頭左右兩側變形量相似，說明該車型車頭部分骨架結構分布合理，能較平穩的吸收碰撞能量[10-11]。同時，可以看出該模型在時速30 km/h時與剛性墻正面碰撞造成的塑性變形過大，侵占了駕駛員與前排乘客的生存空間。

圖6為客車車頭骨架結構變形圖，從圖中可以看出，兩個門都有嚴重的塑性變形，整個門框構件已經嚴重的破壞。表2為碰撞仿真三個重要位置處的最大變形數據，由表2可知，駕駛員門變形213 mm，乘客門變形249 mm，變形過大且門柱已經彎曲造成乘客門和駕駛員門都不能夠打開，乘客不能逃生，有較大的安全隱患。前圍曲型梁最大變形為691 mm，整個前圍下端嚴重變形，從而導致儀表盤、方向盤和前擋風玻璃侵入駕駛區，對駕駛員和前排乘客的生存空間構成較大的威脅，嚴重威脅駕駛員和前排乘客的生命安全。

5 結論

利用CAE軟件Hypermesh建立客車的整車有限元模型，遞交通用顯式動力分析程序LS-DYNA中仿真計算，得到整車模型100%正面碰撞變形吸能等計算結果，發現該型客車模型的車頭部分塑性變形過大，骨架結構侵入駕駛區，給駕駛員和乘客生命安全帶來嚴重威脅。以上仿真計算分析對承載式車身骨架結構研究起到一定的指導作用，為整車正面碰撞研究提供了參考，為進一步的研究如何提升客車耐撞性能打下了良好的基礎。

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