某12 m客車側翻仿真分析及結構優化

楊延功，毛洪海，聶文武，張欽超

(濰柴動力上海研發中心，上海 201315)

0 引言

隨著新能源客車的爆發式增長，客車安全問題越來越成為人們關注的焦點。客車的重心較高，尤其是大中型車型，側面接觸面積大，當與其他物體發生碰撞接觸時，由于振動和慣性矩的影響，容易導致客車側翻事故的發生。客車側翻造成的群死群傷特大交通事故也時有發生，因此客車在側翻過程中，保證生存空間不被侵入，減少成員傷害尤為重要。我國新版GB 17578—2013《客車上部結構強度要求及試驗方法》已發布并強制實施[1]。

一般開展客車側翻安全性研究所采用的方法分為試驗研究和仿真分析。前者通過整車或者相關部件進行實車試驗研究，能直觀地驗證客車上部結構是否滿足法規要求，但是成本比較高，并且周期較長；后者是通過數值分析方法來進行側翻仿真模擬，可有效地降低研發成本、縮短產品的研發周期。

1 整車建模

車身結構采用10 mm殼單元建立，劃分有限元網格時，不可避免地會出現三角形單元。三角形過多將影響整車有限元模型計算的準確性，因此整個模型中2D網格三角形占比不超過5%，同時模型質量檢查以不破壞模型特征為前提。

1.1 模型簡化及驗證

本文研究對象是亞星某款12 m一層半旅游客車，車身結構為全承載式，為了控制計算規模，在準確反映車身的實際特性、約束載荷與實際條件一致的前提下，適當簡化客車的幾何模型:除去結構件上面的小孔、倒角、圓角；省略一些質量小、吸能少的部件，如扶手、地板角鋼等；省略一些對仿真結構影響不大的零部件；發動機、變速器等體積和質量都較大的部件可以用質量點的形式均勻施加在相應位置；前后懸架、輪胎等對車身上部結構強度沒有影響，可以用梁單元和殼單元建立等高等質量的部件連接于車架相應節點上[2]。該客車有限元模型如圖1所示。

圖1 客車有限元模型

對客車有限元模型進行模態分析，其前8階模態頻率與振型如表1所示。車身骨架動態特性符合要求，驗證了模型連接的有效性與準確性。

表1 客車模態分析結果

1.2 材料設置

整車骨架采用的材料為Q345，采用LS-DYNA中的多線段彈塑性材料來定義。客車在側翻時，不同應變率下材料的力學性能表現會有較大差別，需要有不同應變率下材料的應力應變曲線，該曲線可以通過霍普金斯桿測試或動態拉壓伺服機測試獲得。在不具備試驗數據的情況下，可在仿真時設置應變率參數C=40、P=5近似考慮應變率效應。

1.3 邊界條件

由于客車從臨界側翻點翻至地面整個有限元仿真計算時間過長，而客車在空中有較長的一段時間不與任何物體發生碰撞，因此為了節省計算時間，這里以客車即將與地面發生碰撞時刻作為客車側翻仿真計算的初始點[3-5]，如圖2所示。

圖2 客車側翻示意圖

根據能量守恒定律有：

Ep0+EK0=EP1+EK1.

(1)

(2)

(3)

其中:EP0、EK0分別為臨界側翻時刻客車的勢能和動能；EP1、EK1分別為觸地時刻客車的勢能和動能；m為整車質量；J為整車質心處轉動慣量，ω0、ω1分別為臨界側翻時刻和觸地時刻整車旋轉的角速度。

將相關參數代入式(1)～式(3)，求得ω1=2.385 rad/s。

1.4 載荷與接觸的定義

側翻碰撞的能量來自客車本身的重力，故使用關鍵字LOAD_BODY_Z定義重力加速度為9 810 mm/s2，將重力施加到車身部件上。在客車側翻過程中，為防止客車車身骨架與剛性地面之間的相互穿透，同時為了描述部件間相互作用力，兩者的接觸類型設置為Surface to Surface，客車骨架之間的接觸類型選擇為Single Surface，材料屬性相差很大的兩種材料接觸時推薦使用SOFT=1，接觸定義應避免定義多余的接觸。

2 仿真分析

2.1 能量分析

圖3為側翻碰撞過程的能量時間歷程曲線。由圖3可以看出，碰撞過程中沙漏能低于總能量的5%，故可認為側翻仿真計算是準確的。客車在側翻的過程中實際上是一個能量轉化的過程，車身在與地面接觸的過程中，動能轉化為內能，動能減小，內能增加，并在130 ms左右趨于平衡穩定。

圖3 側翻碰撞過程能量時間歷程曲線

2.2 仿真結果分析

側翻仿真結果如圖4所示。選取車頭與前車門附近變形最嚴重的立柱進行測量，立柱與地板角度變化量為25.6°；同時車身骨架嚴重侵入到生存空間，認為該車結構無法滿足GB 17578—2013要求的客車上部結構強度，需對其進行結構改進。

3 結構優化及仿真對比

3.1 結構改進

側翻的過程中內能較大的構件主要集中在側圍骨架、頂蓋骨架以及地板骨架的局部區域，其結構設計合理性對客車骨架上部結構強度有較大影響[6]，故對整車骨架結構改進如下：

(1) 側圍與地面接觸時，由于碰撞力的作用，側圍發生比較大的塑性變形，為了提高側圍和頂蓋封閉環的剛度，側圍立柱和頂橫梁骨架厚度由2 mm改為3 mm，并且在頂部和腰梁位置增加斜撐以提高局部剛度，如圖5所示。

圖4 立柱角度變化量

圖5 中段封閉環結構改進方案

(2) 司機上部底架結構在側翻過程中變形比較大，導致前部位置也侵入生存空間，因為結構的不合理導致碰撞力的能量沒有更好地從右側傳遞到左側骨架，使得局部變形過大，受力很不均勻，甚至局部型鋼有嚴重折彎現象。故在懸空比較大的位置增加斜撐以形成三角形結構，這樣不僅可以增加局部剛度，而且可以提高穩定性，同時增加與左側骨架的連接[7]，原結構與改進方案如圖6所示。其中，改進方案1是在原結構基礎上增加斜撐，改進方案2為在改進方案1的基礎上增加2 mm厚度的平板。

圖6 前段位置結構改進方案

(3) 后圍骨架也侵入到生存空間的根本原因是后排座椅后橫梁沒有和后圍立柱對齊，同時后排座椅后骨架的剛度也比較弱，不能更好地吸收后圍立柱傳遞過來的能量，導致局部變形也比較大[8]。后段位置結構優化方案如圖7所示，優化方案是在原方案的基礎上增加斜撐和立柱。

圖7 后段位置結構優化方案

3.2 改進后的仿真

優化方案完全落實后對其進行仿真分析，結果如圖8所示。優化后的側圍立柱隨時間變化變形量逐漸增加，到160 ms時客車車身變形達到最大，最大變形量沒有侵入生存空間，整車剛度有明顯的改善，滿足車身上部強度標準要求。

圖8 優化后最大變形示意圖

為了更好地評判優化方案與原方案局部剛度的變化指標，分別取有代表性的前、中、后段窗立柱對角線壓縮量大小進行優化前后對比，如圖9所示。由圖9可以看出，優化后對角線的壓縮量比原結構有明顯的減小，表明加強部位的剛度有很大提升，從而改善整車的側翻效果，進一步證明了優化方案的可行性。

4 結束語

通過側翻仿真分析，分別從前部、中部和后部位置提出了有針對性的優化設計，明顯提高了客車側翻安全性能，不僅縮短了產品研發周期，而且減少了研發成本,也為同行業設計工程師進行產品的開發提供了有效的參考依據。

圖9 窗立柱對角線壓縮量變化對比