10.5 m公路客车正碰仿真分析及改进

王 煜， 汪中传, 郭 悦

(安徽安凯汽车股份有限公司， 合肥 230051)

随着公共交通出行和旅游业的快速发展，客车行业进入到了高速发展阶段，同时大家也越来越重视客车的安全性能[1]。由于其载客数量多，一旦发生严重车祸，就会出现群死群伤的后果。客标委快速做出反应，发布了《客车前部结构强度要求及试验方法》征求意见稿。本文通过对10.5 m公路客车进行仿真分析，研究正面碰撞后假人各要求部位的伤害值，并进行改进。

1 整车有限元建模

基于该客车的三维模型进行有限元网格划分，并根据CAE有限元分析模型简化原则[2-3]，对该车有限元模型进行正确合理的简化处理。

客车底架、前后围、侧围以及顶盖主要由矩形管拼接而成，形状较规则，故对其抽壳采用2D壳单元划分网格。推力座、前后桥中的一些零部件由于其厚度较大，一般超过了10 mm，故采用3D实体单元划分网格。其余如发动机、变速器、离合器等较复杂的零部件，对其表面划分网格后进行厚度偏置。整车骨架网格大小采用10 mm划分，蒙皮、玻璃等形状较规整的采用20 mm划分。具体整车FE模型信息如下：满载质量15.6 t；质心位置(X,Y,Z)3 480，-3，1 400；整车节点数4 120 568；整车单元数5 653 526。

在整车的连接中，矩形管或者钢板连接主要采用节点融合，并管采用1D刚性单元RigidBody连接；整车玻璃采用胶粘方式连接，胶粘类型选择adhesive(shell gap)；蒙皮与车身采用焊接方式连接，焊接类型选择mat100(hexa)；各零部件之间的运动副采用与实际运动相符的铰链连接；动力总成、空调等零部件与车身骨架连接采用关键字*CONSTRAINED_RIGID_BODIES进行连接[4]；为了能更真实地模拟轮胎内部充气的影响，需要在轮胎内部建立一个airbag气囊模型，该气囊由其四周封闭单元组合定义一个contactsurfs[5]。整车有限元模型如图1所示。

图1 整车有限元模型

为了后续优化的方便，将模型以不同零部件的形式分成各个子k文件，最终由master总文件利用关键字 *INCLUDE将其整合。

网格划分完毕后，由于内外饰、电器等未建模的部件以及底盘、动力总成等较复杂的零部件采用表面划分网格的均需对其进行配重，最终使模型的质心与整备车辆的质心相同。其中内外饰、电器等采用均布质量点的配重方式，底盘和动力总成等部件采用集中质量点的方式进行配重。

前述征求意见稿要求客车应具有足够的强度和刚度，计算机模拟整车碰撞试验中采用的假人为Hybrid III 50%的假人模型。根据乘客座椅在车辆上的布置情况，规定在车辆紧邻前部约束隔板的第一排乘客座椅的每个座位，第二排左侧靠窗的座位，第三排更靠前的一侧乘客座椅的每个座位，各安放一个假人。根据该车的座椅布置，放置假人后的人员布置如图2所示。

图2 假人放置情况

考虑到假人的实际重量会使得座椅面有一定凹陷变形，故下一步进行座椅变形处理，最后对假人的其他部位进行调节，使得假人符合实际坐姿。

当假人的位置调整完毕后，进行安全带的绑定。该车包括驾驶员在内的前三排乘客均采用三点式安全带，故仿真中假人全部利用Primer软件进行三点式安全带的建模。

在安全带建模过程中，为了防止在碰撞过程中卷轴器Retractor中的1D单元过短而导致计算终止，将卷轴器Sbelt rows inside参数调整为50，以便1D单元在碰撞中有足够的伸长量；同样为了防止滑环Slipring的1D单元过短，将滑环两边的1D单元替换成2D单元，这样在后续计算中避免因安全带1D单元过短而导致计算终止。安全带的其他参数均按供应商提供的参数进行设定。

2 正面碰撞仿真分析

根据征求意见稿要求，将在仿真系统中建立刚性墙，其方向与试验车辆行驶方向相对，一般仿真中的刚性墙类型选择RWPlanar，此刚性墙在仿真中为无边界刚性墙[6]。考虑到仿真计算时间的问题，将刚性墙建立在车辆前方5 mm左右即可，以此来缩短车辆行驶过程中的计算时间。利用关键字 *DEFINE_BOX将整车放置其中，赋予盒子速度为30 km/h即 8 333.333 mm/s，此状态为正面碰撞仿真的初始状态。设置碰撞持续时间为120 ms，2 ms输出一个动画结果。此外需对整车和刚性墙作接触定义，用关键字*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE对整车进行自接触定义，利用关键字*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE对整车与刚性墙作面对面的接触定义[7]。碰撞仿真初始状态如图3 所示。

图3 碰撞仿真初始状态

设置完毕后，利用LS_DYNA进行求解计算，将结果文件中的d3plot用后处理软件HyperView打开，查看整个碰撞的过程动画，120 ms时碰撞车辆的状态如图4所示。

图4 120 ms时的碰撞状态

查看仿真中的能量曲线图，得到能量守恒，沙漏能、滑移能均小于总能量的5%，可判断此仿真的有效性[8]。

仿真计算后，打开编制好的tpl文件，导入结果文件中的binout文件可查看假人的各部位伤害值情况。具体各部位伤害值曲线图见下文改进前后对比图，虚线为改进前伤害值曲线。头部伤害值HIC最大值达到962.398，超过“征求意见稿”中的最大允许指标500；颈部剪切伤害符合“征求意见稿”中的要求，拉伸伤害大于限值曲线，不符合要求，颈部对Y轴弯矩在伸张方向最大达到60.43 kN，超过最大值要求；由于方向盘在碰撞过程中撞击了胸部，故胸部3 ms加速度达到了134.7g[9-10]，远超“征求意见稿”要求值；左腿受力最大值为6.9 kN、右腿受力最大值为9.98 kN，小于10 kN的要求，且满足持续作用时间大于20 ms时，受力均小于8 kN的要求，所以大腿受力符合“征求意见稿”规定的要求。

3 改进

从仿真后的结果得到，客车正碰后头部、颈部、胸部均不符合意见稿的要求，只有大腿的受力符合要求。通过仿真动画看出，方向盘在正面碰撞过程中撞击人体胸部是导致伤害值不符合要求的主要原因，而客车正碰主要依靠前围及底架前段进行吸能。通过以上分析，改进主要从以下两个方面进行考虑：

1) 结构优化。前围部分纵梁和底架前段相对较为薄弱，导致前围侵入过多，所以应加强纵向结构，减小方向盘的撞击力度。在备胎支架的下端及两侧骨架增加纵梁，底架前段第一片梁增加纵梁结构，纵梁桁架增加相应斜撑。

2) 材料优化。前围碰撞件材料主要由Q345和Q235组成，Q345比Q235材料强度较强，所以主要纵梁吸能件尽量采用Q345材料。

改进后再次进行仿真计算，得到的各项指标见表1，除胸部加速度稍高于要求外，其余均已达标。改进前后的结果对比如图5到图8所示。

表1 改进后各项指标结果

图5 改进前后头部加速度曲线对比图

(a) 改进前后颈部伸张力对比

(b) 改进前后颈部剪切力对比

(c) 改进前后颈部对Y轴弯矩在伸张方向对比

图7 改进前后胸部合成加速度曲线对比图

(a) 改进前后左大腿受力对比

(b) 改进前后右大腿受力对比

4 结束语

本文基于LS_DYNA对该车型依据《客车前部结构强度要求及试验方法》征求意见稿进行正面碰撞仿真分析研究。由仿真结果分析得出头部、颈部、胸部均不符合要求，对该车的前围、底架前段结构以及材料进行改进后基本达到意见稿要求。