基于客車正碰標準的防撞吸能結(jié)構(gòu)仿真計算分析

【摘" 要】隨著交通安全意識的不斷提高，客車的碰撞安全性越來越受到關(guān)注。文章通過對《JT-T 1369—2020 客車正面碰撞的乘員保護》標準的深入分析，設計一種全承載客車的前部防撞吸能結(jié)構(gòu)。經(jīng)過仿真計算驗證，該結(jié)構(gòu)能夠確保乘客生存空間滿足設計要求。

【關(guān)鍵詞】客車正碰;防撞吸能;生存空間

中圖分類號：U469.1" " 文獻標識碼：A" " 文章編號：1003-8639（ 2024 ）12-0058-03

Simulation Calculation of Anti-collision Energy-absorbing Structure Based on"Bus Frontal Collision Standard

【Abstract】Through the analysis of JT-T 1369—2020 Occupant Protection for Passenger Cars in Frontal Collisions，this paper designs a front anti-collision energy-absorbing structure of a full-load passenger car and the simulation calculation proves that the passenger living space of this structure meets the design requirements.

【Key words】passenger car collision;anti-collision energy absorption;living space

國標《JT-T 1369—2020 客車正面碰撞的成員保護》的正式實施，無疑為客車行業(yè)帶來了重大變革。它對客車結(jié)構(gòu)的設計提出了更高的要求，促使客車制造商重新審視和優(yōu)化其設計理念與方法。

在該標準實施之前，客車結(jié)構(gòu)設計技術(shù)主要著眼于強度、剛度、NVH等方面。這些方面固然重要，但卻往往忽視了碰撞安全性對駕駛員和乘客的空間保護要求。而新國標的出現(xiàn)，及時填補了這一空白，將碰撞安全性提升到了一個新的高度。該國標的主要內(nèi)容摘要如下所述。

1）適用于M2、M3類中B級和III級客車，不適用專用校車和專用客車。

2）100%正面剛性壁障碰撞。

3）初始速度目前設定為30～32km/h，以后的標準可能會增加為50km/h，且在整備質(zhì)量狀態(tài)下進行。

4）目前參考貨車的前部擺錘試驗，由于撞擊能量不夠，擬不再采用。

5）檢測駕駛區(qū)、第4排座椅前方乘員損傷、約束系統(tǒng)可靠性、車門開閉、汽油箱泄漏和電動車電系統(tǒng)的安全情況。

1" 評價指標和試驗結(jié)果

乘用車整車碰撞中外標準差異，詳見表1。

客車乘客區(qū)傷害值主要指標詳見表2。

試驗中和試驗后，駕駛區(qū)和前排乘客區(qū)乘客應具有生存空間，如圖1所示。

其它碰撞試驗要求[1]：①安全帶不發(fā)生失效;②前門碰撞中不能脫落，碰撞后無要求;③中門和安全門碰撞中不能開啟，碰撞后要求能夠正常打開;④座椅保持鎖止狀態(tài)，不垮塌，固定件不應失效;⑤加速度響應符合要求。

碰撞后車身變形，主要集中在A柱和B柱之間的區(qū)域，B柱和C柱之間的區(qū)域為變形過渡區(qū)域，C柱之后是非變形區(qū)。這表明在設計客車結(jié)構(gòu)時，應重點加強A、B柱區(qū)域的強度，以減少碰撞對乘員艙的影響。

使用3點式安全帶，所有車型的假人頭部傷害指標都符合要求;使用2點式安全帶，只有73.4%車型的假人頭部傷害指標符合要求，并且不利于頸部的保護。頸部和身體的傷害指標，3點式安全帶符合要求的比例也大于2點式安全帶，所以推薦使用3點式安全帶。未來3點式安全帶可能作為標配，以更好地保護乘員安全。

試驗樣車的前門普遍被擠出或者卡死，這是一個需要關(guān)注的問題，可能需要對前門的結(jié)構(gòu)和安裝方式進行優(yōu)化。而所有樣車的中門碰撞后開啟正常，這表明中門的設計和安裝在一定程度上能夠滿足碰撞后的逃生要求。

目前大部分客車的碰撞減速度峰值超試驗條件，解決方案：①優(yōu)化結(jié)構(gòu)，增加吸能縱梁，降低減速度峰值[2-5];②采用3點式安全帶，降低減速度對人體的傷害[6-7]。

2" 客車結(jié)構(gòu)設計建議

1）長頭車具有正碰優(yōu)勢。

2）平頭車前部增加壓潰式吸能縱梁（例如亞商大VAN），增加前部結(jié)構(gòu)的壁厚和復雜度，優(yōu)化傳力途徑，可以減少前部結(jié)構(gòu)變形。3段式車架的前縱梁可以有效減少前部結(jié)構(gòu)變形，但同時由于碰撞強度過大，吸能效果不好，會增加碰撞減速度的峰值。

3）從結(jié)構(gòu)安裝和設計上減少方向盤對駕駛員的侵入，例如碰撞自動翻轉(zhuǎn)式方向盤。

4）以后3點式安全帶可能是標配，設計側(cè)上方的安全帶固定點。

5）確保碰撞后前門、中門滿足要求。

6）滿足汽油箱密封要求。

7）滿足電動車的電系統(tǒng)安全。

3" 某型全承載公路客車的防撞結(jié)構(gòu)方案設計

3.1" 初始設計

某型全承載公路客車模型如圖2所示，其前部防撞結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。

防撞吸能結(jié)構(gòu)由2mm壁厚的吸能盒+內(nèi)部2mm十字筋組成，盒子側(cè)邊開坡口，有利于壓潰吸能，吸能盒左右側(cè)各一個[8-9]。前部方向盤和座椅布置如圖4所示。

方向盤距離假人胸部195mm，距離座椅后背365mm。碰撞后前部骨架變形如圖5所示。

碰撞后前圍骨架變形，擠壓方向柱安裝支架向后，使得與之連接的方向盤向后傾倒并與駕駛員座椅接觸，這成為侵入的主要原因，同時也應作為設計改進的主要著眼點。在后續(xù)的設計中，可以考慮增強前圍骨架的強度，優(yōu)化方向柱安裝支架的結(jié)構(gòu)，以減少碰撞時對方向盤的擠壓。

駕駛區(qū)地板垂直剛度較小，導致垂直變形折彎，使駕駛椅向前傾倒并與方向盤接觸，這是侵入的次要原因。針對這一問題，可以通過提高駕駛區(qū)地板的垂直剛度，例如采用更堅固的材料或增加加強筋等方式，來減少地板的變形。

整車變形量為425.36mm，其中前部車架變形量為121.3mm，車架變形不算大。這表明車架在碰撞中起到了一定的支撐作用，但仍有改進的空間。可以進一步優(yōu)化車架的結(jié)構(gòu)設計，提高其抗變形能力。

前部防撞吸能盒變形圖如圖6所示。通過對防撞吸能盒變形圖的分析，可以了解其在碰撞中的吸能效果和變形模式，為進一步改進吸能盒的設計提供依據(jù)。例如，可以調(diào)整吸能盒的材料、形狀或安裝方式，以提高其吸能性能，減少碰撞對駕駛區(qū)的侵入。

吸能盒吸收能量占總能量的比例達到43.98%，效果顯著，其中碰撞總能量（4.986×105）kg·m2，吸能盒最大吸收內(nèi)能（2.19×105）kg·m2。這表明吸能盒在碰撞過程中發(fā)揮了重要的吸能作用，有效減少了碰撞對車輛其他部位的沖擊。基于此，提出改進建議：方向管柱安裝支架前端不要超過A柱前端X位置，這樣壁障擠壓前圍變形時不會接觸到方向管柱安裝支架，導致向后傾倒。

3.2" 改進設計

為提高客車的碰撞安全性，提出了以下改進措施：①駕駛區(qū)地板骨架加強;②方向管柱安裝支架上的離合器支架取消，如此可以讓臂障和支架接觸的X位置后移;③由于總布置的限制，方向管柱安裝支架前端不要超過A柱前端X位置的方案暫時實施不了。改進后的計算結(jié)果如圖7所示。

經(jīng)過計算，改進后的客車結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出令人滿意的結(jié)果。方向盤距離座椅后背達到210mm，與假人胸部無接觸，有效避免了在碰撞過程中方向盤對假人胸部造成傷害。同時，方向盤距離座墊151mm，與假人腿部也無接觸，滿足設計要求。

4" 結(jié)論和展望

通過上述研究可以明確看出，經(jīng)過仿真計算驗證的防撞吸能結(jié)構(gòu)在當前階段能夠滿足設計要求。然而，要將其定型后推向市場，實車測試是必不可少的環(huán)節(jié)。目前，此項工作正在積極進行中，這將為該結(jié)構(gòu)的實際應用提供更加可靠的依據(jù)。

另外，由于公司目前沒有數(shù)字假人模型，有關(guān)假人傷害值的計算結(jié)果暫缺，這是當前研究中的一個不足之處，有待日后進一步完善。在未來的工作中，可以考慮引入數(shù)字假人模型，以更加準確地評估防撞吸能結(jié)構(gòu)在碰撞中的保護效果，為客車的安全性能提升提供更全面的數(shù)據(jù)支持。

總之，雖然目前的研究取得了一定的成果，但仍有許多工作需要繼續(xù)推進和完善。相信隨著技術(shù)的不斷進步和研究的深入開展，客車的防撞吸能結(jié)構(gòu)將不斷優(yōu)化，為乘客的生命安全提供更加堅實的保障。

參考文獻：

[1] JT-T 1369—2020，客車正面碰撞的乘員保護[S].

[2] 陳有松，孫萬朋，安超群，等. 基于低速正碰的吸能盒式防撞梁吸能特性研究[J]. 現(xiàn)代制造工程，2018（3）：53-58.

[3] 李曉英，曾鋒. 基于HyperMesh的6125型大客車正面碰撞安全性研究[J]. 鹽城工學院學報（自然科學版），2021（6）：17-21，34.

[4] 黎勇，吳長風，藍平輝，等. 大客車正面碰撞結(jié)構(gòu)耐撞性分析與改進[J]. 客車技術(shù)與研究，2017（1）：10-13.

[5] 楊延功. 某11米全承載客車正面碰撞分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2019（3）：66-68.

[6] 司俊德. 正面碰撞事故中大客車乘員損傷影響因素分析[J]. 中國安全生產(chǎn)科學技術(shù)，2020（6）：184-188.

[7] 周登科. 客車前撞吸能特性與乘員損傷機理的研究[D]. 長沙：湖南大學，2016.

[8] 米林，魏顯坤，萬鑫銘，等. 鋁合金保險杠吸能盒碰撞吸能特性[J]. 重慶理工大學學報，2012（6）：1-7.

[9] 曲明. 汽車吸能盒結(jié)構(gòu)低速正面撞擊的數(shù)值仿真研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學，2008.