某客车侧翻的计算机模拟测试

郝海舟，符　志

某客车侧翻的计算机模拟测试

郝海舟，符志

（中国汽车工程研究院股份有限公司汽车安全技术中心，重庆401122）

根据GB 17578-2013中等效认可方法“计算机模拟整车侧翻试验”的要求，仿真分析某客车的侧翻安全性能，评价该等效试验方法的可操作性及其优缺点。

客车；侧翻试验；计算机模拟

新修订的GB 17578-2013《客车上部结构强度要求及试验方法》［1］已于2013年9月18日发布，并于2014 年7月1日实施。新修订的GB17578-2013［1］较GB/T 17578-1998《客车上部结构强度的规定》［2］主要变化多达22项，其中标准属性由推荐性改为强制性；新标准增加了“计算机模拟整车侧翻试验”的等效认可方法。对于新增加的“计算机模拟整车侧翻试验”等效认证方法，由于行业内尚未形成统一的模拟计算方法，目前我国汽车《公告》暂不允许采用该认可方法［3］，所以有必要对该等效试验方法进行探索分析，为形成行业认可并且统一的计算方法提供参考。本文将依照GB17578-2013附录H“计算机模拟整车侧翻试验”各项要求［1］，对某客车进行计算机模拟整车侧翻试验，并对该等效试验方法的可行性及其优缺点这两个问题进行分析。

1　客车侧翻有限元模型建立

根据国标GB 17578-2013［1］，客车侧翻计算机仿真分析需要对客车整车、侧翻平台与撞击平面进行有限元模型建立。本文有限元模型搭建所用软件为Altair Hypermesh，求解器模板使用通用非线性显式动力学分析软件Ls_dyna。

1.1客车有限元模型建立

1）客车整车主要分为车身骨架、下部骨架、外蒙皮、底盘以及动力系统。首先对客车各总成CAD模型进行必要的几何清理与简化，其中车身骨架、下部骨架均由薄壁矩形型材连接而成，对其采用壳单元模拟；底盘与动力系统通过壳单元与质量点配重的方式进行模拟。客车整车网格尺寸及质量满足GB17578-2013要求［1］。

2）客车车身骨架使用的材料为Q235，下部骨架使用的材料为Q345。材料模型使用Ls_dyna中Mat24材料模型。该材料模型通过Cowper-Symonds本构模型考虑材料的应变率效应；动力总成因刚度大、变形小，简化为刚体，用Mat20材料模拟。

3）根据GB17578-2013要求［1］，对客车悬架进行锁止。客车各零部件以及各总成之间根据物理关系进行相应的连接。

4）建立的客车整车有限元模型如图1所示。其中四边形单元数1 012 062；三角形单元数1 479；节点总数1 016 113；客车总有效质量14 500 kg。

1.2侧翻平台与撞击平面有限元模型建立

根据GB 17578-2013［1］中“模型的构建及假设应能保证计算出保守的结果”的要求，侧翻平台与撞击平面有限元模型如图2所示。其中撞击平面与侧翻平台上表面的高度差为800 mm；翻转轴与撞击平面侧壁的水平距离为100 mm；翻转轴与侧翻平台上表面的距离为100 mm；车轮挡板高度为80 mm，厚度为20 mm，边缘半径为10 mm，长度为500 mm；最宽车轴处的车轮挡板距翻转轴中心的水平距离为100 mm；其它车轴处的车轮挡板应进行调整，以使车辆的垂直纵向中心面平行于翻转轴；侧翻平台与撞击平面均简化为刚体，用Mat20材料模型模拟［4-6］。

1.3边界条件施加

1）客车整车以接触的方式置于侧翻平台上，并利用侧翻平台轮胎挡板限制客车在翻转过程中的滑动。

2）约束撞击平面所有6个自由度。

3）将客车整车与侧翻平台以5°/s的速度绕翻转轴从水平位置旋转至客车整车不稳定的平衡位置，然后约束侧翻平台6个自由度。

4）整个模型施加1 g重力加速度。

5）撞击平面摩擦系数设置为0.5。

1.4刚性体与柔性体转换技术应用

该客车侧翻整个过程需要15 s左右的时间。对于百万单元级的客车侧翻计算机模拟是一个巨大的计算量。为了能减小计算量、缩短计算时间，对客车的整个侧翻过程进行梳理、简化。整个侧翻过程可以分为三个阶段：第一个阶段，客车翻转开始到客车离开翻转平台之前的准静态翻滚阶段；第二阶段，客车脱离翻转平台到客车与地面碰撞之前的动态翻滚阶段；第三阶段，客车与地面接触之后的碰撞变形阶段［7］。这三个阶段中，前两个阶段客车变形可忽略，但花费计算时间最多，所以在前两个阶段，可将客车视为刚体，然后在客车与地面接触的瞬间，再将客车由刚体转化为变形体，这样能在确保计算精度的前提下极大地缩短计算时间。上述刚体与柔性体的相互转换可通过 Ls_dyna软件中Deformable to Rigid Automatic关键字来实现。

2　模拟测试分析

根据GB17578-2013［1］建立该客车生存空间，如图3所示。将生存空间Part设置为刚体（设置为Mat20材料），并通过关键字卡片Constrained Extra Nodes Set将其与客车下部骨架（客车翻滚过程中不变形部分）相连，以确保其位置在客车翻滚过程中相对不变［8］。为了能在分析结果中体现生存空间与周边零部件的侵入关系，关键字文件中的接触设置不应包含代表生存空间的Part。

本文模拟侧翻平台从水平位置开始翻转，直至客车脱离侧翻平台，并与撞击平面相互作用的整个过程。求解软件为通用非线性显式动力学分析软件Ls_dyna，分析时间为15 s。

图4是客车翻转模拟测试前后的变形图。从该图中可看出，在客车碰撞侧的上部结构处有明显变形；图5为客车侧翻碰撞后的变形云图，客车碰撞侧最大变形值为64 mm。

图6-图8为客车与撞击平面发生接触后客车结构与生存空间相对位置示意图。从这三幅图中可以看出，客车侧翻过程中，客车上部结构与生存空间始终留存有一定的距离，无任何相互侵入现象发生。

本文分析车型满足GB 17578-2013［1］中规定的性能要求。

3　结束语

根据以上模拟测试工作，对该等效认可方法作出如下总结：

1）送检单位提供的相关数据必须准确、真实，能代表送检车辆。计算机模拟整车侧翻试验本身是试验过程的一种模拟，结论的准确性依赖于模拟计算所用的模型；如送检单位不能按照GB 17578-2013［1］要求提供数据，则不能勉强使用该等效认可方法。

2）如送检单位能提供客车完备的有限元模型，包括网格模型、材料参数等（如企业在客车研发工程中曾做过类似分析工作，有限元模型能很方便地提供），那么采用该测试方法将会给送检单位与测试机构带来极大的便利，既减少了送检单位送检车辆本身的成本，也减轻了检测机构侧翻平台的负担，方便了检测工作。

3）必须对搭建完成的整车有限元模型进行对标。因文献［1］附录H中H.2 a）对整车模型对标的描述比较笼统，但此项工作又是该等效认可方法能否继续进行的决定因素，故标准起草单位或人员有必要细化模型对标方法。

4）该等效认可方法是一种全新的测试方法，把以往需要大型设备才能完成的“测试”工作用计算机模拟的方式来实现，使“测试”工作既经济又便捷；同时，该标准［1］规范了计算机模拟整车侧翻的各项工作，方便地使该“检测”工作提前到客车的研发过程中，使生产企业不仅可缩短产品开发周期，而且节约试验费用。

［1］GB/T 17578-2013，客车上部结构强度要求及试验方法［S］.北京：中国标准出版社，2013.

［2］GB/T17578-1998，客车上部结构强度的规定［S］.北京：中国标准出版社，1998.

［3］中机车辆技术服务中心.关于汽车公告产品十项更新/新增强制性标准实施的通知［EB/OL］.（2014-06-25）http：//www.cvtsc.org.cn/cvtsc/zcfg/963.htm

［4］邵珊珊，郭世永.客车蒙皮对侧翻安全性的影响分析［J］.机械研究与应用，2013，（4）：37-39.

［5］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）

［6］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，2010，32（12）：1042-1046.

［7］刘正愚，刘志宇.客车侧翻试验［J］.四川兵工学报，2010，（12）

［8］邵毅明，司红建，查官飞.大客车侧翻安全性仿真分析［J］.重庆理工大学学报：自然科学版，2013，（2）：6-12.

修改稿日期：2014-08-28

Computer Simulation of Rollover Test on a Coach

HaoHaizhou，Fu Zhi
（SafetyTechnologyResearch Center，China Automotive EngineeringResearch Institute Co.，Ltd，Chongqing401122，China）

The authors simulate the rollover ofa coach accordingtothe equivalent approval method.Computer simulation ofrollover test on complete vehiclewhich is included in GB 17578-2013，and theyevaluate the practicability，the advantages and disadvantages ofthe equivalent approval method.

coach；rollover test；computer simulation

U467.1+4

B

1006-3331（2015）01-0023-03

郝海舟（1979-），男，硕士；工程师；主要从事车辆被动安全CAE仿真分析工作。