客车正面碰撞仿真分析及性能优化

彭 旺，张雅鑫

(比亚迪汽车工业有限公司，广东深圳 518118)

据统计，客车正面碰撞事故约占客车事故的40%～60%，同时死亡人数占比达到 60%左右［1－3］。客车在碰撞过程中，车辆前部结构会发生极大变形与溃缩，立柱、座椅和隔板等附件发生严重变形侵入驾驶员与乘客生存空间，造成大量人员伤亡事故［4－5］。因此，开展客车前部结构强度研究具有重要意义。本文基于HyperMesh/Ls－Dyna模块对某客车进行正面碰撞安全分析研究，并根据实车正面碰撞试验结果，对客车正面碰撞仿真分析进行可行性验证。

1 客车有限元模型建立

2016年，重庆车辆检测研究院进行多种类型客车的100%正面刚性壁障碰撞试验，碰撞速度为30～32 km/h，故本分析采用相同初始条件:客车整备质量状态下以30 km/h进行100%正面刚性壁障碰撞模拟。

在建立客车有限元模型时需对其进行简化。本模型保留车架、车身骨架等主要承载结构，简化蒙皮、玻璃和内外饰件等非主要承载结构［6－8］。刚性壁障及地面采用刚性墙Rigidwalls进行模拟;在Z方向施加9.81 m/s2的重力加速度;在－X向施加30 km/h速度;客车模型自接触采用自动单面接触算法［9］。整车骨架及轮胎等部件采用壳单元构建［5］，其余电器件等通过Mass点进行配重，焊接与铆接采用Rbe2单元进行连接处理。本模型采用10 mm×10 mm单元尺寸进行划分网格，其中网格质量各项指标需满足建模要求:Warpage≤15°;Aspect Ratio≤5;Angle Quad=40°～135°;Angle Tria=25°～120°;Jacobian≥0.6;三角形壳单元百分比不超过5%。图1为某客车正面碰撞有限元模型。

图1 某客车正面碰撞有限元模型

2 客车正碰分析方案研究

2.1 客车前部结构优化思路

客车正面碰撞过程中，客车前端吸能区未吸收的能量会通过车架车身结构传递至驾驶员所在的坚固区和前排乘客所在的后端吸能区，传递至后方的能量越大，坚固区变形越大，同时驾驶员和前排乘客产生的加速度越大，驾驶员侧结构变形量过大会导致驾驶区结构侵入驾驶员生存空间;加速度过大会对人员造成强烈冲击伤害;乘客门侧A柱位置变形量过大会导致乘客门无法打开影响救援。故为了保证驾驶员和乘客的安全，吸能区前部结构需要尽可能多地吸收碰撞能量，所以前部结构设计非常重要［10－13］。前部结构分区及碰撞力传递路径如图2所示。

图2 前部结构分区及碰撞力传递路径

2.2 客车正碰分析方案

为进一步研究客车前部吸能区结构对提升客车正面碰撞性能的影响，对下列3种方案进行对比分析:

1)原方案，未安装吸能防撞装置。

2)改进方案1，安装吸能防撞装置，如图3所示。吸能防撞装置包括防撞梁主梁、防撞梁连接件和吸能盒等结构，主要材料为Q345B。

图3 吸能防撞装置方案1

3)改进方案2，优化吸能防撞梁结构及吸能盒布置形式、数量，如图4所示。吸能盒表面变为褶皱结构，溃缩能力增强，单个吸能盒的吸能能力提升;主梁两端变为斜面结构，通过吸能盒满足吸能装置与车架的固定，同时吸能盒数量翻倍，吸能能力也显著增长。

图4 吸能防撞装置方案2

3 客车正碰仿真结果分析及验证

3.1 客车正碰仿真数据读取

碰撞仿真结束后对结果进行分析，读取左右两侧立柱a－c上5点的X向相对变形量，位置如图5所示。同时读取转向管柱后部位置、驾驶员座椅椅脚位置、第一排乘客处座椅椅脚位置加速度仿真值，分别定义为ACC1、ACC2、ACC3，统计X向加速度大小并进行数据分析［12－13］。

图5 前部结构变形量测量位置

图6 为客车正面碰撞仿真结果中立柱a－c上5点间的X向相对变形量读取数据，其中Rab_11代表立柱a和立柱b上1号点之间的X向相对变形量，以此类推;表1为各方案ACC1、ACC2、ACC3 3点的加速度峰值仿真值读取数据。

图6 各方案前部结构变形量对比

表1 各改进方案加速度峰值与原方案对比 g

3.2 客车正碰仿真数据分析

原方案正碰仿真结果中，乘客门侧ab柱间最大变形量为375 mm，可能导致乘客门无法打开。驾驶员侧ab柱间最大变形量为213 mm，变形量会侵入驾驶员生存空间。驾驶员处－X向加速度峰值为134.1g，驾驶员受到的冲击伤害会很大。

改进方案1正碰仿真结果中，增加吸能防撞装置后，分析结果中乘客门侧ab柱间最大变形量减小至281 mm，对比原方案下降25%，乘客门侧ab柱间最大变形量为149 mm，下降30%;ACC1、ACC2、ACC3 3处X向加速度最大峰值分别下降41.94%、50.48%、30.22%;变形量及加速度均有改善。

改进方案2正碰仿真结果中，优化吸能防撞装置后，分析结果中乘客门侧ab柱间最大变形量降为202 mm，对比原方案下降46%，驾驶员侧ab柱间最大变形量降为71 mm，下降66%;ACC1、ACC2、ACC3 3处X向加速度最大峰值分别下降58.31%、65.40%、30.22%;变形量及加速度改善程度较改进方案1更加明显。

从各方案变形量及加速度峰值对比可知，改进方案1相对原方案变形量及加速度均有改善，改进方案2较改进方案1改善量更大，说明整车前部结构的优化可以很大程度地降低驾驶员区和乘客区结构受到的影响，降低乘员伤害，提高客车正面碰撞安全性。

3.3 仿真可行性验证

图7为改进方案1试验车碰撞转向管柱后部位置、驾驶员座椅椅脚位置、第一排乘客处座椅椅脚位置加速度曲线。试验车吸能防撞结构与改进方案1一致。试验车3处加速度曲线与改进方案1仿真分析曲线趋势基本一致，试验车3处加速度峰值分别为79g、81g、16g;改进方案1仿真分析3处加速度峰值分别为85.9g、78.5g、18.7g。通过加速度数据对比可以看出，改进方案1的加速度峰值与试验车偏差分别为13.3%、3%、16.9%，具有较高一致性;同时分析改进方案1能量曲线可知，滑移能、沙漏能均满足标准，初始总能与结束总能能量变化小于2%，故认为该正面碰撞仿真分析方法合理可行。

图7 试验车各位置加速度曲线

4 结 论

通过正面碰撞仿真分析对比客车3种前部结构方案，表明优化前部吸能防撞装置能显著提升客车正面碰撞安全性，实车正面碰撞的试验结果对客车正面碰撞仿真分析的方法进行可行性验证。