公路客車中段側(cè)翻有限元分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

范春海

【摘 要】采用HYPERMESH有限元軟件建立了某大型客車中段的有限元模型，并利用LS-DYNA軟件進(jìn)行模擬分析。根據(jù)不同方案的分析結(jié)果進(jìn)行對比，對車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提出結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案，以提高其側(cè)翻安全性能。進(jìn)一步的仿真結(jié)果表明：優(yōu)化改進(jìn)后的車身結(jié)構(gòu)能保證乘員生存空間不受到侵入，從而滿足側(cè)翻認(rèn)證要求。

【Abstract】The finite element mode of middle section of a motorbus is established by means of the finite element software of HYPERMESH， and the simulation analysis is carried out by using the software of LS-DYNA. The analysis results were compared according different schemes， and the scheme of structural optimum is proposed， so as to improve the safety performance of its rollover. Further simulation results show that the optimized body structure can ensure the occupant's survival space is not intruded， so as to meet the rollover certification requirements.

【關(guān)鍵詞】大型客車；分段側(cè)翻；模擬分析；生存空間；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

【Keywords】motorbus； segmental rollover； simulation analysis； survival space； structural optimum

【中圖分類號(hào)】U462.2 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2018）06-0148-03

1 引言

近年來，客車安全事故頻發(fā)，客車的安全性能日益受到各大生產(chǎn)廠家和客戶的重視。據(jù)統(tǒng)計(jì)分析在各種客車交通事故中，側(cè)翻是傷亡率最高的形式之一，常常造成群死群傷的結(jié)果。因此，對大型客車的側(cè)翻安全性能進(jìn)行分析研究，提高其抗側(cè)翻能力，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

車身骨架中段結(jié)構(gòu)是客車車身結(jié)構(gòu)的基本組成單元之一，在側(cè)翻實(shí)驗(yàn)認(rèn)證中是最危險(xiǎn)的結(jié)構(gòu)單元，因此在整車開發(fā)初期的結(jié)構(gòu)方案階段，需要對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行充分的分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)，使之滿足側(cè)翻法規(guī)要求，在設(shè)計(jì)階段完成對結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

本文依據(jù)國內(nèi)GB17578-1998及歐盟關(guān)于客車側(cè)翻安全性的ECER66-00法規(guī)，對某12m大型全承載客車中段進(jìn)行CAE建模和方案對比分析，在此基礎(chǔ)上調(diào)整優(yōu)化結(jié)構(gòu)，以滿足側(cè)翻認(rèn)證要求。

2 GB17578-1998側(cè)翻結(jié)構(gòu)的探討和仿真分析

本次分析選取某12m大型全承載客車中段，經(jīng)車型分析得到該分段吸收能量占整車的23%，故以整車整備重量為14t進(jìn)行計(jì)算，該中段配重為3.2t，重心高度根據(jù)實(shí)測為1440mm距離地面；若配置人的一半的重量則按照34kg/人進(jìn)行配重。

2.1 材料屬性

本項(xiàng)目所研究客車的骨架結(jié)構(gòu)方鋼采用20#、Q235、Q345鋼及W510L （單位選：t-s-mm-MPa），下表為所用方鋼的材料特性。

2.2 方案對比分析

結(jié)合目前國內(nèi)外常用客車車身結(jié)構(gòu)，選取其中4種典型結(jié)構(gòu)方案根據(jù)GB17578-1998進(jìn)行對比分析，而后從中選擇最佳方案。

2.2.1 方案A分析

說明：整體式腰梁，側(cè)圍上邊框斷開，頂蓋加小斜撐，窗立柱材料為Q345B口60*40*3.0mm。如圖所示：

從上面分析結(jié)果可得出：方鋼與另一方鋼表面直接焊接，在抗側(cè)翻瞬時(shí)彎曲作用下，會(huì)發(fā)生焊接方鋼表面被撕裂的情況，故盡量避免彎曲的轉(zhuǎn)軸為焊接在方鋼表面的焊道。需要進(jìn)行焊道的轉(zhuǎn)移或是局部加強(qiáng)。

2.2.2 方案B分析

說明：整體式腰梁，側(cè)圍上邊框斷開，頂蓋加小斜撐，窗立柱根部加八角，窗立柱材料為Q345B口60*40*3.0mm。如圖所示（5-7）。

如下圖可得出：八角擴(kuò)大了焊縫的長度，提高了根部的強(qiáng)度，但是對于側(cè)翻的貢獻(xiàn)很有限。仍然侵入38.7mm。

2.2.3 方案C分析

說明：腰梁斷開，窗立柱延伸至下腰梁，窗立柱材料為Q345B口60*40*3.0mm ，如下圖所示：

如圖可得出：腰梁打斷，貫通窗立柱，充分發(fā)揮立柱的整體抗彎性能，但是仍然侵入9mm。

2.2.4方案D分析

說明：腰梁斷開，窗立柱延伸至下腰梁。窗立柱材料為Q345B口60*50*3.0mm

生存空間沒有被侵入，并有24mm的距離。

2.2.5小結(jié)

根據(jù)以上的各個(gè)方案分析與研究，總結(jié)出側(cè)圍立柱貫通，延伸至下腰梁，同時(shí)采用為Q345口60*50*3.0mm為側(cè)圍最佳結(jié)構(gòu)方案。

3 歐盟ECER66-00半載側(cè)翻結(jié)構(gòu)的探討和仿真分析

結(jié)合上述4種方案分析結(jié)果對方案D進(jìn)行加半載的歐盟ECER66-00分析并優(yōu)化。

3.1 方案D半載分析

座椅椅面離地高度取450mm，在該處建立乘員半載質(zhì)量單元進(jìn)行加載。整體重心高度提高至距離地面1567.6mm，如下圖所示。

從以上可看出：最大變形時(shí)刻侵入生存空間67mm，整個(gè)碰撞能量較未加載多出25%以上。從整體結(jié)構(gòu)的變形情況來看，頂蓋變形較大，側(cè)圍立柱腰梁上部內(nèi)凹，腰梁部分傾斜較大，無法完全抵抗變形，需要改進(jìn)提高頂蓋及腰梁部分的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

3.2 加半載分析優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

經(jīng)過十幾個(gè)方案的反復(fù)修改與分析驗(yàn)證，最終得到可以通過半載的結(jié)構(gòu)方案，如下圖所示。主要正對頂蓋與腰梁進(jìn)行加強(qiáng)。

通過結(jié)構(gòu)改進(jìn)與優(yōu)化，結(jié)構(gòu)剛好通過半載側(cè)翻碰撞狀態(tài)，滿足生存空間需求。

4 結(jié)論

本文通過對客車典型分段結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析與研究，在客車前期設(shè)計(jì)方案選擇時(shí)期，可以較快實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)方案的對比與分析，確定最優(yōu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)定版，在設(shè)計(jì)階段消除一些結(jié)構(gòu)上的缺陷，提高了設(shè)計(jì)的科學(xué)性，并縮短了結(jié)構(gòu)優(yōu)化與開發(fā)的周期。通過有限元建模并進(jìn)行側(cè)翻碰撞分析，得出了車身上部結(jié)構(gòu)特別是側(cè)圍立柱和頂蓋的不足之處，據(jù)此提出優(yōu)化改進(jìn)方案，最后的仿真分析表明所提方案能保證生存空間在整個(gè)側(cè)翻過程中都不受到侵入，從而滿足ECER66-00側(cè)翻半載法規(guī)要求。

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