基于側翻安全性的客車車身骨架輕量化研究

許彥池

【摘 要】針對目前我司之前為滿足上部結構強度法規的要求，主要采用加大骨架材料規格的做法，并由此造成整車重量嚴重超重的現狀，本項目通過研究高強度鋼材料在車身骨架上的有效應用，以車身輕量化為優化目標，對某客車的車身骨架結構進行了優化設計。采用有限元分析的方法對優化的骨架模型進行側翻碰撞的仿真模擬，并通過側翻安全要求。對優化后的骨架進行的側翻試驗，結果表明，客車車體在滿足ECE R66法規對生存空間要求的情況下，通過高強度鋼材料的應用，在側圍立柱和頂橫梁優化材料規格后的結構比原結構質量減輕了13.7%，實現了車身結構輕量化。

【Abstract】Abstract： In the past， in order to meet the requirements of the superstructure strength regulation， we mainly adopt the method of increasing the specification of framework material， which has caused a serious overloading of the whole vehicle. In view of this status， through studying the effective application of the high strength steel material on the body framework， and taking body lightweight as the optimization object， the project optimizes the body frame structure of bus. The method of finite element analysis is used to simulate the rollover collision of the optimized framework mode， and the rollover test of the optimized framework is carried out according to the safety requirements of the rollover. The results show that under the condition that the bus body meets the requirements of living space in ECE R66 regulations， through the application of high strength steel materials， the weight of the structure of the side pillar and the top cross beam after the optimization of material specifications is reduced by 13.7% compared with the original structure. It shows that the light weight of body structure is realized.

【關鍵詞】骨架；側翻；輕量化；高強鋼

【Keywords】framework； rollover；lightweight；high strength steel

【中圖分類號】U466 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2018）06-0170-03

1 引言

安全節能和環保是當今汽車發展的主題，車輛安全性與輕量化設計是各車企生產商重點研究的對象[1-2]。尤其對于客車生產廠商，由于歷史原因，大部分客車車身骨架設計得都非常保守，造成車身骨架超重特別嚴重，這給我們留下了非常大的減重空間；但是由于客車本身的特點，比較高，承載人數比較多，容易在路況或車況不好的情況下發生側翻，而一旦發生側翻都是造成群死、群傷，造成嚴重的社會影響。

所以現在相關部門對客車的安全性能，特別是側翻安全性能要求非常嚴格，并引入歐盟ECE R66 上部結構強度的強制標準。目前，為提高整車的側翻安全性能，大都采用加大材料規格的方法，但是這會極大增加整車重量，一方面增加成本，另一方面重量增加也不利于側翻安全。

本項目主要是通過研究高強度鋼材料在對側翻安全影響較大的地方（如側圍立柱、頂蓋橫梁等位置）的有效使用，減小材料規格，對骨架結構進行優化，并對優化后的骨架模型進行有限元模擬，達到側翻安全要求之后，再通過試驗對優化的骨架進行試驗驗證。得到一種在保證側翻安全性的同時，實現整車骨架的輕量化的方法。

2 前期準備

2.1 中段骨架模型的建立

客車側翻主要是參考客車上部結構以及側圍的強度，因此截斷模型可以直接在整車模型中直接截取。本項目是在我司6129Y8側圍處，選擇具有客車結構代表性的部位（如圖1所示）。

2.2 乘員生存空間要求

ECE R66法規修訂于2006年2月底于載客多于22人的客車 該法規規定的客車側翻碰撞安全性試驗要求客車停放在一個水平的翻轉平臺上 翻轉起始水平面與下方的撞擊面高度相差800mm，客車在沒有搖晃和不受其他外力影響的情況下側傾直至翻倒 側傾角速度不應超過5°/s（0.087rad/s），如圖2所示，圖中CG、CG′、CG″為客車不同位置時的重心位置，B為旋轉軸到客車縱向垂直中心平面的距離，t為客車重心到縱向垂直中心平面的距離，h0為客車在翻轉平臺上的重心初始高度，h1為客車臨界側翻時重心高度[3]。

ECE R66法規要求，客車側翻碰撞試驗時須確保側翻變形后車身結構不得侵入生存空間內的任何部件也不得侵入生存空間之外，乘員生存空間尺寸的定義如圖3所示：[4]

3 中段骨架有限元模型的建立及分析

有限元建模的中心任務是結構離散，即劃分網格。但是還是要處理許多與之相關的工作：如結構形式處理、集合模型建立、單位特性定義、單元質量檢查、編號順序以及模型邊界條件的定義等[5-6]。

3.1 材料及單元屬性

本項目研究車型的骨架結構方鋼采用20#鋼、車架骨架采用Q345B。模型中絕大部分網格采用殼單元，長度選擇15mm，有些局部結構較復雜的選擇10mm。

3.2 焊點處理

本研究均采用節點重合和剛性連接（RBE2單元）模擬焊點。其恰好可以顯示出焊縫處的應力集中現象，但這樣處理的結果可能會使剛度降低。

3.3 網格質量檢查

主要通過檢查warpage（均大于5.0）、aspect（均大于4.0）、jacobian（均小于0.6）確定其合理性。

3.4 施加載荷及約束根據法規要求翻轉

原始中段骨架有限元模擬側翻碰撞結果如圖5所示，是不合格的。

4 采用高強鋼優化模型建立及計算分析

4.1 材料的選擇

隨著全球環境和能源危機的日益加劇，節能、減排已成為客車制造業面臨的重大問題。客車輕量化技術已成為汽車行業的發展潮流，得到廣泛關注。高強度鋼在客車減重、提高安全性等方面效果顯著，在車身制造中應用越來越多。本項目在客車側翻中的高強度鋼應用（兩種高強度鋼分別為1180#和980#），其材料參數來自于國內某鋼鐵公司所提供的。[7-10]

4.2 骨架結構的優化

依據輕量化設計指導思想，該車的輕量化設計方案如下：①側圍的縱梁方鋼由Q345B的Q345B的60mm*40mm*3mm改為980#的50mm*40mm*2.5mm的高強鋼，所有側圍的斜撐由Q345B的50mm*35mm*2mm改為980#的35mm*35mm*

2mm。②側圍行李艙下立柱由Q345B的40mm*40mm*2mm改為980#的40mm*40mm*1.5mm。③側圍立柱由Q345B的40mm*30mm*2mm和30mm*30mm*2mm桿梁相應改為980#的40mm*30mm*1.5mm和30mm*30mm*1.5mm；斜撐由Q345B的60mm*30mm*3mm改為980#的60mm*30mm*2mm。④頂蓋橫梁中由Q345B的50mm*40mm*2mm改為980#的50mm*30mm*2mm或50mm*

35mm*2mm。

上述方案是對現有車型改動量最小時的輕量化設計方案，依據此方案可減輕250kg，相對于原始中段骨架減輕13.7%。

4.3 模擬分析側翻碰撞結果

同2.2所用的方法對優化后的骨架模型進行側翻碰撞模擬，結果如圖7所示，可以滿足側翻安全要求。

5 中段側翻試驗

5.1 試驗骨架配載過程

目標值：總重3.2t，重心離地高度為1440 mm，x方向位于中段中點位置，y為偏右31.3mm（與原型車基本相同），估計骨架及托架重量為1.15t，預計配重2.05t。

稱重后骨架重1087kg ，需配載鐵塊2113kg，加載后實際總重3201kg

5.2 試驗結果

骨架最大側翻穩定角為38.0度，骨架側翻后，輕度變形，泡沫標記的安全區域沒有被侵占。后端泡沫木筷觸及車身，木筷外露長度由Q345B的100mm變為62～70mm，后端泡沫木筷有三根長度變為95mm，其余未觸及車身骨架，如圖8-10所示。

故判定此骨架側翻結果為：合格。

6 結語

采用增大客車側圍骨架壁厚及其材料規格的方法都可有效提高客車的側翻安全性，然而僅僅通過增大材料規格的方法來提高客車的側翻安全性，往往會導致客車車身骨架的質量增大，不利于整車的輕量化要求。本文提出了在車身骨架關鍵立柱和橫梁上合理的利用高強度鋼材料，并對材料規格進行優化，來提高客車的側翻安全性和滿足輕量化要求的方法。研究結果表明，優化后的車體強度和剛度滿足ECE R66法規對乘員生存空間的要求，客車側翻碰撞安全性得到了改善，同時，側圍立柱和頂橫梁的質量比優化前共減小了13.7%，實現了車身結構輕量化。

【參考文獻】

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