公路客车中段侧翻有限元分析与结构优化

范春海

（石家庄中博汽车有限公司，石家庄，050800）

1 引言

近年来，客车安全事故频发，客车的安全性能日益受到各大生产厂家和客户的重视。据统计分析在各种客车交通事故中，侧翻是伤亡率最高的形式之一，常常造成群死群伤的结果。因此，对大型客车的侧翻安全性能进行分析研究，提高其抗侧翻能力，具有重要的现实意义。

车身骨架中段结构是客车车身结构的基本组成单元之一，在侧翻实验认证中是最危险的结构单元，因此在整车开发初期的结构方案阶段，需要对该结构进行充分的分析与优化设计，使之满足侧翻法规要求，在设计阶段完成对结构优化。

本文依据国内GB17578－1998及欧盟关于客车侧翻安全性的ECER66-00法规，对某12m大型全承载客车中段进行CAE建模和方案对比分析，在此基础上调整优化结构，以满足侧翻认证要求。

2 GB17578－1998侧翻结构的探讨和仿真分析

本次分析选取某12m大型全承载客车中段，经车型分析得到该分段吸收能量占整车的23%，故以整车整备重量为14t进行计算，该中段配重为3.2t，重心高度根据实测为1440mm距离地面；若配置人的一半的重量则按照34kg/人进行配重。

2.1 材料属性

本项目所研究客车的骨架结构方钢采用20#、Q235、Q345钢及W510L(单位选：t-s-mm-MPa)，下表为所用方钢的材料特性。

表1 方钢材料属性

2.2 方案对比分析

结合目前国内外常用客车车身结构，选取其中4种典型结构方案根据GB17578－1998进行对比分析，而后从中选择最佳方案。

2.2.1 方案A分析

说明：整体式腰梁，侧围上边框断开，顶盖加小斜撑，窗立柱材料为Q345B口60*40*3.0mm。如图所示：

图1 方案A结构形式

图2 最大变形时刻（侵入42mm）

图3 侧围大变形区域

图4 分段实验破坏情况

从上面分析结果可得出：方钢与另一方钢表面直接焊接，在抗侧翻瞬时弯曲作用下，会发生焊接方钢表面被撕裂的情况，故尽量避免弯曲的转轴为焊接在方钢表面的焊道。需要进行焊道的转移或是局部加强。

2.2.2 方案B分析

说明：整体式腰梁，侧围上边框断开，顶盖加小斜撑，窗立柱根部加八角，窗立柱材料为Q345B口60*40*3.0mm。如图所示（5-7）。

如下图可得出：八角扩大了焊缝的长度，提高了根部的强度，但是对于侧翻的贡献很有限。仍然侵入38.7mm。

图5 方案B结构形式

图6 最大变形时刻（侵入38.7mm）

图7 补强区域变形

2.2.3 方案C分析

说明：腰梁断开，窗立柱延伸至下腰梁，窗立柱材料为Q345B口60*40*3.0mm，如下图所示：

图8 方案C结构形式

9 最大变形时刻（侵入9mm）

图10 补强区域变形

如图可得出：腰梁打断，贯通窗立柱，充分发挥立柱的整体抗弯性能，但是仍然侵入9mm。

2.2.4 方案D分析

说明：腰梁断开，窗立柱延伸至下腰梁。窗立柱材料为Q345B口60*50*3.0mm

图11 方案D结构形式

图12 最大变形时刻（仍有24mm间隙）

图13 补强区域变形

生存空间没有被侵入，并有24mm的距离。

2.2.5 小结

根据以上的各个方案分析与研究，总结出侧围立柱贯通，延伸至下腰梁，同时采用为Q345口60*50*3.0mm为侧围最佳结构方案。

3 欧盟ECER66-00半载侧翻结构的探讨和仿真分析

结合上述4种方案分析结果对方案D进行加半载的欧盟ECER66-00分析并优化。

3.1 方案D半载分析

座椅椅面离地高度取450mm，在该处建立乘员半载质量单元进行加载。整体重心高度提高至距离地面1567.6mm，如下图所示。

图14 初始设计半载有限元模型

图15 结构最大变形时刻a

图16 结构最大变形时刻b

图17 侧翻过程能量变化情况

从以上可看出：最大变形时刻侵入生存空间67mm，整个碰撞能量较未加载多出25%以上。从整体结构的变形情况来看，顶盖变形较大，侧围立柱腰梁上部内凹，腰梁部分倾斜较大，无法完全抵抗变形，需要改进提高顶盖及腰梁部分的结构强度。

3.2 加半载分析优化设计方案

经过十几个方案的反复修改与分析验证，最终得到可以通过半载的结构方案，如下图所示。主要正对顶盖与腰梁进行加强。

通过结构改进与优化，结构刚好通过半载侧翻碰撞状态，满足生存空间需求。

图18 顶盖结构加强方案

图19 侧围结构加强方案

图20 加强后结构变形最大时刻

图21 加强后最大变形时刻的生存空间情况

4 结论

本文通过对客车典型分段结构进行结构分析与研究，在客车前期设计方案选择时期，可以较快实现结构方案的对比与分析，确定最优设计方案进行结构定版，在设计阶段消除一些结构上的缺陷，提高了设计的科学性，并缩短了结构优化与开发的周期。通过有限元建模并进行侧翻碰撞分析，得出了车身上部结构特别是侧围立柱和顶盖的不足之处，据此提出优化改进方案，最后的仿真分析表明所提方案能保证生存空间在整个侧翻过程中都不受到侵入，从而满足ECER66-00侧翻半载法规要求。