客车车身侧翻刚度仿真研究

郭敬文;姚成

【摘 要】建立客车骨架的有限元模型,依照ECE R66法规,使用LS-DYNA软件对其进行侧翻仿真分析.在此基础上,分别改变客车顶盖、侧围和前后围的材料,并再次进行仿真计算.对比仿真结果发现.增强前后围刚度可有效提高整车的侧翻刚度. 【期刊名称】《客车技术与研究》 【年(卷),期】2011(033)001 【总页数】4页(P5-8)

【关键词】客车;骨架侧翻;刚度;仿真 【作 者】郭敬文;姚成

【作者单位】厦门金龙旅行车有限公司,福建,厦门,361022;厦门金龙旅行车有限公司,福建,厦门,361022 【正文语种】中 文 【中图分类】U463.82+2

车身是客车的关键部件，它不仅应具有足够的静态强度和刚度，还应有良好的侧翻强度和刚度。因为在客车事故中，虽然侧翻事故发生的几率较小，但是其事故的伤亡程度远远高于前碰撞和侧面碰撞[1-2]。因此，进行客车侧翻强度和刚度的研究非常重要。考虑到目前客车骨架制造的轻量化趋势，不能盲目通过加强构件来增强客车强度和刚度，所以必须通过反复的电脑仿真分析来探索合适的结构。 ECE R66是欧盟制定的评价客车车身上部结构强度的法规，其中详细规定了客车

在侧翻后要保持乘员的生存空间。本文按照法规规定，以本公司某款试验车型作为研究对象，建立其骨架的有限元模型，使用LS-DYNA进行仿真分析；然后分别改变客车顶盖、侧围和前后围的材料，并进行计算分析。

ECE R66所规定的侧翻试验过程如图1所示。即将客车整车置于符合R66标准要求的侧翻台上，让侧翻平台缓慢绕旋转轴转动，使整车慢慢侧倾，当越过临界位置后，整车在自身重力作用下运动至与硬质地面碰撞。碰撞结束后，车身骨架的最大变形必须满足所规定的生存空间。

依照研究车型和R66法规，首先在UG平台做出三维模型，并抽取中面，导入前处理软件中进行网格划分、单元检查、边界条件和载荷的施加、参数设置等前处理，然后导出K文件，并提交LS-DYNA计算。

为了提高分析精度，有限元模型采用板壳单元和实体单元，建模过程中遵循以下简化原则[3]：

1）略去蒙皮和一些非承载件（如玻璃、内饰件、埋板、地板和各种功能件等），只保留主体承载骨架。

2）忽略承载结构上的工艺孔、安装孔、凸台和翻边等工艺特征。

3）壳单元基准面为客车实际结构的中面，结构间的连接关系采用节点耦合、刚性连接、焊接和接触设置等模拟。

4）轮胎、前后悬架、发动机、变速器、空调、座椅等以刚性体形式分布在各支撑点上。

5）不考虑骨架结构在焊接过程中出现的变形和残余应力等。 6）有限元模型质量和重心位置与实车保持一致。

客车有限元模型中主要用到三种材料模型：对于不参与变形的部件，如配重、轮胎，选用20#材料模型，即刚性材料模型*MAT_RIGID；对于焊点单元，采用100#材料模型，即*MAT_SPOTWELD；对于客车骨架，采用24#材料模型，即多线段弹

塑性材料模型*MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY，其中车身各部分，包括顶盖、前围、后围、侧围均采用20#碳素钢材料，车架采用20#碳素钢和16 Mn合金钢材料。材料特性见表1。

在侧翻过程仿真分析中，为防止不同部件之间相互穿透或者部件产生大变形时自身产生穿透，需要对可能接触部件表面之间的接触类型以及与接触相关的一些参数进行定义。对于客车骨架自身接触[4]，使用

*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURF-ACE定义；客车与地面的接触使用*RIGIDWALL_PLANAR定义；焊点与骨架的接触使用*CONTACT_SPOTWELD定义。

边界条件考虑客车撞地前一刻车身骨架的速度和重力加速度：

1）骨架从开始翻转至骨架接触地面前一刻，整个运动过程为刚体旋转运动。为节省LS-DYNA求解时间，预先将骨架向车门侧旋转至接触地面前一刻[5]（骨架与地面间隙5mm），作为分析的初始条件。见图1，可以测得，骨架未翻转时，质心CG距翻转台平面1370 mm；当其旋转至临界位置时，质心CG′距翻转台平面1821 mm；当其旋转至与地面距离为5 mm时，质心CG″距翻转台平面为738 mm。于是可得质心变化高度h=1083 mm。骨架开始翻转时，初始角速度ω按5°/s（0.087 ω/s），旋转半径r为1821 mm。根据能量守恒定理有： 代入相关数据，可求出车身骨架接触地面前一刻时速度v=4612.33 mm/s。 用关键词*INITIAL_VELOCITY_GENERATION在LS-DYNA中定义骨架速度。 2）侧翻过程要考虑重力加速度，取重力加速度9810 mm/s2，方向垂直地面朝下，用关键词*LOAD_BODY_Z及*DEFINE_CURVE定义。

最终的侧翻有限元模型如图2所示，共有411973个单元，416690个节点。 由于在骨架翻转过程中，车架变形很小，为能测量客车骨架的变形（见图3，图中虚线代表生存空间，L1和L2为所要测量的距离），在客车乘客门侧的车架处放置

基准标杆，取前门立柱、侧窗立柱1和侧窗立柱2三处，见图4。通过测量客车骨架侧翻后标杆与侧围立柱间的距离来判断分别改变客车顶盖、侧围和前后围的材料后，车身的侧翻刚度变化情况。

沙漏模式是一种在数学上是稳定的、但在物理上无法实现的状态。在分析中沙漏变形的大量出现会使结果无效，因此，限定总体沙漏能不超过模型总体能量的3%；质量缩放指的是通过增加非物理的质量到结构上从而获得大的显式时间步长，以节省分析时间，但质量增加不应超过3%，否则对分析结果影响很大。从图5可知，沙漏能占各阶段总能量的百分比均小于3%；从图6可知，质量增加在各阶段均小于1%，因此，该仿真计算结果符合要求，是可信的。

整个仿真计算分析的时间段为0.3 s，图7所示为骨架总能量（Total Energy）、动能（Kinetic Energy）、内能 （Internal Energy）、沙漏能 （Hourglass Energy） 和滑移能（Interface Energy）的变化情况。从中可以看出，客车撞击地面后，动能减小，内能增加；在0.11 s时刻客车骨架动能达到最小、内能最大，之后骨架变形开始回弹并向前滑行，动能略有增加并最终趋于平衡[6-7]。 图8是0.11 s时刻客车的变形对比图。从中可看出，客车骨架在侧翻碰撞后，其变形主要是侧围立柱自身变形、侧围立柱绕腰梁的变形和顶盖的变形。变形结果如表2中“原型栏”所示。

为了解客车顶盖、侧围和前后围的刚度变化对整车侧翻刚度的影响，制定了以下三种方案。

方案一：加强前后围处刚度。变更前后围的横梁和立柱的材料为16Mn。 方案二：加强左右侧围处刚度。变更左右侧围立柱材料为16Mn。 方案三：加强顶盖的刚度。变更顶盖横梁材料为16Mn。

原型和三种改进方案的侧翻变形过程中标杆与侧围立柱的最大距离见表2。 从表2中可看出：

方案一对客车骨架前后围做了加强。与原型相比，客车侧翻刚度明显提高，但值得注意的是，前门立柱下处的变形较之原型增大。

方案二对客车骨架左右侧围做了加强。与原型相比，客车骨架侧翻刚度有所增加，但不很明显。

方案三对客车骨架顶做了加强。与原型相比，客车骨架侧翻刚度竟有所减小，致使客车前部、中部变形增大。

结合图8可看出，方案二虽加强了侧窗立柱的刚度，但并没有改变其绕腰梁向内变形的趋势，因此，对整体车身侧翻刚度的提高影响较小；方案三增强了顶盖的刚度，减少了顶盖的变形，但碰撞总能量不变，致使侧围立柱吸收了更多的能量，变形加剧。方案一由于加强了前后围的刚度，减轻了侧窗立柱绕腰梁向内变形的趋势，因此，整体右侧的刚度提高。

就整车侧翻刚度而言，增强前后围的刚度比单纯增强左右侧围或顶盖刚度的效果要好。事实上，客车骨架是一个相互联系的整体。当单纯增强某部分刚度时就有可能相对削弱另一部分的刚度，致使变形朝弱刚度方向集中。理想状态的骨架应该是一个刚度均衡但有差别的结构。观察所规定的生存空间，可以发现其上部至顶盖尚有不少距离可供有益变形所用。不妨就此设想，是否可以找出一种结构，当侧翻碰撞时，可诱导变形使之向顶盖内或外侧变形，以吸收碰撞产生的大部分能量，从而减轻侧围立柱绕腰梁向内变形的趋势。

【相关文献】

[1]高水德，张绍理，姚常青.国外客车被动安全研究[J].客车技术与研究，2006，（3）：7-10. [2]何汉桥，张维刚.我国客车安全综述[J].客车技术与研究，2007，（2）：3-4.

[3]何汉桥，张维刚.高床大客车侧翻结构安全性仿真研究[J].机械科学与技术，2007，（7）：922-925.

[4]白金泽.LS-DYNA 3D理论基础与实例分析[M].北京：科学出版社，2005.

[5]付爱军.GL6460L轻型客车的翻滚碰撞安全性[D].长沙：长沙理工大学，2008.

[6]邰永刚，孙凌玉，周喆.大客车翻滚碰撞性能研究与改进设计[J].机械科学与技术，2005，（12）：1420-1422.

[7]周宇，雷正保.客车动态翻滚试验仿真研究[J].汽车科技，2005，（5）：37-39. 修改稿日期：2010-11-10