客车蒙皮对侧翻安全性的影响分析∗

邵珊珊，郭世永，郗欢欢

（青岛理工大学车辆工程机械研究所，山东青岛 266033）

客车蒙皮对侧翻安全性的影响分析∗

邵珊珊，郭世永，郗欢欢

（青岛理工大学车辆工程机械研究所，山东青岛 266033）

基于ECE R66法规和非线性有限元方法进行碰撞仿真的原理，以某6137型大客车为研究对象，分别建立了车身骨架有限元模型和带蒙皮的整车车身有限元模型，通过车身立柱变形和碰撞能量结果两项指标，对比分析客车蒙皮对侧翻碰撞仿真分析结果的影响程度。仿真分析结果表明：客车蒙皮在侧翻碰撞仿真分析中影响程度较大，可以吸收系统3.3%左右的能量，使立柱变形量可以减少23 mm左右。故在利用有限元法检验客车侧翻安全性时，不能忽略客车蒙皮的影响。

侧翻安全性；仿真精度；有限元分析；客车蒙皮

1 前 言

随着客车交通事故的不断增加，尤其是侧翻事故造成的高死亡率，客车侧翻碰撞安全性日益受到人们重视［1］。客车动态侧翻实验为破坏性实验，成本过高且不容易再现，因此采用CAE技术进行客车侧翻安全性尤为必要。但目前国内在利用有限元方法研究客车侧翻问题时，对车身结构都做了不同程度的简化，大都忽略了蒙皮的影响［2］，从而导致仿真结果与实际情况存在一定的差异。在本文中通过某6 137型大客车车身骨架侧翻碰撞仿真分析，对比验证大客车蒙皮对碰撞仿真分析结果的影响程度。

2 客车侧翻仿真模型的建立

2.1 有限元模型的建立

分析对象为13.7 m长的6 137型客车，发动机采用后置形式，车身骨架为全承载式设计，为确保计算的精确性，此次仿真分析选用全板壳单元进行计算。直接在有限元软件MSC.PATRAN中建立几何模型。为方便建模和减小计算量，轮胎模型可以直接从VPG软件中调取。其他部件如顶置空调、玻璃、座椅等，均以等效配重的方式分布在对应几何位置的节点上［2］，目的是保证所建立的有限元模型整车质心高度与实际质心高度的偏差不超过20 mm。

在碰撞大变形仿真的过程中，单元类型与大小对仿真精度有很大影响［3］。由于车身骨架主要是薄壁结构，因此单元类型主要选择带沙漏控制的四边形壳单元，此外模型中还包括六面体单元、弹簧单元和弹性单元。客车侧翻碰撞时，其车身上部结构是研究的重点部分［4］，因此在保证计算速度的基础上，上部结构的网格划分尽量密一点，以提高计算精度。本文通过几次调试计算最终确定了上部结构的网格大小为20 mm，其余部分30 mm，蒙皮网格尺寸为50 mm。整个客车模型共包含个156 380壳单元、784个焊接单元、237 650个节点。建好的有限元模型如图1所示。对该大客车顶部、两侧以及前后部都建立蒙皮，来考虑蒙皮在侧翻中的影响程度。蒙皮材料选用冷轧钢，并用spotweld无质量焊点与车身骨架进行连接。建立好的含蒙皮的整车有限元模型如图2所示。其余参数设置和整车骨架侧翻模型设置相同。

2.2 翻滚平台的有限元模型建立

本文采用无限平面的固定刚性墙，在整个侧滚碰撞过程中刚性墙不发生任何变形［5－6］。根据 ECE R66法规建立的翻滚平台距离地面高度为800 mm，侧翻角度调到临界侧翻角35°，再对其进行网格划分，网格大小定为100 mm，然后给其赋予单元属性和材料属性，单元为壳单元，材料为刚性材料。将大客车模型安放在翻滚台模型上。最终建立的翻滚平台如图3所示。该客车有前中后三组轮胎，为保证客车骨架侧围和顶盖结合处先着地，因此要在翻滚台上建立相应的前中后3个高度为80 mm的挡板，挡板模型如图4所示。

图2 含蒙皮的整车有限元模型

图1 车身骨架有限元模型

图3 大客车骨架侧翻碰撞有限元模型

图4 挡板模型

3 客车侧翻碰撞结构变形分析

分别将整车骨架有限元模型和带有蒙皮的有限元模型放置在侧倾平台上，采用LS－DYNA进行翻滚碰撞分析，整个碰撞的时间历程为从客车开始侧翻到客车侧翻撞地变形不再变化为止，共250 ms。选择0.087rad／s的侧翻速度下，验证比对蒙皮对客车侧翻碰撞的影响。图5为碰撞结束时骨架模型与含蒙皮整车模型最大变形量对比图，可以看出添加蒙皮后客车整体变形较之前有所减轻。

图5 最大变形量对比图

4 立柱变形分析

图6为侧翻速度为0.087 rad／s时第4测量点到标杆的变化量对比图，从图中可以看出，含蒙皮的车身模型由于蒙皮有一定的吸能，所以立柱的塑性变形较车身骨架模型的立柱减少，变形量也减小。

图6 测量点4到标杆的变化量对比图

表1是侧翻速度为0.087 rad／s时骨架模型和含蒙皮的客车模型单侧侧围所有立柱变形量。从表中可以看出，第九立柱（即客车车身中间部分）变形情况最严重，含蒙皮模型各立柱的变形量较骨架模型各立柱变形量平均减小约23 mm。因此可以看出添加蒙皮可以减小侧翻碰撞造成的伤害。

表1 客车模型各个立柱变形量对比 ／mm

5 碰撞能量结果分析

添加蒙皮后客车模型的总质量有所增加，因此在发生侧翻碰撞时，系统的总能量有原来的8e7焦耳增大到8.3e7焦耳，如图7所示。添加蒙皮后，蒙皮在侧翻碰撞时可以吸收一部分碰撞能，从而可以使立柱变形量减小。其蒙皮吸能曲线如图8所示，最大吸能为2.75e6焦耳，占吸能总量的3.3%，从能量角度来说，添加蒙皮有利于更准确地进行侧翻仿真分析。

图7 车身系统总能变化对比图

图8 蒙皮吸能曲线

6 结 论

分别建立了不含蒙皮和含蒙皮的大客车侧翻碰撞有限元模型，并对其进行计算，将计算结果对比得出如下几点。

（1）蒙皮在侧翻碰撞中对客车结构具有一定的加强作用，添加蒙皮后整车变形情况有明显改善。

（2）从客车骨架侧围立柱变形情况得出，第九立柱（即客车车身中间部分）变形情况最严重，同时客车蒙皮可以使单侧侧围立柱变形量平均减少约23 mm。

（3）从碰撞能量结果分析可以得出，客车蒙皮可以吸收系统3.3%左右的能量。

［1］ 黄世霖，张金焕.汽车碰撞与安全［M］.北京：清华大学出版社，2000.

［2］ 周建兴，马 力.大客车车身骨架有限元建模方法分析［J］.客车技术，2004（4）：23－26.

［3］ 钟志华.汽车耐撞性分析有限元法［J］.汽车工程，1994（1）：1－6.

［4］ 杨瑞峰，樊江顺.基于ECER66法规的某大客车上部结构强度［J］.公路交通学报，2011，（28）10：136－140.

［5］ 贾宏波，黄金陵，郭孔辉.汽车车身结构碰撞性能的计算机模拟、评价改进［J］.吉林工业大学学报，1998，28（2）：6－11.

［6］ 杨光瑜，九志勇，刘大维.汽车碰撞的数值模拟技术［J］.机械，2004（7）：4－6.

Influence of Bus Skin on Rollover Crash Simulation

SHAO Shan－shan，GUO Shi－yong，XI Huan－huan

（Qingdao Technological University，Vehicle Engineering＆Machinery Research Institute，Qingdao Shandong 266033，China）

According to the rule of ECE R66 and the theory of finite element method in crash simulation，taking a vehicle model of 6137 passenger car for example，a finite element model of body frame and a finite element model of body with skin are established，then the influences of bus skin on the simulation result of rollover crash are comparatively analysed based on body column deformation and energy absorption.The simulation result shows that bus skin has a greater influence in rollover crash simulation，it can cause 3.3%of enery absorption and reduce the deformation of the stand column of 6 mm.Thus，the impact of bus skin cannot be ignored in testing rollover crash safety by finite element analysis method.

rollover crash safety；simulation accuracy；finite element analysis；bus skin

U469.1

A

1007－4414（2013）04－0037－03

2013－06－06

邵珊珊（1988－），女，山东滕州人，硕士研究生，研究方向：汽车碰撞和CAE分析。