基于侧翻强度模拟分析的出口客车车身骨架结构优化设计

敖 敏

（金龙联合汽车工业（苏州）有限公司，江苏 苏州 215026）

新版标准[1]的颁布再次强调了对客车上部结构强度安全性的要求。客车侧翻试验是检验客车在翻车事故中被动安全性能的主要手段，在欧洲等地已广泛实施。近年来，该项试验也成为我国评价客车结构侧翻安全性能的基本试验方法[2]。

由于客车侧翻试验为实车破坏性试验，试验成本很高，并且试验后的实车车身也无法恢复。如果在试验前能够对车身结构强度先进行模拟计算，并根据计算结果对车身骨架进行有针对性的优化设计，将会极大地提高实车试验的成功率[3]，降低试验成本。

本文以公司某款出口欧洲的客车为例，阐述了基于侧翻试验法规要求的模拟计算与客车骨架结构优化的具体工作流程[4]，探讨了封闭环、加强结构、材料和结构强度分布等因素对客车上部结构强度的影响,提出了用于客车骨架结构优化设计的一些方法[5]。

1 相关理论和背景

开展侧翻模拟计算进行车身骨架优化是基于ECE R66-01法规要求的侧翻试验[6]。为了提高客车上部结构强度，保证乘员生存空间，行业内公认的车身结构主要设计原则为整体梁闭合环理论。理想结构是行李舱侧立柱、侧窗立柱及顶盖横梁由同一根完整矩形管制作而成。这样可以得到最为理想的闭环结构。该闭环结构在变形过程中，能更好地传力和吸收较多能量，有利于保证乘员生存空间。但该结构在车身结构设计中存在诸多困难和不便，包括：

1）地板骨架分割必须与侧窗玻璃分割一致。这在前后轴、前后截面上很难实现，或者需要牺牲侧窗视觉性和玻璃通用性来达到。

2）采用整体矩形管通过折弯获得车身结构截面。由于材料加工有最小折弯半径限制，会导致车身外形设计受限，不能灵活实施，几乎不可能实现。

因此，推翻现有车身骨架设计的基本方法，全部重新设计车身骨架以及相关结构不现实。客观、现实的做法是在现有客车车身结构基础上，针对侧翻试验法规要求做局部改进和优化设计，使处于同一横截面上的地板骨架截面结构、侧围骨架立柱和顶盖骨架横梁形成加强的闭合环结构。

2 有限元计算及结构优化

2.1 仿真计算条件及初步分析结果

用于仿真计算的整车整备质量和质心高度采用实际测量数据，再根据R66-01规定的增加50%所有乘客负载质量，即可得到法规规定的有效质量。

车身骨架材料采用Q345合金钢，其材料的机械性能见图1。

由于相关论文对车身质量的简化、模型的前处理、接触以及边界条件的论述已较多，这些内容不是本文的重点，所以计算准备过程不再赘述[7]。此次仿真计算也采用了近似的处理。用于仿真计算的车身模型见图2。

采用非线性变形分析软件进行计算后，初步分析结果显示，上部结构与地面碰撞后发生了较大变形，已经侵入了乘员生存空间，主要问题表现在：

1）顶盖骨架变形严重（见图3）。根据有效塑性应变数值显示，顶骨架横梁已经发生了断裂。

2）后围骨架变形严重（见图4）。根据有效塑性应变数值显示，后围骨架在尾排座椅后侧区域结构已经发生了断裂。

3）侧围骨架与地板骨架连接处变形情况见图5。变形情况与预期有较大区别，侧立柱基本没有发生变形，但地板骨架横梁与三角加强板变形严重。此种变形情况对于保证生存空间有非常不利的影响。

2.2 结构初次改进设计

针对初步分析结果提出的主要问题，对相关结构进行了初次改进设计[8]，主要措施包括：

1）将与侧窗立柱对齐的顶盖横梁矩形管规格由40×40更换为60×40，侧窗立柱与顶横梁之间的三角加强件宽度也由40 mm增加到60 mm。

2）后围骨架通过增加斜撑、横梁来加强尾排座椅与发动机舱之间的骨架结构，以达到增加后围骨架刚度的目的。

3）与侧围立柱对应的地板骨架横梁矩形管规格由40×40更换为60×40，侧窗立柱与地板横梁之间的三角加强件宽度也由40 mm增加到60 mm。

4）地板横梁下侧与三角加强件对应位置也增加三角加强件，以减小地板横梁产生弯曲变形的可能性。

2.3 改进后的分析结果

对初次改进设计后的结构再次进行仿真分析，结果显示车身骨架变形量大大减小，顶盖、后围骨架变形减小，但是侧围骨架仍然侵入了小部分生存空间。经分析，具体原因在：

1）部分侧围立柱下方没有行李舱立柱或斜撑与之对应，此部位地板横梁仍然存在较大变形，而对应的侧围立柱却变形很小。

2）由于前乘客门框开口较大，前后立柱间没有纵向连接件，而前立柱发生变形的部位在较低的驾驶区地板骨架平面上，因此，其上部变形量较大。同样前乘客门后立柱部位的地板骨架也产生了变形，因此，也放大了后立柱上部的变形量，如图6所示。

2.4 二次结构优化设计

二次结构优化设计的主要方向是继续提高地板骨架结构的刚度，使绝大部分碰撞能量通过立柱的变形来吸收，以减少地板横梁的变形量（即能量吸收量）。同时尽量提高侧围立柱开始变形部位的高度；尽可能还原实际存在而在建模时被简化掉的、增强对骨架结构有利的其它细部结构[9]。主要措施包括：

1）比对模型与车身及底盘实际结构，认为发动机舱内用于安装膨胀水箱和空滤器的横梁对侧围立柱有很强的支撑作用，有利于提高侧围立柱开始变形的高度，因此，在模型中恢复了该连接横梁。

2）部分侧围立柱下方没有行李舱与之对应，在此立柱部位增加加强斜梁，以减小地板骨架横梁的变形。

3）前乘客门后立柱后部地板骨架截面增加斜梁，地板横梁规格由40×40变为用60×40矩形管，以提高地板骨架横截面刚度，提高乘客门立柱变形的起始高度。

2.5 优化后的分析结果

对二次优化设计结构进行仿真分析，结果显示车身骨架变形量进一步减小，主要表现在：

1）后围骨架在地板骨架以下部分基本没有变形，变形从后部台阶地板以上部位开始。

2）增加斜梁后，存在悬空部位的结构变形位置由地板骨架被成功地转移到侧围骨架立柱上，因此，该部位的侧围骨架整体变形量也有所减小。

3）前乘客门后立柱后部地板骨架截面增加斜梁结构后，地板骨架刚度增加，变形量也有所减小，因此，乘客门立柱起始变形位置也有一定提高，变形侵入空间也相应减少。

但计算结果仍显示，在车身前部位置存在侧围立柱少量侵入生存空间的情况。为此最好还需继续进行后续的结构优化设计和仿真分析，直至优化后的分析结果基本满足法规要求后，再进行试验样车的制作。

2.6 校准计算结果

由于进行模拟计算所用的材料参数采用了Q345板材的机械性能参数，但实际结构采用了矩形管结构，因此，为了使模拟计算结果尽量接近实际情况，需要通过对实际典型结构进行测试，并获得真实的参数，来对计算中采用的材料参数和计算结果进行校准。

实验采用了典型的地板与侧围立柱连接结构进行拉力测试（见图7）。将测试结果与模拟计算结果的两者数据进行比对，根据比对结果进行适当修正，使用修正后的参数设定再进行第三次计算，从而提高之前模拟计算结果的准确性。比对结果显示，实际测试与模拟计算结果非常接近。

3 结束语

进行非线性模拟的分析对象主要是车身骨架，忽略了车身蒙皮、车窗玻璃、地板、车内防护栏以及座椅等安装在车身骨架上的许多零部件，但实际这些零部件对于提高车身骨架的刚性是有作用的，有些零部件安装后可以作为直接的抗变形结构，比如通过连接侧围与地板骨架实现安装的座椅。由于该车型还需要满足总重不超过18 t的法规要求，因此,车身骨架设计需要考虑重量和强度的平衡。通过以上模拟分析，获得了客观而准确的对骨架变形的预测、分析和控制方法，为实际结构设计提供了经验。根据计算结果设计的车身骨架，于2008年7月1日成功通过实车侧翻测试，成为中国客车行业率先获得ECE R66-01证书的车型。

[1]GB 7258-2012，机动车运行安全技术条件[S].北京：中国标准出版社，2012.

[2]刘正愚，刘志宇.客车侧翻试验[J].四川兵工学报，2010，（12）

[3]亓文果.基于ECE R66法规的客车侧翻碰撞安全性能的仿真与优化[J].汽车工程，2010，（12）

[4]周鑫美.基于侧翻安全性的客车骨架设计研究[D].广州：华南理工大学，2010.

[5]王欣，覃祯员.客车上部结构强度出口认证检测[J].客车技术与研究，2010，32（2）：6-8.

[6]ECE R66-01，关于大客车上部结构强度认证的统一规定[S].

[7]郭敬文，姚成.客车车身侧翻刚度仿真研究[J].客车技术与研究，2011，33（6）：5-8.

[8]马晓光，王秋林，那景新，等.客车侧翻结构安全性仿真分析及改进设计[J].客车技术与研究，2011，33（6）：31-33.

[9]王欣，李弢，覃国周，等.客车前部立柱对上部结构强度影响的试验研究及CAE仿真分析[J].客车技术与研究，2011，33（6）：4-6.