基于側(cè)翻安全的10米公路客車車身設(shè)計與優(yōu)化研究

李飛

摘 要：客車側(cè)翻安全是客車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計中很重要的研究部分，本文通過有限元分析手段優(yōu)化車身結(jié)構(gòu)，旨在總結(jié)影響客車車身結(jié)構(gòu)側(cè)翻安全的關(guān)鍵因素，掌握客車側(cè)翻性能設(shè)計規(guī)律及典型結(jié)構(gòu)，為國內(nèi)客車廠家和科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行類似改進(jìn)設(shè)計提供借鑒，為未來客車產(chǎn)品的發(fā)展提供技術(shù)支持和設(shè)計經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：封閉環(huán)側(cè)翻特性；客車車身設(shè)計；優(yōu)化

中圖分類號： U463 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）31-196-2

0 引言

過去在設(shè)計客車車身結(jié)構(gòu)時，若車身結(jié)構(gòu)不滿足強(qiáng)度、剛度要求，往往就只在薄弱的部位加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，使整車能夠通過相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)試驗要求，并沒有系統(tǒng)研究哪些因素是影響客車側(cè)翻的關(guān)鍵因素。這樣做不但對客車車身輕量化造成不利影響，還會給整車工藝性等其他方面帶來問題。

近些年，國內(nèi)許多高校科研機(jī)構(gòu)和客車企業(yè)都開始對客車側(cè)翻做相關(guān)的技術(shù)研究，結(jié)合有限元仿真方法提出了一系列優(yōu)化客車側(cè)翻性能的有效方法，并優(yōu)化車身結(jié)構(gòu)，提高客車側(cè)翻性能，減小乘員的傷害。GB17578-2013《客車上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求及試驗方法》已于2014年7月1日正式實施，這對客車側(cè)翻提出了更加嚴(yán)格的要求。客車側(cè)翻碰撞的試驗條件會更加嚴(yán)苛，國內(nèi)客車行業(yè)對客車上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的研究也會更加深入。

1 側(cè)翻試驗

GB17578-2013《客車上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求及試驗方法》于2014年7月開始實施，法規(guī)中要求“車輛的上部結(jié)構(gòu)應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度，以確保在整車側(cè)翻試驗過程中和側(cè)翻后生存空間沒有受到侵入”；同時，“在每個裝有乘員約束裝置的座椅上加載，加載質(zhì)量為：每個成員質(zhì)量的50%”，這一規(guī)定已于2015年7月正式實施。法規(guī)要求的具體試驗方法如下。

1.1 基本試驗

將懸架鎖止的客車車身置于可傾斜的平試驗臺上，對于裝有乘員約束系統(tǒng)的客車而言，按照整車總有效質(zhì)量（車輛空載質(zhì)量與乘員質(zhì)量的一半）加載，再慢慢將試驗臺傾斜到一個不穩(wěn)定的平衡位置，開始試驗。客車車身從試驗臺翻轉(zhuǎn)碰撞到平整堅硬的水平面上，直至客車結(jié)構(gòu)不再發(fā)生變形，試驗結(jié)束。試驗過程如圖1所示。

1.2 車身段側(cè)翻試驗

要求所測試的車身段必須是具有代表性的，車身段至少有兩個隔間，其中一個位于整車縱向質(zhì)心的前部，一個位于整車縱向質(zhì)心的后部，并且還要包含結(jié)構(gòu)強(qiáng)度最弱的隔間，質(zhì)量最大的隔間和生存空間要求最苛刻的隔間。車身段的配重應(yīng)能反應(yīng)車身段的能量吸收能力，重心位置應(yīng)與整車重心相同。車身段側(cè)翻試驗過程與基本試驗過程相同。

1.3 根據(jù)測試部件進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)計算

設(shè)定一個負(fù)荷承受體，應(yīng)該包括塑性變形區(qū)和塑性鉸鏈，并且上部結(jié)構(gòu)應(yīng)與實車尺寸相同。試驗開始時，要保證加載板與上部結(jié)構(gòu)的接觸位置，保證載荷的傳遞正確。作用載荷應(yīng)與車輛的垂直縱向中心面有一個夾角a，

1.4 計算機(jī)模擬整車側(cè)翻試驗

建立數(shù)學(xué)模型，其總質(zhì)量和質(zhì)心位置應(yīng)與試驗車輛一致，質(zhì)量分布也應(yīng)與試驗車輛相同。測試的主要部位為車身骨架的兩側(cè)接頭位置對其施加靜態(tài)或動態(tài)載荷，測試數(shù)學(xué)模型的變形或破壞。評價的標(biāo)準(zhǔn)為乘員的生存空間是否被侵入，生隨著有限元技術(shù)的不斷發(fā)展，在設(shè)計階段采用有限元方法不但可以縮短設(shè)計周期、減少成本，還有良好的重復(fù)性和適應(yīng)性。

2 基于封閉環(huán)側(cè)翻特性的客車車身優(yōu)化設(shè)計

矩形截面閉口薄壁梁是組成客車車身結(jié)構(gòu)的常用桿件形式，在截面周長和材料不變的情況下，薄壁梁的高寬比和板厚是決定其性能的主要參數(shù)，這兩個參數(shù)的變化直接影響薄壁梁的受力特征和輕量化效果，進(jìn)而影響整車的碰撞安全性能。

在材料力學(xué)角度，考察薄臂梁在彈性階段的抗變形能力的兩個性能指標(biāo)是彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度，這兩個指標(biāo)表示梁在承受彎曲載荷和扭轉(zhuǎn)載荷時在彈性階段抗變形的能力。車身在瞬間遭受重大載荷時，變形會超出彈性階段進(jìn)入到非線性變形階段，通常采用三點(diǎn)抗彎試驗和軸向抗壓試驗這兩種測試方式考察薄壁梁徑向和軸向兩個方向的最大壓潰力。

在封閉環(huán)結(jié)構(gòu)中，用側(cè)窗立柱在縱向平移取代側(cè)圍中立柱，從而在上部結(jié)構(gòu)形成閉環(huán)形式。由于這種結(jié)構(gòu)的改變，側(cè)圍立柱數(shù)目由8根變?yōu)?根。相關(guān)的側(cè)圍斜支撐結(jié)構(gòu)也作對應(yīng)的改變。

彎曲壓潰模式主要產(chǎn)生在側(cè)圍中立柱與艙門立柱焊接的部位，而側(cè)窗立柱中沒有形成塑性鉸。這種變形機(jī)制源于中立柱和側(cè)窗立柱橫截面尺寸和材料等級的差異。根據(jù)Kecman提出的矩形截面薄壁管彎曲理論，方管最大彎曲強(qiáng)度受薄壁截面受壓翼彈性屈曲控制，或者受相對較薄材料屈服控制。對于寬度為a，高度為b，厚度為t的截面薄壁管，受壓翼的臨界應(yīng)力為：

客車側(cè)圍的中立柱和側(cè)窗立柱的型材規(guī)格分別為50mm×40mm×3mm和60mm×40mm×3mm，材料分別為Q235和Q345。從而可以計算出各自的最大承載彎矩，即側(cè)窗立柱最大承載能力大約為中立柱的3.14倍。在側(cè)翻過程中，作用到上部結(jié)構(gòu)的沖擊載荷首先是的中立柱彎曲壓潰。除此之外，由于艙門立柱上端與中立柱焊接，起到加強(qiáng)件的作用，使得該處存在著強(qiáng)度的突變，容易觸發(fā)中立柱的彎曲變形。

合理選用材料能有效提高桿件的抗彎變形能力和壓桿穩(wěn)定性，常見的一種材料改進(jìn)方法：原中立柱、腰梁、頂蓋橫梁均采用屈服極限為235MPa、強(qiáng)度極限為420 MPa的低碳鋼Q235，將變形較大部件的材料更換為屈服極限為355 MPa、強(qiáng)度極限為510 MPa的高強(qiáng)度鋼W510。合理選擇截面形狀，窗立柱截面如圖3。

其抗彎截面系數(shù)：

由式可知：提高桿件的抗彎變形能力和壓桿穩(wěn)定性可以通過增加壁厚、調(diào)整截面形狀等方法來實現(xiàn)。

根據(jù)封閉環(huán)矩管截面尺寸、材料、側(cè)圍立柱下部結(jié)構(gòu)、完整性和布置數(shù)量等因素對客車側(cè)翻安全的影響，客車封閉環(huán)主要設(shè)計以下內(nèi)容：

①側(cè)圍立柱截面尺寸采用60mm×40mm×3mm整車側(cè)翻性能優(yōu)于截面尺寸為50mm×40mm×3mm，但側(cè)圍立柱截面尺寸采用50mm×40mm×3mm的10米級公路客車也可以滿足側(cè)翻法規(guī)要求。

②封閉環(huán)結(jié)構(gòu)材料采用510L的側(cè)翻性能優(yōu)于Q345，Q345優(yōu)于Q235，并且10米級公路客車封閉環(huán)結(jié)構(gòu)材料采用510L和Q345均能滿足側(cè)翻法規(guī)要求。

③側(cè)圍立柱下部為斜支撐加強(qiáng)結(jié)構(gòu)與腰梁下移結(jié)構(gòu)的整車側(cè)翻性能接近，均大幅優(yōu)于無下部加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。

④合理的設(shè)計側(cè)圍立柱下部結(jié)構(gòu)，如斜支撐加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，可以保證不完整封閉環(huán)結(jié)構(gòu)達(dá)到完整封閉環(huán)結(jié)構(gòu)側(cè)翻性能。

⑤前、后圍龍門口處采用雙封閉環(huán)結(jié)構(gòu)，整車側(cè)翻能力大大提升。

⑥10米公路客車采用6道封閉環(huán)結(jié)構(gòu)可以滿足側(cè)翻法規(guī)要求。

3 結(jié)束語

通過本文對當(dāng)前我國客車側(cè)翻研究現(xiàn)狀的簡單介紹，確定了基于封閉環(huán)側(cè)翻特性的客車車身優(yōu)化設(shè)計，希望能對我國10米公路客車車身設(shè)計與優(yōu)化研究起到一定的幫助，保障乘客出行的生命安全。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 阮誠心（NGUYENTHANHTAM）.基于側(cè)翻碰撞安全性的客車車身改進(jìn)設(shè)計及乘員損傷研究[D].湖南大學(xué)，2012.

[2] 周鑫美.基于側(cè)翻安全性的客車骨架設(shè)計研究[D].華南理工大學(xué)，2010.