大客車側翻仿真計算方法對比研究

司俊德 孫明英

摘 要：依據GB17578-2013《客車上部結構強度要求及試驗方法》中規定，以某12米全承載客車為研究對象，詳細分析了直接空翻法、剛柔轉換法、計算觸地時刻邊界條件法和計算觸地時刻角速度法四種側翻分析方法中的能量、侵入量和時間差異。結果表明，直接空翻法、剛柔轉換法侵入量精度較高，但耗費時間較長；計算觸地時刻邊界條件法和計算觸地時刻角速度法的侵入量誤差在4%以內，同時可以節省大量時間，通過對誤差修正后，可作為優先選用的側翻計算方法。

關鍵詞：側翻仿真；剛柔轉換；角速度；邊界條件

中圖分類號：U461 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7988（2018）17-82-03

Abstract： Accordance with the GB17578-2013 Regulation（Requirements and test methods of strength for the superstructure of bus） and a 12 meters bus FE model， The paper detailly introduces four kinds of bus rollover simulation methods by LS-DYNA. By comparing the deformation results and computing time of four kinds of simulation method， The Conclusion has a important significance to improving the rollover simulation efficiency In a 12 meters bus as the research object， a detailed analysis of the direct method of rigid flexible converting method， somersault， calculating contact moment boundary condition method and calculation method of contact moment angular velocity four rollover analysis method in energy， intrusion and time difference. The results show that the direct method of rigid flexible converting， somersault， amount of invasive method has higher precision， but takes a long time； calculating the contact moment boundary condition method and calculation method of contact moment angular velocity the invasion amount within an error of 4%， at the same time， can save a lot of time， based on the error correction， can be used as the preferred method of calculating the rollover.

Keywords： rollover simulation； deformable to rigid； angular velocity； boundary

CLC NO.： U461 Document Code： A Article ID： 1671-7988（2018）17-82-03

前言

隨著計算機技術的發展，汽車有限元模型的精細度快速提高。目前，大客車側翻仿真計算模型網格數量在40萬以上，仿真過程耗時較多。客車側翻過程中可分為空翻和觸地變形兩個階段，空翻過程中除輪胎發生彈性變形，其余部件可認為是一個剛體[1]，且輪胎彈性變形導致整車質心位置變化可忽略，因此仿真計算中可不考慮輪胎的彈性變形。根據空翻階段計算思路的不同，可將側翻仿真計算方法歸為四種，第一種方法是直接空翻法[2]，第二種方法是剛柔轉換法[3]，第三種方法是計算觸地時刻邊界條件法[4，5]，第四種方法是根據碰撞能量計算角速度法。

本文結合某12米全承載客車，首先使用HyperMesh建立整車有限元模型；其次利用動力學分析軟件Ls-Dyna為求解器，闡述了四種側翻仿真計算方法思路；最后對比分析四種仿真計算方法的能量曲線、立柱侵入量和計算時間等計算結果。結果表明，能量曲線和立柱侵入量的差別較小，計算時間差別較大，方法一的計算時間最長，其次是方法二，方法三和方法四的計算時間最短，因此方法三和方法四的側翻仿真的計算效率最高，可作為優先選用的側翻計算方法。

1 大客車有限元模型的建立

該12米全承載客車的有限元模型如圖1所示，包括骨架、車架、蒙皮、玻璃、前后橋、輪胎等結構。部件之間的連接通過共節點、剛性單元、鉸鏈單元等方法模擬，例如車身骨架的焊接主要通過共節點的方式來模擬，蒙皮、玻璃與骨架通過剛性單元連接。前后橋和輪胎采用MAT20材料，其余部件多采用MAT24材料，玻璃應增加失效參數，未建模部件的質量由集中質量代替，保證整車有限元模型的重量、質心位置及轉動慣量與實車一致。模型主要由殼單元組成，骨架網格尺寸為20mm，側圍立柱接頭處網格尺寸為15mm，模型中單元數量總計45萬。

2 四種側翻仿真計算方法機理

2.1 直接空翻法（方法一）

直接空翻是仿真模型在空翻階段仍是一個柔體模型，計算時間較長。首先創建翻轉平臺，為了計算上的效率與穩定，將翻轉平臺預先自水平旋轉并接近最大翻轉角度2°左右，對翻轉平臺施加不超過5°/s的旋轉速度，如果施加的旋轉速度過大，將會使車輛增加額外的側翻動能。其次是創建距旋轉軸800mm以下的剛性地面和評價生存空間的實體模型，并定義車輛的自身接觸、車輛與剛性地面的接觸及輪胎與翻轉平臺的接觸。最后是定義控制計算的卡片和計算結果的輸出。在計算時間上的設置，應保證整車與剛性地面發生碰撞后并出現反彈。

2.2 剛柔轉換法（方法二）

剛柔轉換是采用空翻階段整車可視為一個剛體在運動的思路，以減少計算時間。該方法在方法一的仿真模型中增加兩個*DEFORMABLE_TO_RIGID_AUTOMATIC關鍵字實現的。計算初始時刻利用輪胎與翻轉平臺的接觸力使模型中的柔體轉化為剛體，實現整車模型變成一個剛體，縮短了空翻階段的計算時間；當車體與地面發生接觸時，利用此時車體與剛性地面的接觸力使模型中被轉化剛體的柔體重新變為柔體，車身結構開始發生變形。

空翻階段：柔體轉化為剛體，建立第一個*DEFORMA BLE_TO_RIGID_AUTOMATIC關鍵字，選擇模型中的一個剛體*PART為主剛體，選擇模型中由其余*PART（包括柔體*PART和剛體*PART）組成的一個從剛體*SET_PART集合，從剛體中不建議包含有0D和1D單元，由于模型中全是剛體，必須在此關鍵字下設置剛體的計算時間步長。

觸地變形階段：剛體轉化為柔體，建立第二個*DEFOR MABLE_TO_RIGID_AUTOMATIC關鍵字，選擇模型中由全部柔體*PART組成的* SET _PART集合。由于剛柔轉化不支持所有的關鍵字，可通過錯誤提示、能量曲線及單元運動軌跡，確認計算結果的準確性。

2.3 計算觸地時刻邊界條件法（方法三）

該方法是將空翻階段和觸地變形階段兩個階段分開計算，空翻階段的計算結果是觸地變形階段的輸入。第一個階段，與方法1中的建模方法相同，區別是用少量單元的剛體模型計算整車觸地時刻的三個平動（X、Y、Z）、三個轉動（RX、RY、RZ）的位移和速度。第二個階段：根據空翻階段計算出的六個方向的位移，將整車側翻模型擺放至觸地時刻狀態，再給模型施加六個方向的速度，作為第二次仿真計算的加載條件。該方法能有效避免剛柔轉換中由于部分關鍵字的不支持而導致計算錯誤的問題，且計算時間大幅度減少，缺點是整個側翻計算過程中需要建立兩次分析模型。

2.4 計算觸地時刻角速度法（方法四）

空翻過程中，可以將車輛的運動簡化為繞定軸轉動，首先根據能量守恒計算其觸地時刻的角速度，然后將車輛旋轉至觸地時刻狀態，對整車施加繞旋轉軸的角速度，直接開始計算。空翻過程中其質心位置的變化如圖2所示，根據能量守恒，觸地時刻整車繞旋轉軸的角速度可有公式1求得：

式中：ω為車輛觸地時刻角速度；m為車輛半載質量；g為重力加速度；△h為翻轉過程中車輛質心的垂直位移量；J為整車繞旋轉軸的轉動慣量。

3 計算結果對比

3.1 能量曲線的對比

圖3-圖6為四種仿真計算方法得到的能量曲線。最大動能時刻為觸地時刻。方法一、方法二、方法三、方法四的最大動能分別是135.8kJ、137.0kJ、133.5kJ、132.7kJ。最大內能時刻為最大變形時刻，方法一、方法二、方法三、方法四的最大內能分別是128.5kJ、129.7kJ、125.9kJ、135.3kJ。與方法一中的能量相比，方法四的誤差最大，方法三次之，方法二的誤差最小。

3.2 立柱侵入量的對比

在生存空間上建立局部坐標系，選擇側圍立柱上且與生存空間最上端對其的一個節點，輸出該節點在該局部坐標系中的位移，即立柱對乘員艙的侵入量。四種仿真計算方法得到的變形如圖7-圖9所示。

方法二與方法一的變形結果基本100%吻合，方法二與方法一在觸地時刻，車輛狀態是一致，不采用任何簡化思路，所以變形量基本相同，且較準確；方法三中忽略了三個較小速度分量VX、RVY、RVZ，最大內能相對最小，所以總體

變形呈略小的趨勢；方法四將空翻階段簡化為繞定軸轉動，最大內能相對較大，所以總體變形呈略大的趨勢。四種計算方法的變形結果在中間立柱處，誤差最小，這主要是由于前軸輪距與后軸輪距的不同，使車輛在空翻過程中產生一個繞車身Z軸的微小旋轉分量，方法三中忽略了該微小分量，而方法四種沒考慮該微小分量，造成方法三和方法四在前后立柱處產生一個較大的誤差。與方法一中的側圍立柱變形量相比，最大誤差是4%，位于方法三中的前立柱處；其次是2.7%，位于方法四中后立柱處；其余誤差都小于1.7%。

3.3 計算時間的對比

由表1知，方法一在計算時間上最長，通過使用剛柔轉換的方法后，計算時間縮短了一半之多。方法三和方法四在計算時間上大幅度縮短，如果對變形誤差進行適當的修正后，方法三和方法四可以作為首選的側翻仿真計算方法。

4 結論

直接空翻法和剛柔轉換法不采用任何簡化思路，所以變形量基本相同，分析結果較準確，考慮到計算時間，雖然剛柔轉換法在計算時間上相對直接空翻法縮短近一半之多，但相比另外兩種方法，計算時間同樣顯得較長，計算效率不高。與直接空翻法和剛柔轉換法相比，計算觸地時刻邊界條件法和計算觸地時刻角速度法的侵入量誤差在4%以內，計算時間卻大幅度縮短，通過對誤差修正后，可作為優先選用的側翻計算方法。

參考文獻

[1] GB 17578-2013，客車上部結構強度要求及試驗方法[s].北京：中國標準出版社，2013.

[2] 亓文果.基于ECE R66法規的客車側翻碰撞安全性能仿真與優化[J].汽車工程，2010，（12）.

[3] Ls-Dyna Keyword Users Manual VolumeⅠ.Livermore Software Technology Corporation. Issue Date： 21/01/2002.

[4] Chopade，S. E.， Mahajan，R.S and Raju，S.Certification of Buses as per AIS-031/ ECE-R66 Using CAE Methods. SAE Paper No. 2009-26- 001.

[5] Tiwari， Sanjay. Performance Evaluation of Bus Structure in Rollover as Per ECE-R66 Using Validated Numerical Simulation. SAE Paper No. 2009-26-002.