大客车正面碰撞结构耐撞性分析与改进

黎 勇，吴长风，蓝平辉，叶松奎，那景新

（1.厦门理工学院机械与汽车工程学院，福建厦门361024；2.厦门金龙联合汽车工业有限公司，福建厦门361023；3.吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室，长春130022）

大客车正面碰撞结构耐撞性分析与改进

黎 勇1,2，吴长风2,3，蓝平辉2，叶松奎2，那景新3

（1.厦门理工学院机械与汽车工程学院，福建厦门361024；2.厦门金龙联合汽车工业有限公司，福建厦门361023；3.吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室，长春130022）

以某12 m全承载式客车为研究对象，进行正面碰撞下的结构耐撞性分析。针对驾驶员及上层前排乘客生存空间侵入严重的情况，在前端增加吸能盒，并采用正交试验设计的方法对其进行改进。结果表明，驾驶员及上层乘客的生存空间均得到保证，两处的碰撞加速度值分别降低18%和61%。

全承载式客车；正面碰撞；生存空间；正交设计；结构改进

据相关数据统计，我国客车肇事发生的交通事故占整个道路交通事故的40%～50%，其中客车发生正面碰撞的事故占整个客车事故的50%～60%[1-2]。目前国内汽车正面碰撞法规仅适用M1类汽车，对客车车身结构安全性的要求也局限在上部结构强度方面[3]。因此开展对大客车正面碰撞研究，对加快客车碰撞试验方法的制定有着重要的意义。

国内已有学者对客车结构耐撞性方面做了深入的研究[4-6]，但在一层半客车正面碰撞方面的研究较为缺乏。本文以某款12 m一层半大客车为对象，研究了客车在30 km/h碰撞速度下的整车变形结果，对上层前排乘客生存空间无法得到保障的问题提出改进方案，为以后客车车体安全性设计提供参考。

1 有限元模型的建立与验证

1.1 有限元模型的建立

为保证仿真分析的准确性并缩短计算时间，对模型进行合理的简化处理。遵循CAE分析简化原则[7]，采用有限元软件Hypermesh对该客车进行建模。

客车车身骨架采用Q235材料，车架采用Q345材料[8]，相关属性可由相关资料查得。客车模型整备质量为14.2 t，与该车实车相当。最终得到的有限元模型壳单元总数为1 853 623个，节点数1 860 553个，三角单元16 621个，如图1所示。依据客车正面碰撞试验方法研究[9]，在驾驶员及上层前排座椅处，采用符合中国成年人尺寸的泡沫假人[10]，用以测量人体空间的侵入量，如图2所示（L1为驾驶员生存空间和上层乘客生存空间，主要测量方向盘盘幅与驾驶员的X方向距离、前围与上层乘客的X方向距离；L2为测量方向盘盘幅与驾驶员的Z方向距离；L3为驾驶员腿部与方向盘转向柱最小距离）。

图1 客车有限元模型

图2 人体生存空间测量

1.2 模型的有效性验证

CAE分析和整车试验得到的整车变形对比如图3所示。大客车前部变形很大，特别是在前轴之前，使得驾驶员及上层前排乘客的生存空间变形严重，几乎没有生存的可能，但顶盖和中门基本上没有变形，后排乘客可以从顶部的安全出口或中门逃生。

图3 仿真分析与试验结果对比

试验前在上层前围立柱处安装了加速度传感器采集加速度曲线。图4为其加速度曲线对比，以前围接触刚性墙为0时刻，仿真分析的最大加速度值较试验采集数据大11.4%。

图4 试验与仿真的加速度曲线对比

表1是对生存空间的仿真与试验的数据对比分析。由于仿真分析中忽略了玻璃、蒙皮等因素的影响，仿真值稍微偏小，误差控制在10%～15%之间，加速度波形变化趋势基本一致，峰值的变化误差相对较小。故可认为仿真模型是有效的，可进行后续相关的整车改进分析。

表1 生存空间参数对比分析mm

2 碰撞安全性改进

2.1 改进方案

该车正面碰撞后存在的问题主要有：驾驶区变形严重，转向盘随着前围的挤压而向后移动，驾驶员的生存空间变得很小；上层地板纵向骨架弯折变形，不能有效传递碰撞力；客车为全承载式车身，客车前部骨架刚度较弱；缺乏合理有效的传力途径和吸能结构。为了改善客车前部变形情况，改善驾驶员及乘客的生存空间，对客车底架和上层地板骨架提出如下改进方案：

1）底架前部结构改进。在客车前部底架的格栅结构中增加斜撑和纵梁，同时设计菱形结构梁以增加其抗变形能力，如图5（图中圆圈标记为增加结构）所示。

图5 底架前部结构改进

2）前排上层地板结构改进。在上层底板处增加传力方钢和斜撑，如图6（图中圆圈标记为增加结构）所示。

图6 前排上层地板结构改进

3）底盘前端设计吸能结构。在客车前围骨架与底盘骨架前端空隙之间设计2个吸能盒，如图7所示。

图7 底盘前端吸能结构

4）在上层前端设计吸能结构。在上层前排地板悬架横梁与前围之间设计3个吸能盒，如图8所示。

图8 上层前端吸能结构（俯视图）

2.2 吸能盒结构的正交试验设计

正交试验设计（Orthogonal Experimental Design）是研究多因素、多水平的一种试验设计方法，它是根据正交性从全面试验中挑选出部分有代表性的方案进行试验，这些有代表性的方案具备了“均匀分散，齐整可比”的特点。经过研究表明，薄壁结构的吸能性与厚度、截面尺寸、材料等参数有关[11-13]。以吸能盒的厚度、宽度、高度、开口位置（距离前端自由端的距离L）4个参数作为因子研究上下两层吸能盒结构的吸能特性，如图9所示，每个因子各有3个水平。目前承载式车身大客车吸能结构厚度一般为1.0～5.0 mm。具体见表2。

图9 吸能盒参数示意图

表2 上下层吸能盒因子及水平值mm

文中采用的是L9（34）的正交表，正交表及仿真结果如表3所示。其中A、E分别为上下层吸能盒厚度，B、F分别为上下层吸能盒宽度，C、G分别为上下层吸能盒高度，D、H分别为上下层吸能盒开口位置。

表3 上层（下层）吸能盒正交设计方案及仿真结果

暂时不考虑开孔位置因子的显著性水平，把上层第四列作为误差项，得出方差分析表4。对于显著性水平α=0.10、0.05和0.01，查表得到临界值分别为：F0.9（2，2）=9，F0.95（2，2）=19，F0.99（2，2）=99。可以看出因子A显著。

表4 三因子方差分析表

不考虑吸能盒的宽度和高度因子的显著性水平，把上层第三、第四列作为误差项，得出方差分析表5。对于显著性水平α=0.10、0.05和0.01，查表得到临界值分别为：F0.9（2，4）=4.32，F0.95（2，2）=6.94，F0.99（2，2）=18。可以看出因子A显著。下层吸能盒分析类似。

表5 三因子方差分析表

由主效应分析得到各个因素水平的主效应见图10。从中可以看出，厚度因子对吸能盒吸能效果影响最大，其它因子影响较小。综上所述，上层吸能盒最优组合为A3B3C2D1，下层吸能盒最优组合为E3F3G2H1。

图10 吸能盒吸能特性主效应图

2.3改进后结果分析

2.3.1 生存空间分析

改进后驾驶员和上层乘客的生存空间情况见表6，与表1对比可以看到两者的生存空间均得到了足够的保证，大大降低了乘员损伤的风险。

表6 改进后生存空间情况mm

2.3.2 加速度对比分析

加速度的变化是衡量车体的碰撞吸能性能好坏的重要指标[14-15]。改进前后的碰撞加速度变化对比如图11-图13所示。

图11 整车质心合成加速度对比

图12 驾驶员座椅侧X向加速度对比

图13 上层前排座椅X向加速度对比

从图11-图13可以得出：

1）改进后整车碰撞质心加速度虽然在40 ms处有一个峰值，这是由于上层吸能盒与刚性壁接触时的冲击造成的；而曲线后期峰值明显降低，说明改进后整车的结构更加合理，具有更好的缓冲吸能能力。

2）驾驶员座椅处的碰撞加速度峰值由改进前的50.2 g降为改进后的41.1 g。

3）上层前排右侧座椅处加速度由改进前的17.9 g降为改进后的17.8 g，虽然变化不大，但加速度峰值出现时刻延后，峰值过后加速度平稳下降。

4）上层前排左侧座椅处加速度由改进前的47.7 g降为改进后的18.4 g，加速度峰值变化明显，且改进后的加速度变化平缓。

3 结论

1）从仿真分析结果可以看出，30 km/h碰撞速度下该大客车耐撞性较差，驾驶舱内生存空间很小，上层前排乘客生存空间受到挤压，容易造成乘员伤亡。

2）改进后的大客车的前部变形、驾驶员及上排乘客生存空间和典型测点的加速度都有所降低，说明改进后车身结构的缓冲吸能能力加强，提高了整车的耐撞性能，降低了乘员的损伤风险，对大客车车身结构耐撞性设计及后续相关的研究具有参考价值。

[1]樊友煜.汽车车身材料轻量化的应用现状及研究进展[J].中国科技纵横，2013（16）：151-152.

[2]王欣，颜长征，覃祯员，等.客车正面碰撞标准研究[J].交通标准化，2011（8）：6-10.

[3]曹立波，周登科，朱结，等.全承载式客车正面碰撞安全性的改进[J].汽车安全与节能学报，2015，6（1）：58-65.

[4]张建，范体强，何汉桥.客车正面碰撞安全性仿真分析[J].客车技术与研究，2009，31（3）：7-9.

[5]李强.双层公路客车正面碰撞车身结构强度分析及耐撞性研究[D].西安：长安大学，2010.

[6]曹文钢，邓磊，姜康，等.客车车身正面碰撞仿真分析及拓扑优化[J].系统仿真学报，2012，24（4）.

[7]Kwasniewski L，Li H，Nimbalkar R，et al.Crashworthiness assessment of a paratransitbus[J].International Journal of Impact Engineering，2006，32（5）：883-888.

[8]吴靖.基于承载式客车的正面碰撞性能仿真研究[J].汽车科技，2013（4）：37-41.

[9]赵东旭，胡选儒，于雅丽，等.客车正面碰撞试验方法研究[C].中国交通建设股份有限公司现场技术交流会，2013.

[10]中国标准化与信息分类编码研究所.中国成年人人体尺寸：GB/T10000-1988[S].北京：中国标准出版社，1988：12.

[11]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.

[12]彭洪梅，胡平，申国哲，等.薄壁直梁碰撞性能仿真和参数影响分析[J].汽车工程，2011，，33（9）：782-786.

[13]Mamalis A G，Melonakos D E，Ioannidis MB，et al.Finite element simulation of the axial collapse of metallic thin-walled tubes with octagonal cross-section[J].Thin-Walled Structures，2003，41（10）：891-900.

[14]谢素超，田红旗，姚松.车辆吸能部件的碰撞试验与数值仿真[J].交通运输工程学报，2008，8（3）：1-5.

[15]张德鹏，张启明.客车车身结构的分析[J].长安大学学报：自然科学版，2002，22（4）：66-69.

修改稿日期：2016-09-26

Analysis and Improvement of Structural Impact Resistance for a Large Coach Under Frontal Impact

Li Yong1,2,Wu Changfeng2,3,Lan Pinghui2,Ye Songkui2,Na Jingxin3
（1.School ofMechanical＆Automotive Engineering,Xiamen UniversityofTechnology，Xiamen 361024,China; 2.Xiamen KingLongUnited Automotive lndustryCo.,Ltd,Xiamen 361023,China; 3.Jilin University，State KeyLaboratoryofAutomotive Simulation and Control，Changchun 130022,China）

Takinga 12 meter monocoque coach as the research object,the authors analyzs the structural impact resistance under the frontal impact.In viewofthe serious incursion situation of the driver and the upper front passenger survival space,theyincrease the energyabsorbingboxat the front end,and use the method oforthogonal experiment design toimprove the structure.The results showthat the survival space ofthe driver and the upper passengers are guaranteed,the acceleration values ofthe above twopositions are decreased by18%and 61%respectively.

monocoque coach;frontal impact;survival space;orthogonal design;structure improvement

A

1006-3331（2017）01-0010-04

厦门市科技计划项目（3502Z20130043）

黎勇（1989-），男，研究生；主要从事客车被动安全与轻量化的研究工作。