客车上部结构强度分析及试验

徐晓芳，韩 健，路 斌

（中通客车控股股份有限公司，山东聊城252000）

客车上部结构强度分析及试验

徐晓芳，韩 健，路 斌

（中通客车控股股份有限公司，山东聊城252000）

基于GB 17578-2013《客车上部结构强度要求及试验方法》中规定的客车上部结构强度要求，以客车触地时刻的角速度为仿真初始条件，对该客车进行侧翻仿真分析，提出顶盖骨架及侧围骨架的改进方案，使该车型顺利通过侧翻试验。

客车侧翻；上部结构强度；仿真分析；试验验证

客车发生的交通事故越来越多，其中，侧翻事故的死亡率是前、后碰撞事故死亡率的6倍，而且侧翻事故往往会造成群死群伤的特大交通安全事故，对社会造成许多不良影响。这就要求客车上部结构必须具备足够的强度和刚度，以抵抗侧翻时的冲击和变形，确保此类事故中的乘客生命安全。

开展客车侧翻安全性研究所采用的方法，可分为试验研究与仿真分析。侧翻试验结果可以直观地反应车身在侧翻过程中是否具有足够的强度与刚度，但是侧翻试验存在费用昂贵、周期长、不可重复等缺点。所以利用计算机仿真研究客车侧翻，不仅可以缩短产品开发周期、节约试验费用，而且对客车设计及安全性评价起到很好的指导作用。

1 整车建模

有相关研究表明，仿真分析结果的准确性、精确度和计算效率，除了与单元类型、接触算法有关外，很大程度取决于有限元模型的简化程度、网格划分精度及边界条件的设置[1-2]。

1.1 模型简化

对客车侧翻来说，碰撞部位的薄壁金属件是主要的变形吸能部件，如两侧立柱、腰梁、顶盖等，在建立几何模型时，必须准确反映其几何特征，不能过于简化。对碰撞过程中变形不大或者不变形的部件，如发动机、变速器等作为刚体处理。因此，根据样车结构特点和实际计算需要，在有限元建模时进行如下简化工作[3]：

1）建模时去除结构件上面的小孔、倒角、圆角；省略一些质量小、吸能少的部件，如扶手、地板角钢等。

2）省略一些对仿真结构影响不大的零部件（电瓶、座椅、蒙皮），但是这些部件质量较大，影响车辆质心，应以质量点的形式将其合理均布于相应位置。

3）发动机、变速器等体积和质量都较大的部件，根据外形建立与实际质量相等的实体单元，连接于车身骨架相应节点上。

4）前后悬架、轮胎等对车身上部结构强度没有影响，但是对整车初始势能有影响，所以用梁单元和壳单元建立等高、等质量的部件连接于车架相应节点上。

1.2材料确定

车架采用高强钢TL700，车身采用低碳钢Q235，应用LS-DYNA中的多线段弹塑性材料来定义。具体参数按照国家标准加工样件，进行拉伸试验。考虑到客车侧翻是碰撞时间极短的大位移、大变形的过程，应变率变化的快慢直接影响材料的塑形特性，应变率增大时，材料的屈服应力和瞬时应力显著增大，很容易使材料产生动力硬化。因此，本文采用Cowper-Symonds拟合公式法考虑应变率的影响，且C=40，P=5[4]。

1.3 边界条件设定

1）发生侧翻碰撞的能量主要来自客车本身的重力，故使用关键字LOAD_BODY_Z定义重力加速度为9 810 mm/s2，并使用关键字DEFINE_CURVE_TITLE定义整个仿真过程的加速度时间历程。

2）客车从开始侧翻到撞击地面前的过程可以简化为刚体旋转，由于整个阶段不是研究的对象，根据能量守恒定律，客车临界侧翻时刻的动能加重力势能等于触地时刻的动能加重力势能。如图1所示。触地时刻的角速度计算如下：

式中：EP0、EK0分别为临界侧翻时刻的势能和动能；EP1、EK1分别为触地时刻的势能和动能；m为整车质量，J为整车质心处转动惯量；W0、W1分别为临界侧翻时刻和触地时刻整车旋转的角速度。已知模型的m=17.965 t，h1=1 153.9 mm，W0=5°/s=0.87 rad/s，J=1.96E+04 kg·m2将以上数据带入公式，求得W1=2.08 rad/s。

图1 客车触地前侧翻过程

3）接触定义。整个侧翻过程中，接触主要发生在车体与刚性地面、车体自身的自接触。车体与刚性地面采用点面接触，动、静摩擦系数分别为0.5与0.6；车体自身接触采用单面接触类型，动、静摩擦系数分别为0.1与0.15。

2 仿真分析

2.1 能量分析

图2为整车模型在侧翻过程中的总能量、动能、内能、沙漏能的时间历程变化曲线。从车身触地开始，车身在自身重力和惯性的作用下，质心仍会进一步降低，使得动能进一步增大。由于车身还受到地面的作用力，使部分能量转化为内能，所以该阶段动能的增加略低于总能量的增加。在0.05 s后，动能越来越小，内能越来越大，在0.15 s时刻达到峰值，其后的0.2 s时刻有所反弹，之后趋至平衡稳定，且碰撞过程中沙漏能一直低于标准要求的5%，可以认定侧翻仿真计算结果的可靠性。

图2 侧翻碰撞过程能量时间历程曲线

2.2 仿真结果分析

侧翻仿真结果最大变形如图3所示。由图3可以看出，车身上部在整个侧翻过程中变形较大，特别是窗立柱、腰梁、顶边纵梁、顶横梁已经发生了塑性变形，且吸收较多动能。图4为各部件的吸能曲线。

图3 侧翻碰撞过程最大变形示意图

图4 车身各部件吸能时间历程曲线

根据GB 17578-2013[5]，客车安全性能的主要指标是乘客生存空间。经测量，0.15 s时刻车身发生最大变形，虽然侧围骨架并没有侵入生存空间，但此时两者之间的最小间距仅有2.1 mm。考虑到实车会安装内饰以及本仿真计算的误差，认为该车结构无法满足法规要求，需要进行结构改进。

3 结构改进及效果

3.1 结构改进

由于图4中内能较大的构件主要集中在侧围骨架及顶盖骨架，其结构设计合理性对客车上部结构强度有较大影响，故对侧围及顶盖部分进行结构改进如下[6-7]：

1）顶盖骨架中的边纵梁及顶弯梁在侧翻中首先接触地面，受到了非常大的接触力，使得边纵梁及顶弯梁产生了塑性变形。因此，需在该位置增加加强斜撑[8]，如图5所示。

图5 顶盖部位结构改进方案

2）侧围窗下沿型钢为P型钢，与窗立柱的连接方式决定了在其受到侧向力时，不能提供足够的刚强度，会使窗立柱产生较大位移。将该位置调整为立柱贯通、窗下沿断开的结构[9]，能较好地提高该位置的强度与刚度，提高整车抵抗侧翻的能力。如图6所示。

图6 侧围立柱部位结构改进方案

3）该车车身上部骨架结构是通过腰梁与底架连接的，其在仿真计算中产生了较大的塑性变形，是侧翻未通过的关键因素。在该位置内侧增加一根立柱，与侧围立柱并列焊接，这种局部增加横截面的加强方案，在受到侧翻产生的侧向力时，可以给上部结构提供足够的强度与刚度，以保证乘客的生存空间[10]。如图7所示。

图7 腰梁部位结构优化方案

3.2 改进后的仿真及试验结果

对于优化改进后的车身结构，以相同的仿真方法对模型处理并求解。对比改进前、后的变形图可以明显看出，改进后的结构变形明显小于改进前的结构变形。经测量，改进后侧围骨架与生存空间的最小间距达到58 mm，认为该车结构满足法规要求，可以进行试验验证。

改进后的实车在国家汽车质量监督检验中心（襄樊）进行侧翻试验，经过对变形轨的测量可知[11]，试验过程中，侧围骨架与生存空间之间的最小间距为69 mm。证明该车车身上部结构强度符合GB17578-2013[5]要求。

4 结束语

侧翻安全性是客车结构设计非常重要的因素之一，且已经成为强制标准在行业实施。利用计算机仿真模拟计算，不仅指导骨架设计，还可在较短时间内重复计算验证，以减少客车开发过程中的试制及试验费用。

[1]王富耻，张朝晖.ANSYS10.0有限元分析理论与工程应用[M].北京：电子工业出版社，2006.

[2]王海亮，金先龙，林忠钦.客车车身结构设计系统及建模技术研究[J].汽车技术，2001（10）：13-14.

[3]成艾国，沈阳，姚佐平.汽车车身先进设计方法与流程[M].北京：机械工业出版社，2011.

[4]李仕锋.客车上部结构侧翻安全性研究[D].重庆：重庆交通大学，2012.

[5]全国汽车标准化技术委员会.客车上部结构强度要求及试验方法：GB17578-2013[S].北京：中国标准出版社，2013：9.

[6]李臣，周炜，司景萍，等.客车侧翻的上部结构安全性仿真研究[J].机械设计与制造，2009（8）：216-218.

[7]刘开春.客车车身设计[M].北京：机械工业出版社，2015.

[8]吴兴敏，王立刚.汽车车身结构[M].北京：人民邮电出版社，2010.

[9]沈光烈，吴磊，黄昶春，等.基于CAE技术的客车车身骨架结构分析及改进[J].客车技术与研究，2013，35（2）：15-17.

[10]林韡.客车骨架结构分析及优化研究[D].合肥：合肥工业大学，2010.

[11]欧洲经济委员会.关于大型客车上层结构强度认证的统一规定[Z].ECE R_66，1997.

修改稿日期：2016-12-13

Analysis and Test of Bus Superstructure Strength

Xu Xiaofang，Han Jian，Lu Bin
（ZhongtongBus HoldingCo.,Ltd,Liaocheng252000,China）

This article makes a roll over simulation analysis ofa coach,based on the bus superstructure strength requirements stipulated in GB17578-2013Requirements and Test Methods ofStrength for The Superstructure ofBus, takingthe coach angular velocityat the moment when the coach bodyfalls and touches the ground as the initial condition.It alsopresents the improved roofand side frame solution and finallyensures that the coach passes the test.

coach roll over;superstructure strength;simulation analysis;test and verify

U463.83+1

B

1006-3331（2017）01-0051-03

徐晓芳（1977-），女，工程师；研究方向为客车总体设计。