公交車上部結構強度（側翻）分析與試驗*

王先君

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公交車上部結構強度（側翻）分析與試驗*

王先君

（廈門金龍旅行車有限公司，福建 廈門 361006）

2017年，亞洲開發銀行(Asian Development Bank)向巴基斯坦提供援助貸款，發展白沙瓦快速公交系統（Bus Rapid Transit），以此來改善當地城市公共交通。2018年5月，車輛供應商需要按照要求提供車輛設計方案，要求中涉及到“車身結構需要符合側翻標準（ECE-R66）”。亞洲開發銀行專家組要求車輛供應商需要對所提供的公交車上部結構強度依據ECE-R66進行側翻仿真，并提供相應的分析試驗報告。2018年12月，車輛供應商提交的報告經項目專家組審核通過。目前成品車已經在向巴基斯坦白沙瓦按照合同分批交付。

公交車側翻；仿真；上部結構；公交車安全

前言

隨著全世界各地，特別是發展中國家的城市化進程日趨加速，城市交通問題也同其它“城市病”一起變得越來越引起各國的重視，亟待解決。為改善城市交通狀況，提高民眾幸福感，現階段發達國家或地區普遍在發展軌道交通。鑒于軌道交通存在投資大、周期長和運營成本高等諸多因素，當今很多發展中國家會通過發展快速公交系統（BRT）來改善城市公共交通，緩解交通壓力。BRT系統就是采用傳統公交車，運用現代智慧交通系統（ITS）[1]，結合BRT專用車道（Lane）和類軌道交通的公交站臺，來實現類軌道交通[2]的公共交通服務系統。該系統投資相對較小，成效卻很顯著，是發展中國家的明智、經濟的發展選擇。但公交車安全問題也一直是人們致力于設法解決或完善的課題，其中側翻事故是頑疾，它所造成的交通事故約占所有事故的10%，傷亡率卻高達52%[3-4]。

為了降低客車側翻事故的傷亡率，許多國家制定了關于客車側翻碰撞安全性的法規。如，中國的法規GB/T 17598、澳大利亞的法規ADR 59/00和南非的法規SANS 1563[4]，當然最具代表性的是歐洲的法規ECE R66[5]，ECE R66內容到目前為止也是被引用最多的法規。本項目亞洲開發銀行專家組在評價車輛側翻安全性要求時，也是引用了該法規。本文也就是依照ECE R66法規要求進行了公交車動態側翻過程的仿真，評價設計車輛上部結構的變形及變形量侵入乘員生存空間的狀況，以此來判定公交車的安全性是否滿足要求，這也是ECE R66實施過最常用的驗證方式[6]。

1 應用軟件

在本次分析中，主要使用了HyperMesh前處理器、Hyper View后處理器和LS-DYNA求解器。

2 模型建立

2.1 生存空間

法規中對整車生存空間的定義：車輛生存空間的外輪廓通過在車廂內建立一個垂直橫截面進行確定，其邊緣如圖1（a），將此垂直橫截面移動穿過整個車長見圖1（b），SR點位于外側每個朝前或朝后的座椅靠背前表面，距離乘客腳下地板500 mm（這里不考慮發動機艙等引起的地板高度局部變化），距離側圍內表面150 mm[7]。

圖1 生存空間定義（單位：mm）

2.2 整車模型信息

整車結構件采用板殼單元進行離散，盡可能采用四邊形板殼單元來模擬，為滿足高質量網格的過渡需要也會采用少量三角形單元[8]；焊點采用rigid單元模擬；骨架材料為Q345和Q235，采用*MATL24本構模型進行模擬。整車有限元模型如圖2所示。整車初始位置質心坐標（7499.036mm，-1.88086mm，841.7993mm）。

圖2 整車有限元模型

3 邊界條件

3.1 臨界側翻角的確定

以較弱一側進行側翻仿真試驗，以下計算過程示例（右側側翻）。整車放置于可傾斜的側翻平臺上，將懸架鎖止，再慢慢地傾斜到一個不穩定的平衡位置。“臨界側翻角”是指車輛停放在一定角度的坡道上保持平穩而不發生側翻的最大坡道角。

整車初始位置（圖2）：質心坐標（7499.036mm，-1.88086 mm，841.7993mm）；

整車失穩位置（圖3）：質心坐標（7499.036mm，1219.291 mm，1384.621mm）；

在失穩位置，車輛質心至地面的高度h1為2545.002mm。臨界側翻角為47.932deg。

圖3 失穩位置示意圖

3.2 側翻過程中車輛質心垂直位移的確定

初始碰撞位置（圖4）：質心坐標（7498.405mm，2670.36mm，514.3863mm），此時整車質心至地面的高度h2為1674.7673mm，跌落高度為：Δh=h1–h2= 870.2347mm。

圖4 初始碰撞位置

3.3 初始碰撞位置的動能及角速度計算

整車從失穩位置至地面初始碰撞的過程中，僅由重力做功，整車與地面初始碰撞時刻的動能由勢能轉換所得。

根據能量守恒定理，臨界側翻時刻動能加上重力勢能等于接觸地面時刻動能加上重力勢能，即：

其中，EK為接觸地面時刻動能（約144.78kJ），m為總質量22595kg，J 為整車轉動慣量，0為臨界側翻時刻角速度0.87 rad/s，1為接觸地面時刻角速度。

由LSDYNA計算可得，整車轉動慣量J為92252.86。代入公式1，可得觸地時的角速度1=1.771rad/s。車身與地面的摩擦系數，取用0.7。

4 分析結果

4.1 能量曲線

整車右側側翻能量變化曲線如圖5所示。沙漏能（Hour glass Energy）為總能量的0.22%，滑移能（Interface Energy）為總能量的1.4%，能量變化在合理的范圍內。

圖5 能量曲線

4.2 側翻歷程

圖6 右側側翻歷程

4.3 乘員生存空間評價

在公交車側翻過程中，頂蓋最先與地面發生接觸，隨著時間的增加，公交車車身側圍立柱逐漸發生變形。根據相關法規的要求，對仿真計算結果中車輛立柱對生存空間的侵入情況進行測量[9]。在這個過程中，主要考察側圍立柱的變形是否侵入生存空間，由于客車車身側圍各部位立柱的變形量不同，因而分別考察各位置的側圍立柱從計算開始時到計算結束過程中與生存空間的最小距離。

圖7 測量點示意圖

如圖7所示，生存空間頂點P1水平投影到側圍立柱表面得到投影點P2，測量P1到P2的距離D1。按照法規要求整車側翻試驗過程中和側翻后，生存空間之外的車輛其他部件，不得侵入生存空間，即D1必須大于0 mm。從側圍所有立柱（編號A~G）上分別選取上測量點，如圖8所示，測量側圍立柱的變形是否侵入生存空間，其結果如表 1 所示。

圖8 側圍立柱示意圖

右側側翻，在右側圍A~N柱及生存空間取測量點，測量點間距隨側翻時間曲線如圖9所示。

圖9 側圍立柱與生存空間間距曲線

表1 側圍立柱侵入量

由表1可得，側圍立柱均未侵入生存空間，并且具有一定的安全余量，側圍N立柱生存空間余量最小，最小余量達到234mm。

5 結論

基于ECE R66法規要求對該項目設計公交車上部結構強度仿真分析，根據仿真結果，側圍立柱均未入侵乘員生存空間，并且具有一定的安全余量，車身結構滿足法規及項目要求。

[1] 北京交通大學經濟管理學院.運輸經濟與物流評論第1輯[M].北京:中國經濟出版社.2010.07.

[2] 吳曉,邱欣,施俊慶.交通運輸設備[M].北京:人民交通出版社, 2015.02.

[3] Parker D.K, Ray R.M, Moore T.L.A, et al. Rollover severity and occupant protection a review of NASS/CDS data [J]. SAE Technical Paper 2007-01-0676,2007.

[4] 洪漢池,黃洪武.客車側翻碰撞中安全帶對乘員損傷的影響分析[J], 重慶大學學報, 2016.6.

[5] ECE R66 E/ECE/324 Rev.1/ Add.65/ Rev.1. Uniform technical presc riptions concerning the approval of large passenger vehicle with reg -ard to the strength of their superstructure[S]. United Nations,2006.

[6] 劉正愚,劉志宇.客車側翻試驗[J].四川兵工學報,2010(12).

[7] 中國汽車技術研究中心標準化研究所.汽車標準匯編2013上[S], 北京:中國標準出版社, 2015.03.

[8] 李彩霞.面包車白車身結構分析[J],機械強度, 2016.

[9] 梁卓,吳磊,沈光烈,等.殼式客車側翻安全性仿真及其設計研究[J]. 廣西科技大學學報,2016,27(4).

Analysis and Test of City Bus Superstructure Strength (Rollover Simulation Test)*

Wang Xianjun

（Xiamen Golden Dragon Bus Company Limited, Fujian Xiamen 361006）

In 2017, Asian Development Bank (ADB) provided assistance loan to Pakistan for developing a Bus Rapid Transit system (BRT) in Peshawar, in order to improve local urban public transport. In May 2018, the vehicle supplier was required to provide vehicle design proposal as per requirements, which involve "The structure shall meet the compliance standards for the rollover test stipulated through Regulation 66 of the United Nations Economic Commission for ECE-R66". The ADB expert team required the vehicle supplier to carry out rollover simulation on the strength of the city bus superstructure according to ECE-R66 and provide corresponding Analysis and Test report. In December 2018, the report provided by the vehicle supplier was approved. At present, the finished vehicles have been delivered to Peshawar, Pakistan in batches according to the contract.

City Bus Rollover; Simulation; Superstructure; City Bus Safety

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.10.051

U467

A

1671-7988(2019)10-147-04

U467

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1671-7988(2019)10-147-04

王先君（1981.10-），男，工程師，就職于廈門金龍旅行車有限公司，主要從事客車產品客戶需求研究。

亞洲開發銀行融資援助巴基斯坦項目（Loan Number 3543-PAK）。