客车正面碰撞车身结构耐撞性分析与改进

吴长风，那景新，杨佳宙，苏 亮，卢琳兆

(1．吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室，长春 130022;2．厦门金龙联合汽车工业有限公司，福建厦门 361023)

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其中的50%～60%［1－2］。而国内外大客车的碰撞安全法规主要是上部结构强度的要求，对于前碰撞的相关法规各国都还在探索中。

欧洲ECBOS项目、英国考文垂大学、奔驰客车公司等都进行了大客车整车CAE模拟分析与商用车摆锤测试［3－5］。2007 年，美国 NHTSA 进行了一款 13.7 m大客车正面碰撞试验，碰撞速度为48 km/h，测试客车碰撞对乘员的伤害情况［6］。国内有关学者也对大客车耐撞性CAE仿真与结构改进进行了研究［7－8］。2012年，交通部《西部课题》项目中，大金龙进行了“中国客车第一碰”，并初步形成了国内大客车前碰撞测试与评价方法［9－11］。2014年，交通部下达了大客车的前碰撞标准的编制要求，项目组对8辆大客车、4辆轻型客车进行前碰撞测试研究，并形成了行业推荐标准，现已进入送审阶段［1，12］。

本文以一款12 m承载式公路客车为研究对象，进行实车碰撞测试与CAE分析，研究车身结构吸能、传力以及乘员加速度波形特点，并提出改进方案。

1 整车碰撞测试

整车采用30 km/h的速度进行100%正面碰撞，碰撞刚性墙高度为4 m，足够覆盖大客车前部截面。驾驶员座椅处采用商用车泡沫假人，用以测量驾驶员生存空间的侵入情况，乘员第一排放置4个50%测试假人，考察假人伤害情况［1］。

测试车辆整备质量为14 t，是目前公路客运的主力车型。碰撞结束后，整车前围变形较大，变形区域持续到第一块侧窗玻璃，导致左右第一侧窗玻璃破碎，其他侧窗玻璃完好，如图1所示。

图1 测试车辆碰撞后情况

2 有限元模型的建立与验证

2.1 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，对模型进行简化处理［13］。车身主要采用壳单元，底盘件采用一维梁单元与实体单元;根据碰撞变形特点细化前部模型。最终得到的客车有限元模型如图2所示，其中壳单元总数1 853 623个，节点数 1 851 570个;三角单元16 621个，未超过5%。车身骨架主要采用20#钢、Q345以及Q700高强钢，分别从同一批次方钢型材上截取试件，进行6组应变率下的应力应变曲线测试，并转化为真实的应力应变曲线代入模型进行计算。

图2 客车有限元模型

2.2 仿真分析结果与模型验证

大客车耐撞性主要考核驾驶员生存空间以及乘客区第一排的乘员伤害，故整车碰撞中的前部变形和加速度波形是重点。本文主要通过对比碰撞中前部变形、驾驶员生存空间以及前部加速度来验证CAE模型。

1)前部变形。CAE分析和试验得到的整车变形如图3所示。大客车前部变形较大，尤其在前轴之前的结构，蒙皮以及前挡玻璃均损坏，第一侧窗玻璃破损，其他侧窗玻璃完好。仿真分析的总体变形模式与实车碰撞较为接近。

图3 仿真分析与试验变形对比

2)驾驶员生存空间。试验中很难测得驾驶员生存空间的最大侵入量，只有通过查看碰撞结束后方向盘上的油漆是否与泡沫假人发生接触，并测量此刻方向盘以及转向管柱与泡沫假人的距离。本次试验的泡沫假人被方向盘压缩，可以判断驾驶员生存空间已经被侵入，见图4(a)。仿真分析则可定位最大侵入时刻，本次仿真分析得知方向盘z方向侵入25 mm、x方向侵入86 mm，见图4(b)。

图4 驾驶员生存空间对比

3)前部碰撞加速度。大客车车身纵向长度比较长，正面碰撞变形主要集中于前部，因此测试驾驶员侧的加速度信号可以有效考核整车前部碰撞的冲击程度。

以前围接触刚性墙为0时刻，试验与仿真的加速度对比情况如图5所示，其中2个主要的峰值数值与波形趋势仿真与实际测试具有较好的对应，数据对比见表1。

图5 试验与仿真的加速度曲线对比

表1 驾驶员侧加速度曲线关键指标对比

通过分析表明该CAE模型具有一定的工程精度，可用于车身结构的耐撞性深入分析与优化。

2.3 结构耐撞性总体评价

因车辆前部为平头结构，纵向缓冲距离非常有限，吸能盒后部杆件没有进行有效的传力设计，导致横梁中部弯曲变形，中间2个吸能盒未完全溃缩，吸能效果较差;前部刚度不足也导致前部变形大，前围横梁直接与驾驶员转向支架碰撞，并推动方向盘与转向管柱侵入驾驶员生存空间;而加速度曲线呈现出2个明显的突出波峰，峰值均超过30g，对乘员保护较为不利。故有必要分析前部主要杆件的变形、吸能以及结构的传力路径，针对结构的变形模式、吸能情况进行杆件的变形与吸能控制，以提高结构的吸能缓冲能力。

通过统计行李舱之前的所有前部365个杆件吸能以及SEA(比吸能，即单位质量吸收的能量)，可知前60个杆件，吸收了302.2 kJ，占前部365个杆件吸能的78.63%，其中底架杆件吸能超过80%，其变形如图6所示。

图6 前部60个主要变形吸能杆件分布

3 车身结构耐撞性改进

3.1 改进思路

基于以上分析，提出如下改进思路:

1)增加前围刚度、控制车架前段尤其是驾驶台前段骨架溃缩距离，以减小方向盘支架的冲击力。

2)驾驶区底架结构进行改进设计，纵梁桁架结构的上下、左右侧应增加斜撑连接;加速度波形峰值有较多突出上限，则需要提高前部吸能盒溃缩变形，尤其是中部2个吸能盒的溃缩。

3)增加车架前段桁架中部吸能盒后部骨架，将冲击力向后传递。将溃缩变形主要控制在驾驶员座椅前端，远离乘客区域，并减小驾驶区的变形，保证驾驶员的生存空间。

3.2 改进效果

对比最大变形时刻变形情况如图7，前部结构变形得到控制，碰撞过程中方向盘及管柱没有侵入驾驶员生存空间，方向盘管柱距离生存空间最小距离x方向从原先的侵入86 mm变为间隔距离33 mm;前部吸能盒充分作用，尤其中部吸能盒也发生溃缩变形。

图7 改进前后最大变形时刻的变形量对比

改进前后驾驶员侧加速度曲线对比如图8所示，对比曲线的关键指标最大加速度、平均加速度以及加速度均方根三大指标评价车身碰撞安全性［14］，改进后，前部碰撞冲击峰值从原先的43.21g降低为33g，降低23.63%，加速度均方根减小了6.51%，波形效率更高了，具体指标见表2。

图8 改进前后驾驶员侧加速度对比

表2 加速度关键指标对比

4 结论

本文针对承载式公路客车车身前部30 km/h碰撞结构耐撞性进行试验与仿真分析研究，并对仿真模型有效性进行验证，研究分析车身结构吸能性、传力路径特点，并进行了结构改进设计，提高了结构的耐撞性，并得出以下结论:

1)通过对比前部主要变形模式、驾驶员生存空间侵入情况以及加速度波形，进行仿真模型的有效性验证。

2)通过对车身前部主要吸能杆件进行吸能统计与比较，总结车身前碰撞的主要变形模式、吸能情况与传力路径。

3)针对上述结构耐撞性分析，提出了前部结构改进方案，并对比前后变形量与加速度情况，结构耐撞性有了较大的提升。

修改稿日期:2018－05－28