客车侧面碰撞仿真研究

郭敬文 姚 成

客车侧面碰撞仿真研究

郭敬文 姚 成

厦门金龙旅行车有限公司

建立客车骨架的有限元模型，对客车与客车的侧面碰撞进行仿真研究。通过对其侧碰历程、能量变化、变形特征以及加速度变化的分析，得出客车侧碰的规律，并对客车的结构改进提出建议。

客车；侧碰；仿真

引言

汽车侧面是车体中刚度较薄弱的部位，对客车而言，一旦受到来自侧面的撞击，由于没有足够空间发生结构变形以吸收碰撞能量，车内乘员同撞击物之间仅隔着有限的空间，这就是侧面碰撞对乘员的伤害较其它类型的碰撞要严重的原因。在斜坡上或在转弯时发生的侧面碰撞，还有可能引起被撞汽车翻倾，可能导致车门框变形使车门不能开启，影响乘员逃离危险地带及对乘员的救援。因此，侧面碰撞对乘员可能造成的伤害不可轻估[1]。

但国内关于客车侧碰的相关研究却较少，本文利用有限元软件模拟仿真了两辆客车发生侧面碰撞，对其侧碰历程、能量变化、变形特征以及加速度变化进行分析，以检验被撞客车的安全性能，得出客车侧碰的规律，并做出相应的改进措施，减少客车侧面碰撞交通事故造成的危害。

1 客车有限元模型的建立

依照厦门金龙旅行车有限公司的试验车型，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。

1.1 侧碰模型前处理

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[2]：

（1）略去了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、前后悬挂、发动机、变速箱、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真车保持一致。

1.2 侧碰有限元模型

欧盟和美国均对乘用车制定了侧碰法规，试验中使用移动壁障作为等效侧面来车，但对客车还没有具体规定。为了更合理的获得客车侧碰信息，本文模拟了客车与客车的碰撞[3]，被撞客车的碰撞中心在中门侧的两轴中间。设定被撞客车处于静止状态，撞击客车移动初速度为50 km／h，方向垂直于被撞大客车车侧围。最终的侧碰有限元模型如图1所示，共有879614个单元，885703个节点。

图1 侧碰有限元模型

2 客车侧碰仿真结果分析

2.1 侧碰历程分析

汽车侧碰事故可分为侧碰前运动、侧向碰撞和侧碰后运动3个连续阶段。碰撞前的运动，通常是从发现对方车辆或障碍物等其它物体开始，接着采取制动和操纵转向盘等回避事故的操作：碰撞是指发生事故的车辆相互接触的过程，持续时间为0.13 s左右。在这个期间，两车交换动量，一部分动能以塑性变形的形式消耗掉。侧碰后，两车回弹且相互离开，做平移运动或平移加旋转运动。由于路面等的摩擦，碰撞后剩余动能被消耗掉，最终静止。

2.2 侧碰能量分析

侧碰能量历程曲线如图2所示，在碰撞过程中，撞击客车的动能减小，而骨架变形产生的内能增加。在0.13 s处，49.1%的动能转化为内能，约为5.5×105 J。此时，变形吸能基本结束，而动能在地面摩擦力等的作用下逐渐减小。

图2 侧碰能量图

2.3 侧碰变形分析

客车变形对乘员生存空间造成的侵入可以借用客车侧翻法规的有关规定进行评价。侧碰后，客车骨架变形集中在碰撞区域，尤其是客车骨架下端发生了向里凹陷的变形，如图3所示。图4为侧围的变形图，可以看出，中门立柱下端和行李舱门立柱出现了向里弯曲变形，这有可能导致中门无法正常自动开启和行李舱的损坏。图5为顶盖变形图，可以看到，2根长纵梁向车内有少许弯曲变形，但顶盖的变形没有对乘员的生存空间造成侵入。被撞客车前部和后部损伤较小，乘员生存空间不受影响。

图3 被碰客车变形图

图4 侧围变形图

图5 顶盖变形图

2.4 侧碰加速度分析

侧碰加速度是评价客车骨架耐撞性能的另一项重要指标，目的在于考察侧碰给车内乘员造成的伤害程度。为了能够全面地分析被撞客车车内驾驶员以及乘客在碰撞中的安全情况，现对客车车内驾驶员座椅地板处和乘客座椅地板处的合成加速度提取数据。由图6可得，驾驶员座椅处的最大加速度为15.6 g，出现在0.14 s;右侧第一排座椅处的最大加速度为23.8 g，出现在0.13 s；右侧中门处座椅的最大加速度为27.6 g，出现在0.13 s；右侧最后排座椅的加速度为15.5 g，出现在0.15 s。美国FMVSS214规定了乘用车的损伤准则，其中只规定了胸部和骨盆的损伤要求：胸部伤害指标（Thoracic Trauma Index）TTI﹤85 g（四门车）,TTI﹤90 g(二门车)，骨盆侧向加速度峰值﹤130 g。可见，此车的侧碰加速度值远小于规定值。

图6 侧碰加速度图

4 结论

通过进行两辆客车的侧碰仿真，对其侧碰历程、能量变化、变形特征以及加速度变化进行分析，了解了被撞客车的变形规律，变形区域，变形特征和冲击载荷造成的加速度范围，为试验车的下一步改进提供参考。

因此，根据仿真结果，可采取的措施有：增加客车中门立柱刚度，减小侧碰时立柱变形；合理分配侧围与车架刚度，使变形朝车架侧进行，以保护乘员生存空间；在客车前围处设置专门的吸能机构，以迅速地吸收能量，减少造成的损失。

[1] 雷正保,钟志华.汽车被动安全性研究中的几个问题及对策[J].湖南大学学报, 1999,26(1):33~42.

[2] 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,2007,26(7)：922~925,930.

[3] 王守江.客车整体骨架侧碰仿真与耐撞性分析研究[D ].武汉:武汉理工大学, 2007.

Simulation and Research of Bus Side Impact

Guo Jingwen , Yao Cheng

(Xiamen King Long Van Co., Ltd , Xiamen 361022, China）

A finite element model of bus skeleton was built. Simulation of bus’s side impact was made. The impact course, energy transformation, distortion character and change of acceleration were analyzed to obtain the side impact rule. An improvement method of bus body framework was proposed.

bus; side impact