某校车侧翻安全性仿真与结构改进设计研究

宋佳，丁玲

（合肥工业大学 机 械与汽车工程学院，安徽合肥230009）

0 引言

近年来，国内校车引发的交通事故频发，社会影响恶劣，尤其是最近发生的几起严重的校车事故，更是引发了人们的思考，校车安全问题已经成为政府乃至全社会不能再回避的话题[1]。在政府主管部门的要求下，我国校车新国标参考欧美标准，必须进行侧翻试验。

从2011年6月开始，我国对Ⅱ级和Ⅲ级客车中的单层客车的上部结构强度要求成为公告强制性检测项目，并且国内正在修订客车侧翻试验方法标准GB/T17578，以确保客车侧翻安全性。

吉林大学姜勇为某款全承载客车提出了一种新型的侧翻缓冲吸能结构，使车身结构侧翻安全性得到加强[2]；浙江大学余跃提出动态仿真技术与试验相结合的大客车侧翻耐撞性结构设计方法[3]。本文依据我国的GB/T17578《客车上部结构强度的规定》要求，以某校车作为研究对象，建立其动态侧翻碰撞仿真计算模型，应用ANSYS/LS－DYNA软件进行仿真分析，研究其上部结构的变形及其侵入乘员生存空间的状况，提出几种结构改进建议，同时考虑地面与车体之间摩擦系数的影响，对各种改进结构的效果进行比较分析。

1 侧翻模型的建立及参数设置

1.1 侧翻碰撞模拟前处理

对于客车侧翻碰撞来说，与地面碰撞部位即侧围的立柱、腰梁、顶盖等是最重要的变形吸能部件，在建模时必须准确反映结构的几何特征。对承受冲击载荷、吸能并不起明显作用的一些部件，在建模时可以进行简化：

1）对在真实碰撞中基本不变形的部件（发动机、变速箱等）用刚性配重块代替，对大部件为保持其外形与周围部件碰撞、接触的真实性，可以用其表面网格代替整个部件[4]。结构间的连接关系采用可变形体与刚性体之间连接、刚体连接、点焊等模拟[5]；

2）一些对仿真结果影响不大而重量较大的零部件（如电瓶、座椅等），采用集中质量的形式施加到其质心位置，并用刚性连接与承载结构件连接；

3）省略了蒙皮及一些非承载件的建模，以均布质量的形式附加到相应的承载结构件上。

根据以上要求建立的某校车侧翻碰撞有限元模型整车的重心位置与实车重心的偏差不超过20 mm[6]。整车侧翻碰撞有限元模型如图1所示。

图1 整车侧翻碰撞有限元模型

1.2 仿真参数设置

1）单元类型选择与积分点数的选取：单元类型选择为BT单元；大变形的区域，如侧围、腰梁和顶盖等部件，选用5个积分点，而在远离碰撞区域如校车的地板骨架等部件选择2个积分点[7]。

2）材料模型设置：校车主要用到的材料模型有MAT24和MAT20，其中MAT24是一种能够反映材料弹塑性力学特性的材料模型，MAT20是一种刚体材料模型。

3）加载、边界条件设置：笔者采取了能量转换的方法简化某校车侧翻碰撞过程，只对校车临近接触地面开始分析。计算得校车临近接触地面时的角速度为2.49 rad·s－1。必须考虑重力加速度，取其值为9810 mm·s－2。

4）接触设置[8]：本仿真模型中，定义的接触类型如表1所示。

表1 接触定义

2 侧翻碰撞仿真结果分析

2.1 车身立柱变形分析

整个碰撞仿真过程时间为300 ms。碰撞瞬间，车身顶部边梁先与地面碰撞，巨大的冲击力使右侧立柱开始发生弯曲变形，接着冲击力通过骨架被传递到左侧，导致左侧立柱也发生弯曲变形。随后，车身立柱变形继续增加，但一定时间以后由于立柱产生的弯曲变形使其刚度提高以致于其塑性变形增幅减缓。碰撞持续到175 ms 左右时，侧立柱的变形达到最大。此后，由于立柱材料Q235 具有弹性而非完全塑性，立柱的弹性变形会逐渐恢复。不同时刻的车体变形图如图2所示。

2.2 侵入量分析

生存空间的侵入主要跟侧围立柱有关。生存空间在侧翻过程中不变形，可作为参考标准。测量点选择在距地板骨架为1250 mm的高度处的侧围立柱上[7]。图3为右侧围第2根立柱测量点与生存空间上部顶点在Y方向的位移时间历程图。从图3中可以看到，从开始2个点相差某一距离，随之距离逐渐减小到侵入，直至在175 ms附近侵入量达到最大，最大侵入量为36.612mm。随后，由于碰撞过程中产生的弹性变形部分开始恢复，侵入量有所减小。

2.3 碰撞能量分析

图2 不同时刻的车体变形图

图3 测量点与生存空间上部顶点Y方向位移—时间图

侧翻过程中主要的能量转化即车体动能转化为车体材料塑性变形能如图4所示，从图4可以看出，碰撞到达175 ms时，车体吸收的内能为最大值，随后变形势能变小，曲线有下降的趋势。200 ms之后车体吸收的能量基本不变。

图4 车体结构能量时间历程曲线

图5 沙漏能在整个侧翻变形中占的总能量比

图5为沙漏能在整个侧翻变形中占的总能量比，在许可的5%以内[9]；图6为总能量与初始能量的比率，其比率始终严格控制在1.05以内[7]。因此，仿真计算过程是稳定、准确、有效的。

图6 能量比率

3 结构改进对比分析

为了解决侧窗立柱侵入量过大的问题，有必要对车身结构进行改进设计。笔者提出几种结构改进方案，并对各种改进结构的效果进行比较分析。

图7 改进方案1

图8 改进方案2

图9 加斜撑方案1

图10 加斜撑方案2

图11 加斜撑方案3

1）原校车车身的顶盖与侧围的交接处为2根纵梁采用线焊进行连接，侧围纵梁与侧围窗立柱连接，改进其结构——将侧围纵梁在侧围窗立柱处进行分段，并与之连接，同时将侧围窗立柱伸长直至与顶盖纵梁连接。如图7所示。

2）在顶横梁先触地处加一钣金件，如图8所示。

3）在侧窗立柱与顶盖、地板之间增加斜撑，并优化斜撑结构、搭接形式。不同的斜撑形式如图9～11所示。

侵入量分析时，车辆与地面的摩擦系数需要通过试验得到，因缺少试验数据，通过查阅相关资料采用经验安全值0.4，同时考虑地面与车体之间摩擦系数的影响，分别选取0.2、0.3、0.4 进行对比分析。

结果表明：随着车体与地面间的摩擦系数的减小，立柱的最大侵入量会减小，若立柱未侵入生存空间，则立柱与生存空间间的最小距离随之增加。

内能对比如图12所示，可以看出，在侧窗立柱与顶盖、地板之间增加斜撑后，在侧翻过程中，整车吸能比未加支撑时大。加斜撑的3个方案的吸能效果方面较原模型较好，且加斜撑方案3 即K型结构加斜撑的吸能效果最好。

图12 内能对比图

4 结论

1）针对某校车建立其动态侧翻碰撞仿真计算模型，依据GB/T17578《客车上部结构强度的规定》要求进行了侧翻安全性仿真研究。通过侧翻安全性仿真分析，说明了所建模型的可靠性及准确性，计算了侧翻过程中车身结构的变形，评价了该车上部结构和生存空间。

2）提出几种结构改进建议，同时考虑地面与车体之间摩擦系数的影响，对各种改进结构的效果比较分析，发现加斜撑方案取得了很好的效果。

3）在效果较好的加斜撑方案中，K型结构斜撑效果最好，一方面K型结构能够保证足够的车内空间；另一方面，其不仅能够提供顶盖和侧围足够的抗变形能力，而且能使车体与地面间的碰撞力得以进行有效地传递。

4）加钣金件方案在本文中所提的校车模型上作为改进方案虽不理想，但此方案仍具有一定的可借鉴性，可用于其他类型的客车中，用以改善结构的耐撞性。

5）按照改进后的结构进行侧翻碰撞试验，校车上部结构的变形及其侵入乘员生存空间的状况符合GB/T17578《客车上部结构强度的规定》。

[1]何汉桥，张维刚.我国客车安全综述[J].客车技术与研究，2007，29（2）：1-4.

[2]姜勇，那景新，王童.某客车侧翻安全性吸能结构的设计[J].汽车工程，2012，34（5）：444-446.

[3]余跃，周鸿波，童水光等.大客车侧翻耐撞性的结构设计方法[J].浙江大学学报：工学版，2011，45（4）：714-718.

[4]胡远志，曾必强，谢书港.基于LS-DYNA和HyperWorks的汽车安全仿真与分析[M].北京：清华大学出版社，2011.9.

[5]葛健.客车侧翻安全性仿真与设计改进研究[D].长沙：湖南大学，2010.

[6]亓文果，董晓坤，魏建华，等.客车侧翻碰撞安全性能的有限元仿真和改进[C].Xiamen：The 6th Int.Forum of Automotive Traffic Safety（INFATS），2008：18-24.

[7]查官飞.大客车车身结构侧翻试验仿真与安全研究[D].重庆：重庆交通大学，2011.

[8]HALLQUIST J O.LS-DYNA Version 971 keyword user’s manual[S].California，USA：Livermore Software Technology Corporation，2007.

[9]卢琳兆，吴长风，丁守松，等.大客车侧翻碰撞仿真分析及改进[J].机电技术，2012（2）：26-28.