大客车侧翻仿真计算方法对比研究

司俊德 孙明英

摘 要：依据GB17578-2013《客车上部结构强度要求及试验方法》中规定，以某12米全承载客车为研究对象，详细分析了直接空翻法、刚柔转换法、计算触地时刻边界条件法和计算触地时刻角速度法四种侧翻分析方法中的能量、侵入量和时间差异。结果表明，直接空翻法、刚柔转换法侵入量精度较高，但耗费时间较长；计算触地时刻边界条件法和计算触地时刻角速度法的侵入量误差在4%以内，同时可以节省大量时间，通过对误差修正后，可作为优先选用的侧翻计算方法。

关键词：侧翻仿真；刚柔转换；角速度；边界条件

中图分类号：U461 文献标识码：A 文章编号：1671-7988（2018）17-82-03

Abstract： Accordance with the GB17578-2013 Regulation（Requirements and test methods of strength for the superstructure of bus） and a 12 meters bus FE model， The paper detailly introduces four kinds of bus rollover simulation methods by LS-DYNA. By comparing the deformation results and computing time of four kinds of simulation method， The Conclusion has a important significance to improving the rollover simulation efficiency In a 12 meters bus as the research object， a detailed analysis of the direct method of rigid flexible converting method， somersault， calculating contact moment boundary condition method and calculation method of contact moment angular velocity four rollover analysis method in energy， intrusion and time difference. The results show that the direct method of rigid flexible converting， somersault， amount of invasive method has higher precision， but takes a long time； calculating the contact moment boundary condition method and calculation method of contact moment angular velocity the invasion amount within an error of 4%， at the same time， can save a lot of time， based on the error correction， can be used as the preferred method of calculating the rollover.

Keywords： rollover simulation； deformable to rigid； angular velocity； boundary

CLC NO.： U461 Document Code： A Article ID： 1671-7988（2018）17-82-03

前言

随着计算机技术的发展，汽车有限元模型的精细度快速提高。目前，大客车侧翻仿真计算模型网格数量在40万以上，仿真過程耗时较多。客车侧翻过程中可分为空翻和触地变形两个阶段，空翻过程中除轮胎发生弹性变形，其余部件可认为是一个刚体[1]，且轮胎弹性变形导致整车质心位置变化可忽略，因此仿真计算中可不考虑轮胎的弹性变形。根据空翻阶段计算思路的不同，可将侧翻仿真计算方法归为四种，第一种方法是直接空翻法[2]，第二种方法是刚柔转换法[3]，第三种方法是计算触地时刻边界条件法[4，5]，第四种方法是根据碰撞能量计算角速度法。

本文结合某12米全承载客车，首先使用HyperMesh建立整车有限元模型；其次利用动力学分析软件Ls-Dyna为求解器，阐述了四种侧翻仿真计算方法思路；最后对比分析四种仿真计算方法的能量曲线、立柱侵入量和计算时间等计算结果。结果表明，能量曲线和立柱侵入量的差别较小，计算时间差别较大，方法一的计算时间最长，其次是方法二，方法三和方法四的计算时间最短，因此方法三和方法四的侧翻仿真的计算效率最高，可作为优先选用的侧翻计算方法。

1 大客车有限元模型的建立

该12米全承载客车的有限元模型如图1所示，包括骨架、车架、蒙皮、玻璃、前后桥、轮胎等结构。部件之间的连接通过共节点、刚性单元、铰链单元等方法模拟，例如车身骨架的焊接主要通过共节点的方式来模拟，蒙皮、玻璃与骨架通过刚性单元连接。前后桥和轮胎采用MAT20材料，其余部件多采用MAT24材料，玻璃应增加失效参数，未建模部件的质量由集中质量代替，保证整车有限元模型的重量、质心位置及转动惯量与实车一致。模型主要由壳单元组成，骨架网格尺寸为20mm，侧围立柱接头处网格尺寸为15mm，模型中单元数量总计45万。

2 四种侧翻仿真计算方法机理

2.1 直接空翻法（方法一）

直接空翻是仿真模型在空翻阶段仍是一个柔体模型，计算时间较长。首先创建翻转平台，为了计算上的效率与稳定，将翻转平台预先自水平旋转并接近最大翻转角度2°左右，对翻转平台施加不超过5°/s的旋转速度，如果施加的旋转速度过大，将会使车辆增加额外的侧翻动能。其次是创建距旋转轴800mm以下的刚性地面和评价生存空间的实体模型，并定义车辆的自身接触、车辆与刚性地面的接触及轮胎与翻转平台的接触。最后是定义控制计算的卡片和计算结果的输出。在计算时间上的设置，应保证整车与刚性地面发生碰撞后并出现反弹。

2.2 刚柔转换法（方法二）

刚柔转换是采用空翻阶段整车可视为一个刚体在运动的思路，以减少计算时间。该方法在方法一的仿真模型中增加两个*DEFORMABLE_TO_RIGID_AUTOMATIC关键字实现的。计算初始时刻利用轮胎与翻转平台的接触力使模型中的柔体转化为刚体，实现整车模型变成一个刚体，缩短了空翻阶段的计算时间；当车体与地面发生接触时，利用此时车体与刚性地面的接触力使模型中被转化刚体的柔体重新变为柔体，车身结构开始发生变形。

空翻阶段：柔体转化为刚体，建立第一个*DEFORMA BLE_TO_RIGID_AUTOMATIC关键字，选择模型中的一个刚体*PART为主刚体，选择模型中由其余*PART（包括柔体*PART和刚体*PART）组成的一个从刚体*SET_PART集合，从刚体中不建议包含有0D和1D单元，由于模型中全是刚体，必须在此关键字下设置刚体的计算时间步长。

触地变形阶段：刚体转化为柔体，建立第二个*DEFOR MABLE_TO_RIGID_AUTOMATIC关键字，选择模型中由全部柔体*PART组成的* SET _PART集合。由于刚柔转化不支持所有的关键字，可通过错误提示、能量曲线及单元运动轨迹，确认计算结果的准确性。

2.3 计算触地时刻边界条件法（方法三）

该方法是将空翻阶段和触地变形阶段两个阶段分开计算，空翻阶段的计算结果是触地变形阶段的输入。第一个阶段，与方法1中的建模方法相同，区别是用少量单元的刚体模型计算整车触地时刻的三个平动（X、Y、Z）、三个转动（RX、RY、RZ）的位移和速度。第二个阶段：根据空翻阶段计算出的六个方向的位移，将整车侧翻模型摆放至触地时刻状态，再给模型施加六个方向的速度，作为第二次仿真计算的加载条件。该方法能有效避免刚柔转换中由于部分关键字的不支持而导致计算错误的问题，且计算时间大幅度减少，缺点是整个侧翻计算过程中需要建立两次分析模型。

2.4 计算触地时刻角速度法（方法四）

空翻过程中，可以将车辆的运动简化为绕定轴转动，首先根据能量守恒计算其触地时刻的角速度，然后将车辆旋转至触地时刻状态，对整车施加绕旋转轴的角速度，直接开始计算。空翻过程中其质心位置的变化如图2所示，根据能量守恒，触地时刻整车绕旋转轴的角速度可有公式1求得：

式中：ω为车辆触地时刻角速度；m为车辆半载质量；g为重力加速度；△h为翻转过程中车辆质心的垂直位移量；J为整车绕旋转轴的转动惯量。

3 计算结果对比

3.1 能量曲线的对比

图3-图6为四种仿真计算方法得到的能量曲线。最大动能时刻为触地时刻。方法一、方法二、方法三、方法四的最大动能分别是135.8kJ、137.0kJ、133.5kJ、132.7kJ。最大内能时刻为最大变形时刻，方法一、方法二、方法三、方法四的最大内能分别是128.5kJ、129.7kJ、125.9kJ、135.3kJ。与方法一中的能量相比，方法四的误差最大，方法三次之，方法二的误差最小。

3.2 立柱侵入量的对比

在生存空间上建立局部坐标系，选择侧围立柱上且与生存空间最上端对其的一个节点，输出该节点在该局部坐标系中的位移，即立柱对乘员舱的侵入量。四种仿真计算方法得到的变形如图7-图9所示。

方法二与方法一的变形结果基本100%吻合，方法二与方法一在触地时刻，车辆状态是一致，不采用任何简化思路，所以变形量基本相同，且较准确；方法三中忽略了三个较小速度分量VX、RVY、RVZ，最大内能相对最小，所以总体

变形呈略小的趋势；方法四将空翻阶段简化为绕定轴转动，最大内能相对较大，所以总体变形呈略大的趋势。四种计算方法的变形结果在中间立柱处，误差最小，这主要是由于前轴轮距与后轴轮距的不同，使车辆在空翻过程中产生一个绕车身Z轴的微小旋转分量，方法三中忽略了该微小分量，而方法四种没考虑该微小分量，造成方法三和方法四在前后立柱处产生一个较大的误差。与方法一中的侧围立柱变形量相比，最大误差是4%，位于方法三中的前立柱处；其次是2.7%，位于方法四中后立柱处；其余误差都小于1.7%。

3.3 計算时间的对比

由表1知，方法一在计算时间上最长，通过使用刚柔转换的方法后，计算时间缩短了一半之多。方法三和方法四在计算时间上大幅度缩短，如果对变形误差进行适当的修正后，方法三和方法四可以作为首选的侧翻仿真计算方法。

4 结论

直接空翻法和刚柔转换法不采用任何简化思路，所以变形量基本相同，分析结果较准确，考虑到计算时间，虽然刚柔转换法在计算时间上相对直接空翻法缩短近一半之多，但相比另外两种方法，计算时间同样显得较长，计算效率不高。与直接空翻法和刚柔转换法相比，计算触地时刻边界条件法和计算触地时刻角速度法的侵入量误差在4%以内，计算时间却大幅度缩短，通过对误差修正后，可作为优先选用的侧翻计算方法。

参考文献

[1] GB 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] 亓文果.基于ECE R66法规的客车侧翻碰撞安全性能仿真与优化[J].汽车工程，2010，（12）.

[3] Ls-Dyna Keyword Users Manual VolumeⅠ.Livermore Software Technology Corporation. Issue Date： 21/01/2002.

[4] Chopade，S. E.， Mahajan，R.S and Raju，S.Certification of Buses as per AIS-031/ ECE-R66 Using CAE Methods. SAE Paper No. 2009-26- 001.

[5] Tiwari， Sanjay. Performance Evaluation of Bus Structure in Rollover as Per ECE-R66 Using Validated Numerical Simulation. SAE Paper No. 2009-26-002.