公路客車中段側翻有限元分析與結構優化

范春海

（石家莊中博汽車有限公司，石家莊，050800）

1 引言

近年來，客車安全事故頻發，客車的安全性能日益受到各大生產廠家和客戶的重視。據統計分析在各種客車交通事故中，側翻是傷亡率最高的形式之一，常常造成群死群傷的結果。因此，對大型客車的側翻安全性能進行分析研究，提高其抗側翻能力，具有重要的現實意義。

車身骨架中段結構是客車車身結構的基本組成單元之一，在側翻實驗認證中是最危險的結構單元，因此在整車開發初期的結構方案階段，需要對該結構進行充分的分析與優化設計，使之滿足側翻法規要求，在設計階段完成對結構優化。

本文依據國內GB17578－1998及歐盟關于客車側翻安全性的ECER66-00法規，對某12m大型全承載客車中段進行CAE建模和方案對比分析，在此基礎上調整優化結構，以滿足側翻認證要求。

2 GB17578－1998側翻結構的探討和仿真分析

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進行計算，該中段配重為3.2t，重心高度根據實測為1440mm距離地面；若配置人的一半的重量則按照34kg/人進行配重。

2.1 材料屬性

本項目所研究客車的骨架結構方鋼采用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。

表1 方鋼材料屬性

2.2 方案對比分析

結合目前國內外常用客車車身結構，選取其中4種典型結構方案根據GB17578－1998進行對比分析，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：

圖1 方案A結構形式

圖2 最大變形時刻（侵入42mm）

圖3 側圍大變形區域

圖4 分段實驗破壞情況

從上面分析結果可得出：方鋼與另一方鋼表面直接焊接，在抗側翻瞬時彎曲作用下，會發生焊接方鋼表面被撕裂的情況，故盡量避免彎曲的轉軸為焊接在方鋼表面的焊道。需要進行焊道的轉移或是局部加強。

2.2.2 方案B分析

說明：整體式腰梁，側圍上邊框斷開，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：八角擴大了焊縫的長度，提高了根部的強度，但是對于側翻的貢獻很有限。仍然侵入38.7mm。

圖5 方案B結構形式

圖6 最大變形時刻（侵入38.7mm）

圖7 補強區域變形

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：

圖8 方案C結構形式

9 最大變形時刻（侵入9mm）

圖10 補強區域變形

如圖可得出：腰梁打斷，貫通窗立柱，充分發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

圖11 方案D結構形式

圖12 最大變形時刻（仍有24mm間隙）

圖13 補強區域變形

生存空間沒有被侵入，并有24mm的距離。

2.2.5 小結

根據以上的各個方案分析與研究，總結出側圍立柱貫通，延伸至下腰梁，同時采用為Q345口60*50*3.0mm為側圍最佳結構方案。

3 歐盟ECER66-00半載側翻結構的探討和仿真分析

結合上述4種方案分析結果對方案D進行加半載的歐盟ECER66-00分析并優化。

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量單元進行加載。整體重心高度提高至距離地面1567.6mm，如下圖所示。

圖14 初始設計半載有限元模型

圖15 結構最大變形時刻a

圖16 結構最大變形時刻b

圖17 側翻過程能量變化情況

從以上可看出：最大變形時刻侵入生存空間67mm，整個碰撞能量較未加載多出25%以上。從整體結構的變形情況來看，頂蓋變形較大，側圍立柱腰梁上部內凹，腰梁部分傾斜較大，無法完全抵抗變形，需要改進提高頂蓋及腰梁部分的結構強度。

3.2 加半載分析優化設計方案

經過十幾個方案的反復修改與分析驗證，最終得到可以通過半載的結構方案，如下圖所示。主要正對頂蓋與腰梁進行加強。

通過結構改進與優化，結構剛好通過半載側翻碰撞狀態，滿足生存空間需求。

圖18 頂蓋結構加強方案

圖19 側圍結構加強方案

圖20 加強后結構變形最大時刻

圖21 加強后最大變形時刻的生存空間情況

4 結論

本文通過對客車典型分段結構進行結構分析與研究，在客車前期設計方案選擇時期，可以較快實現結構方案的對比與分析，確定最優設計方案進行結構定版，在設計階段消除一些結構上的缺陷，提高了設計的科學性，并縮短了結構優化與開發的周期。通過有限元建模并進行側翻碰撞分析，得出了車身上部結構特別是側圍立柱和頂蓋的不足之處，據此提出優化改進方案，最后的仿真分析表明所提方案能保證生存空間在整個側翻過程中都不受到侵入，從而滿足ECER66-00側翻半載法規要求。