某客车侧翻仿真分析与改进

孟航宇，吴胜军

（湖北汽车工业学院 汽车工程学院，湖北 十堰442002）

随着科技的不断发展，人均汽车保有量在不断攀升，与此同时，交通事故的发生率也在不断增加。客车作为人们日常出行交通工具，乘员数较多，一旦发生事故，容易造成严重后果，因此客车车身结构的安全性成为人们关注的热点。客车交通事故类型主要分为正面碰撞、侧面碰撞、追尾碰撞及侧翻碰撞。由于客车重心较高，车身顶部以及侧围骨架相比其他部位较为薄弱，发生侧翻事故时，乘员受到的伤害要远高于其他种类事故［1］。客车发生侧翻事故时，顶部及侧围最先接触地面，是主要吸能结构。客车从质心最高处侧翻，重力势能转化为动能，接触地面后，动能转化为塑性变形能和热能，剩余能量向乘员舱传递到乘客造成损伤，因此良好的侧围顶部设计能够减小乘员二次碰撞受到的损伤，从而提高客车侧翻安全性。文中以某客车为研究对象，对其车身骨架进行仿真，对仿真结果进行分析并提出改进方案，有效提高了车身骨架侧翻安全性。

1 客车骨架模型的建立

1.1 客车骨架模型的建立

利用Catia 软件完成客车车身骨架建模及装配，如图1 所示。在Hypermesh 软件中建立其有限元模型，如图2 所示，在满足精度的条件下对模型进行合理简化，并控制网格尺寸数量以减小运算时间，提高运算效率。客车车身由薄壳矩形杆件通过焊接连接为车体，属于薄壳结构。客车上的一些附件，如座椅、乘客、空调以质量点施加在车身骨架上，发动机、变速箱、油箱用刚性长方体表示。底架材料为合金钢Q345，车身材料为低碳钢Q235，设置材料的密度、泊松比、弹性模量等属性，对客车车体之间的连接进行简化，统一用节点方式代替车身各个部位连接方式［3］。

图1 客车骨架模型

图2 客车有限元模型

1.2 客车生存空间的建立

GB 17578—2013 对生存空间进行了详细的规定：定义客车座椅某处点SR为基准点，点SR距离乘客座椅下地板500 mm，距离侧围表面150 mm，生存空间高度为750 mm，到内壁的距离为400 mm，驾驶员座椅距离车身前端600 mm，最后一排座椅距离后端200 mm［2］，生存空间横截面视图见图3。

图3 生存空间横截面视图

2 客车侧翻试验

ECE R66 法规规定的3 种试验方法分别为整车侧翻试验法、车身截段侧翻试验法和车身段摆锤试验法。整车侧翻试验法是将整车放置于平台上，缓慢旋转平台，直至旋转到某个角度客车将从平台掉落侧翻脱离试验台；车身截段侧翻试验法是选取客车具有代表性的一段或者几段放置于侧翻试验平台上，按照整车侧翻试验的方法进行试验；车身段摆锤试验法是客车静止于试验台，摆锤从中央平面成25°开始以3～8 m·s⁻¹速度撞击车身，观察其生存空间侵入量情况。在这些试验方法中，整车试验是应用最广泛也是精确度最高的试验，能对客车侧翻安全性作全面评估，试验方法如图4所示。

图4 客车侧翻试验

客车放置在可以倾斜的平台上，纵向垂直平面与翻转轴平行，保持试验台与客车以0.087 rad·s-1匀速旋转，直至客车发生侧翻撞击地面，客车翻转平面与撞击平面的垂直高度为800 mm［2］。

2.1 仿真参数确定

在实际试验中，开始时客车随着平台一起转动，到达某个角度后客车由于重力而发生侧翻从而碰撞地面，在应用Ls-dyna进行侧翻仿真模拟过程中，如果从脱离试验台开始计算，设置的时间较长［3］。而评价客车侧翻安全性是从客车碰撞地面开始的，在客车由临界点侧翻的过程中，重力做的功被转化为动能，通过能量转化的方式可以提高Ls-dyna 的运算效率，因此在进行仿真运算前需要确定侧翻时相应的参数。

1）临界侧翻角 在重力的作用下，客车刚脱离平台而开始侧翻的角度称为临界侧翻角。在仿真过程中假定汽车为刚性体并忽略悬架和轮胎的变形［4］，对临界侧翻点进行受力分析得到：

式中：B为轮距；h0为重心高度；β为临界侧翻角，此时临界角为42.04°。

2）初始速度 客车侧翻试验中，客车和平台缓缓匀速旋转，速度为0.087 rad·s-1，当客车到达临界侧翻角时发生侧翻，依据机械能守恒定理［5］，客车侧翻临界位置机械能等于侧翻碰撞地面的机械能：

式中：EK1、EK2分别为碰撞前后动能；EP1、EP2分别为碰撞前后势能；ω1为临界状态下角速度；ω2为刚接触地面时的角速度；J为客车的转动惯量。在软件中计算出客车在临界侧翻位置前和客车接触地面时重心高度差Δh为692.3 mm，J为3.79×107kg·m²，将J代入式（3）可得ω2为1.987 rad·s-1。

在侧翻碰撞过程中，从客车离开平台到接触地面，始终是重力在做功。因此仿真中定义其加速度为9 800 mm·s-2，在*CONTROL_TIMESTEP 卡片中设置时间步长系数TSSFAC 为0.9，时间步长DT2MS为-1.5×10-6，终止时间设置为400 ms。

2.2 评价指标

GB 17578—2013 规定：无论是侧翻过程中还是侧翻结束时，生存空间任何部位都不准侵入到客车侧围，客车侧围任何部件也不准侵入乘客生存空间［2］。一般情况下，立柱到生存空间侵入量D可以用来评判客车侧翻安全性，如图5所示，D大于0表示未侵入生存空间，D不大于0表示侵入生存空间［4］。

侵入量是指各立柱到乘员生存空间的距离，立柱侵入量越小，说明乘员越有可能受到伤害，因此，侵入量D 可以作为评判客车侧翻安全性的指标之一。各立柱编号如图6所示，观察生存空间上的点与立柱之间的侵入量，从而评判客车侧翻后各立柱是否侵入乘客生存空间。

图5 立柱侵入量评价标准

图6 各立柱编号

3 改进前仿真结果

客车侧翻过程仿真包含几何非线性、材料非线性和接触非线性的动态求解过程，将建立的客车车身骨架有限元模型导入Ls-dyna进行仿真，根据需要可以输出节点应力、刚性墙应力、系统动能、内能、沙漏能等参数，并生成车身骨架变形图、加速度变化曲线和碰撞中各种能量的变化图。

3.1 侧翻过程

选取侧翻仿真过程中0 ms、100 ms、200 ms 和400 ms 时刻客车车身骨架的变形图，如图7 所示。从图7中可以看出：0 ms时刻客车车身顶部与侧围最先接触地面，车体开始发生变形，到100 ms 时刻，车身顶部与侧围发生明显变形，随着碰撞的深入，到200 ms 时刻变形程度较100 ms 时刻更加明显，此时侧围立柱由于受到顶部冲击，导致被压溃变形较大，同时发生变形的部位还有腰梁以及顶盖与侧围铰接部位，而从客车刚接触地面时刻到碰撞结束任何部件都未侵入乘员生存空间。

图7 不同时刻客车车身骨架变形图

3.2 结果分析

1）能量分析 客车在侧翻的过程中，客车的动能逐渐增大，势能逐渐降低，在接触地面的瞬间，客车车体的动能达到最大值，然后动能迅速减小，转化为塑性变形能和车体与地面摩擦产生的热能，车体在地面上的位移较小，可忽略摩擦产生的热能，图8a展示了客车与地面接触后各个时刻能量的变化曲线。沙漏能是评判仿真结果是否准确最重要的指标之一，若沙漏能与总能量之比不超过5%，则认为仿真结果可信。由图8a 可知，沙漏能与总能量占比远小于5%，判断该仿真结果可信。

2）立柱侵入量 由于侧翻过程中A柱与I柱距离生存空间较远，选取有代表性的B柱、D柱、E柱、G 柱和H 柱，测量其侵入量与时间关系曲线，如图8b 所示。从图8b 中可以看出，客车与地面接触后整个车体发生变形，随着碰撞的逐渐深入，车身骨架变形达到最大，侵入量迅速下降，之后由于车体反弹，侵入量有所增加，直至碰撞结束。侵入量较小的为H 柱，侵入量曲线在115 ms 时达到最小值74.72 mm，满足客车任何部件不会侵入乘客生存空间的规定，可进一步改进，提高其侧翻安全性能。

图8 改进前客车侧翻仿真结果分析

3）加速度曲线 加速度是反映客车侧翻安全性指标之一，加速度越大和持续时间越长，对乘员伤害越大，如果加速度超过人体极限，车身对乘员的二次碰撞将会造成极大伤害，因此加速度峰值越小，对乘员造成的伤害就越低［5］。质心加速度曲线如图8c所示，由图8c可以看出，在客车接触地面时加速度达到峰值11 g，这是由于客车刚接触地面骨架还没有完全变形，随着碰撞进行，车身结构发生变形，吸收能量，加速度变化平缓稳定。

4 结构改进与分析

4.1 侧围改进

在客车侧翻过程中，侧围是最先接触地面的部位，也是乘客最有可能接触到的部位［6］。提升客车侧翻安全性就是提升其强度和刚度，在客车内壁采用较柔软的材料，既可以吸收侧翻碰撞产生的能量也可以降低对乘客造成的伤害［7］。在其腰梁部位上方50 cm和侧围上纵梁下方50 cm各增加1组防撞梁，从而提升侧围扭转刚度，提高侧翻安全性。在图2 基础上进行改进，改进后的侧围布置如图9所示，其中深色的防撞梁为新增构件。

图9 改进后客车骨架结构

4.2 仿真结果分析

图10 改进后不同时刻客车车身骨架变形图

如图10所示，选取仿真过程中的4个典型时刻0 ms、100 ms、200 ms 和400 ms 的客车车身骨架变形图。由图10 中可以看出，从车体刚接触地面直到碰撞结束，生存空间始终没有侵入客车侧围。

图11 改进后客车侧翻仿真结果分析

1）能量变化曲线 由图11a可知，曲线变化趋势与改进前变化趋势基本一致，显示了侧翻仿真工况中动能、势能、内能不断转化的过程。在重心下降过程中，动能逐渐降低，内能逐渐增加，由于重力势能做功，导致总能量较初始有所增加，在133 ms时变形达到最大，之后车身产生回弹，能量值趋于稳定，各曲线变化平缓，沙漏能与总能量之比始终小于5%，满足精度要求。

2）侵入量曲线 改进后的侵入量曲线如图11b所示，由图11b可知，改进后的变化趋势大致与改进前相同，其中H柱侵入量较小，为94.74 mm，相较改进前提高20.02 mm，即安全余量提升了26.8%，证明改进方案可行，改进后的模型侧翻安全性进一步提高。

3）加速度曲线 图11c 为改进后质心加速度曲线，由图11c 可知，加速度峰值对应的时刻为刚接触地面的时刻，此时乘员受伤的可能性较大，最大值为7 g，相对改进前的峰值加速度降低了4 g，加速度降低了36%，说明改进后的方案能够更好地保护乘员，降低了乘员受伤的风险。

5 结论

1）建立了客车生存空间有限元模型，通过Lsdyna 仿真表明，乘员生存空间未受侵入，客车符合法规要求。

2）仿真实验表明：生存空间安全余量不大，通过对侧围的改进，有效提高了生存空间安全余量，改进后的加速度峰值降低了36%，安全余量提升了26.8%，客车侧翻安全性能提高。