（光学工程专业论文）客车侧翻安全性仿真与设计改进研究.pdf

客下侧翻安伞件仿真j 设计改进研究 摘要 目前，国内客车侧翻安全性仿真研究较少，尤其是对侧翻安全性仿真评价方 法和结构安全性的研究才刚刚开始。新版g b t1 7 5 7 8 客车上部结构强度的规定 正在修改和制定中，随着新法规的强制性实施，将会促进客车侧翻安全性的提高。 本文根据汽车碰撞有限元基础理论和汽车结构耐撞性特点，首先以某全承载 大客车为研究对象，建立了几何模型和有限元模型，依据e c er 6 6 法规对其进行 了侧翻试验仿真计算。在整车模型的基础上，建立了车体截断式模型，并对其进 行了仿真对比验证，得出了车体截断式模型可等效模拟整车模型进行客车侧翻模 拟试验的结论。之后，采用车，体截断式模型的基础之上，进行了客车侧翻安全性 仿真评价方法的研究，提出了两种新的评价方法一生存空间接触力式评价方法和 穿透式评价法，通过仿真试验验证了穿透式生存空间评价方法是一种简单、有效 的仿真评价方法。运用该评价方法具体研究了客车车身骨架结构形式对侧翻安全 性的影响，得出结论：斜撑梁和角板的增加，客车上、下腰梁间距的增大，以及 封闭环式客车骨架结构形式能有效的增加客车侧翻的安全性。最后，针对某西部 山区营运客车，进行了几何模型和有限元模型的建立，通过仿真分析和结构优化， 最终使其达到侧翻安全性法规的要求。 本文探讨了客车侧翻安全性仿真评价方法和分析了客车车身骨架结构形式对 侧翻安全性的影响，有助于推进新版g b t1 7 5 7 8 客车上部结构强度的规定法 规的制定和为国内客车生产厂家侧翻试验有限元分析提供借鉴和参考。 关键词：客车；侧翻；仿真：客车骨架；设计改进 i l 硕1 ：学位论文 a b s t r a c t t h ec o a c hr o l l o v e rs a f e t ys i m u l a t i o nl e s si nc h i n an o w ，e s p e c i a l l yf o rt h e e v a l u a t i o nm e t h o d so fr o l l o v e rs a f e t ys i m u l a t i o na n dt h eb o d yf r a m e w o r ks a f e t y s i m u l a t i o ns t u d yh a sj u s tb e g u n w i t ht h en e wr e v i s e de d i t i o no fg b tl7 57 8 ”p r o v i s i o n so fs t r e n g t hf o rt h es u p e r s t r u c t u r eo fb u s ”i sm a n d a t o r i e dt oi m p l e m e n t ，i t w o u l ds u b s t a n t i a l l yr e d u c et h ec a s u a l t yr a t eo fb u sr o l l o v e ra c c i d e n t a c c o r d i n gt ot h eb a s i ct h e o r y o ff i n i t ee l e m e n t a n dv e h i c l es t r u c t u r a l c r a s h w o r t h i n e s sf e a t u r e s ，j f i r s to fa l l ，ag e o m e t r i cm o d e la n df i n i t ee l e m e n tm o d e lo f f u l l 1 0 a db u sa r ee s t a b l i s h e d ，b a s e do ne c er 6 6r e g u l a t i o n st h es i m u l a t i o no fr o l l o v e r t e s tw a sc a r r i e do u t b e c a u s ee s t a b l i s h m e n ta n ds i m u l a t i o no ft h ef i u u - l o a db u st a k e m u c ht i m ea n dc o n s i s t i n gw i t ht h eb u st e s to f e c er 6 6 ，s ob a s e do nt h em o d e l e s t a b l i s h e d ，ab o d ys e c t i o ni se s t a b l i s h e d ，a n di t ss i m u l a t i o nr e s u l ti sv e r i f j e da n d s h o w e dt h a tt h eb o d ys e c t i o nc a nr e p l a c et h ef u 1 1 1 0 a dc o a c h t h e n ，b a s e do nt h eb o d y s e c t i o n ，f o re v a l u a t i o nm e t h o d so fab u sr o l l o v e rs a f e t ys i m u l a t i o ns t u d i e d ，b r i n g e d f o r w a r dn e we v a l u a t i o nm e t h o d s ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ee v a l u a t i o n m e t h o do fr e s i d u a ls p a c ep e n e t r a t i n gt y p ew a sak i n do fs i m p l ea n de f 艳c t i v em e t h o d o fs i m u l a t i o ne v a l u a t i o n a n dt h eb o d yf r a m e w o r ki n n u e n c eo nt h er o l l o v e rs a f e t y w a sr e s e a r c h e db yt h i sm e t h o da n dc o n c l u d e dt h a tb r a c i n gp i e c e sa n db r a c k e t st o i n c r e a s e ，s p a c i n go fw a i s tr a i l st oi n c r e a s e ，a n dt h er o l l i n g b a rb o d yf r a m e w o r kc a n e f f e c t i v e l yi n c r e a s et h es a f e t yo fb u sr o l l o v e r f i n a l l y ，f o rab u si nw e s t e r nm o u n t a i n a r e a s t h eg e o m e t r i cm o d e la n d6 n i t ee l e m e n tm o d e lw a sc a r r i e d o u t ，b yt h e s i m u l a t i o na n ds t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o n ，a n du l t i m a t e l yt of e a c ht h eb u sr 0 1 1 0 v e rs a f e t y r e g u l a t i o n s t h i sp a p e rd i s c u s s e st h es a f e t yo fb u sr o l l o v e rs i m u l a t i o ne v a l u a t i o nm e t h o d s a n da n a l v s i so fb o d yf r a m e w o r ko nt h er o l l o v e ro ft h es e c u r i t y i tw i l lb ew i t ha p o s i t i v ei m p a c to nt h ed e v e l o p m e n to fn e wg b t17 5 7 8 ”p r o v i s i o n so fs t r e n g t hf 6 r t h es u p e r s t r u c t u r eo fb u s ”，t h eb u sr o l l o v e rt e s td a t aa c c u m u l a t i o nf l o r t h eb u s p r o d u c t i o nm a n u f a c t u r e r sa n dt h ei m p r o v e m e n to fb o d yf r a m e w o r ks a f e t y k e yw o r d s ：c o a c h ：r 0 1 l o v e r ： s i m u l a t i o n ：b o d yf r a m e w o r k ：i m p r o v e m e n td e s i g n 1 1 l 硕 ：学位论文 第l 章绪论 1 1 客车侧翻安全性研究的意义 随着社会经济的高速发展，我国公路客运发展迅速，客车的行驶速度不断提 高，随之而来的侧翻事故频繁发生，乘客及驾驶员的伤亡率比其他交通事故高出 几倍，经济损失也极大。目前我国已经成为世界上交通事故最严重的国家。随着 汽车保有量的增长，道路交通事故已成为世界性的社会问题【。 在客车事故中，虽然侧翻和倾覆事故发生的几率较小，但是其事故的伤亡程 度远远高于前碰撞和侧面碰撞1 2 1 。据历年道路交通事故统计分析，全国客车翻车 事故率仅次于侧面碰撞、正面碰撞和追尾，约占总事故率的7 ，汽车翻车死亡 率高达1 2 。由于客车的主动安全性和被动安全性要低于轿车，而且乘员较多， 所以由客车引起的翻车事故死亡率更高【3 l 。一般来讲只要发生客车翻车事故，均 为特大恶性事故。 客车的碰撞、侧翻和坠落( 坠崖、坠河) 是造成“群死群伤”重大交通事故 的主要原因。据公安部交通管理部门统计，2 0 0 8 年全国共发生道路交通事故 2 6 5 2 0 4 起，造成7 3 4 8 4 人死亡、3 0 4 9 1 9 人受伤，直接财产损失1 0 1 亿元，其中 发生一次死亡1 0 人以上特大交通事故2 9 起，营运车辆事故死亡人数占道路交通 事故总死亡人数的3 9 2 ，群死群伤特大交通事故时有发生【4 】。而对比客车死亡 事故人数占总公路交通死亡人数的比重，德国和美国都小于0 5 ，而我国是10 左右，两者相差了十多倍【5 1 。由此可见，中国的客车安全性亟待提高。 客车翻车主要有以下几个原因： ( 1 ) 客车车身高度较大，有的双层客车接近4 米，车顶通常装有空调，乘客 位置也较高，因而整车重心位置高，侧面面积大，稍有侧向风的扰动或者急弯高 速行驶产生的离心力，侧翻的可能性较大。 ( 2 ) 城市公交车很少发生侧翻，因为城市路面状况好，公交车行驶速度低， 频繁的操作会使驾驶者保持高度警惕。低等级公路( 如国道和乡村公路等) 路况 相对高速公路较差，有些道路狭窄多弯，路边护栏较少，在这样的路面上行驶稍 有不慎就会翻入边沟或者掉入悬崖、河流中。 ( 3 ) 在高速公路高速行驶时，当车轮行驶在比较滑的标志线上时，就可能失 去控制，引发滚翻；在紧急情况时，由于驾驶员惊慌导致方向矫j 下过量，从而引 起滚翻；在加速中，方向矫正量过大，从而在路边滑行，也会造成滚翻；无论由 于驾驶者过失还是车辆和道路环境问题导致的失控，客车一般会与护栏发生碰撞， 如果车速过大，加上护栏( 高速公路护栏离地面最大高度为7 5 0 m m ，比较适合小 型汽车) 的阻挡作用，产生的惯性矩可能导致客车冲出护栏或翻出护栏而倾覆。 容下侧翻伞惮仿真1 j 设汁改进 i j f 7 2 0 10 年0 1 月0 8 闩1 4 时许，因雪大路滑，“哈牡高速公路哈尔滨阿城境内 接连发生两起客车侧翻事故，造成10 余名乘客受伤，如图1 1 所示。 曩 叁 量 图1 1 哈牡高速公路事故 2 0l0 年2 月15 r ，“广渝”高速公路四川广安境内发生一起翻车事故，一辆 四川籍大客车在避让。辆小轿车时发生侧翻，事故造成2 人死亡，2 0 余人不同程 度受伤，如图1 2 所示。 图1 2 广渝高速公路事故 2 0 10 年3 月1 3 同下午1 时3 0 分，一辆从江西省赣州市定南县开往深圳市宝 安区的江西籍大客车行驶至惠州市惠城区会龙大道时失控侧翻，造成14 人死亡， 10 人受伤，其中3 人重伤，如图1 3 所示。 图1 3 广惠事故 2 0 10 年0 3 月14f 1 ，一辆从内蒙古乌兰察确i 市出发至太原的客车，在途经人 硕1 ：学位论文 同行至绕城高速公路7 公里处时，由于雪后路滑冲出护栏翻车，造成11 人死亡， 19 人受伤，其中6 人重伤，如图1 4 所示。 图1 4 大同绕城高速公路事故 以上几起事故，都是发生的时间都集中在2 0 1 0 年3 月份，鲜血的教训值得我 们深思：一方面是由于驾驶员人为的原因或者路况的原因造成；一方面是我国客 车侧翻法规还未强制执行，一些客车生产厂家对产品的安全性不够重视，达不到 客车侧翻安全法规要求。 当客车发生侧翻事故时，客车骨架作为主要承载件将承受大部分载荷，能否 给司乘人员提供必要的逃生空间是一个很重要的因素【6 】。从大多数事故资料来看， 客车发生侧翻事故后，很多乘客的伤亡都是因为客车骨架的严重变形或者断裂， 乘客遭受“二次碰撞”造成的f7 1 。所以提高客车的被动安全性，对客车的侧翻碰 撞安全性进行分析改进显的尤为重要，尤其对于提高我国客车企业自主研发能力 有极大的促进作用。 1 2 我国客车侧翻安全性法规发展 联合国欧洲经济委员会( 简称e c e ) 2 0 世纪5 0 年代后期为促进国际汽车贸 易，采用协调统一的汽车法规，2 0 世纪末全球车辆法规协调统一步入正规渠道。 我国1 9 8 4 年汽车工业改革开放，采用汽车法规，从介绍与理解美国、欧洲、 日本、澳大利亚等各国汽车法规开始，实行g b 7 2 5 8 车检标准。2 0 世纪9 0 年代 初开始，制订汽车强制性标准体系和几十项汽车强制性标准以来，虽然尚未完全 贯彻汽车产品型式认证制度，但在此路上己迈进了10 多年。 我国已加入世贸组织，且为全球车辆法规协调的19 9 8 年协定签约国之一。 为加大客车结构安全标准同国际接轨的力度与实施效果，在采用国际性的客车法 规制订标准时，必须创造条件，充分理解客车法规的技术要求。 为减少客车翻滚事故中的伤亡率，美国和欧洲先后制定了对客车上部结构要 求的标准：f m v s s2 1 6 和e c er 6 6 i8 1 。f m v s s2 1 6 规定了项盖压垮试验中的车顶 抗压强度，而e c er 6 6 要求客车进行侧翻试验，客车在翻滚后要保持一定的乘员 客下侧翻安伞件仿真一j 设计改进研， 生存空间。除此之外，澳大利亚、加拿大、日本和南非等国也都先后建立了自己 的碰撞安全法规。如澳大利亚的a d r5 9 0 0 1 9 9 8 公共汽车倾翻强度、加拿大 的汽车安全标准( c m v s s ) 、日本的道路运输车辆法和南非国家标准s a n s 1 5 6 3 ：2 0 0 5 大客车上部结构强度( 倾翻试验) 等【9 】。在我国，1 9 9 8 年制定的 g b t 1 7 5 7 8 1 9 9 8 客车上部结构强度的规定【l o 】，等效采用e c er 6 6 的第1 j2 、 5 、7 章及附件3 ，虽然也提出了生存空间的确立及倾翻试验方法，但该标准是一 项推荐性国家标准，尚未强制实施。为了与国际接轨，此规定进行了修订，修改 后的内容与e c er 6 6 基本相同，有四种试验方法可供选择。汽车碰撞法规强制标 准只限于m l 类车型，对车长大于7 m 的m 2 、m 3 类客车的碰撞安全性没有强制 性标准，客车上部结构强度的规定也只是规定了客车上部结构强度的技术要求与 试验方法。 2 0 0 4 年l o 月1 日起，我国开始对m 1 类车辆实施召回制；2 0 0 6 年8 月1 日 起，对m 2 和m 3 类( 9 座以上客车) 车辆也开始实施召回制，这些都对汽车安全 性能提出了更高更严格的要求f 1 1 】。 从2 0 0 8 年2 月1 日起，我国生产的客车执行g b l 3 0 9 4 2 0 0 7 客车结构安全 要求。此标准对客车上部结构强度要求的实施时间给予了3 6 个月的过渡期，3 6 个月后所有客车新产品必须进行该项试验。希望适时修订1 9 9 8 年版的g b t 1 7 5 7 8 - 1 9 9 8 客车上部结构强度的规定，而客车上部结构强度的规定就是引 用e c er 6 6 中的整车倾翻试验部分1 12 1 。目前新版g b t1 7 5 7 8 客车上部结构强 度的规定正在修订中。 显然，中国的汽车法规需要继续发展，主要是同国际接轨，在切合国情条件 下，积极介入国际法规协调，力争逐步跟上国际汽车法规的发展进程。 1 3 客车侧翻安全性研究方法 目前，汽车车身结构耐撞性的研究方法主要有两大类：一类是通过试验的方 法检验整车安全性以及其它安全部件的耐撞性，这类研究主要是汽车生产厂商测 试整车及其安全部件是否符合相应的安全法规，如汽车的正碰试验和侧翻试验等； 另一类是基于有限元理论的客车碰撞性能计算机仿真1 1 3 】。从降低成本，人为改变 实验环境等需要的出发，各研究机构往往采用仿真试验方法。 1 3 1 试验法 早期在汽车被动安全性研究中采用的研究手段主要是试验的方法，有关汽车 被动安全性的试验有台架冲击试验、台车碰撞试验和实车碰撞试验。实车碰撞试 验由于与事故的真实情况最接近，是综合评价车辆被动安全性的最可靠的方法。 无论是台车碰撞试验还是实车碰撞试验，都要涉及到试验数据的采集和处理。通 4 烦，j ：学位论义 常采用的数据采集系统是电测量和光测量相结合的系统，试验中要用到大量的传 感器和多台高速摄像机，这些数据采集系统以及试验中采月j 的假人在试验前都要 进行严格的标定，其试验准备是十分费时的；另外，被动安全性试验特尤其整车 试验都是破坏性试验，这是一种很昂贵的试错过程，而且还不能够方便的从中推 演出进一步的修改方案，以便达到设计的最优化。它们只是阁来检验某个特定的 设计是否符合法规要求的验证性试验。而且由于试验中有一些随机因素的影响， 使试验的结果往往不够稳定，可重复性差。 针对于客车侧翻试验，e c er 6 6 法规中规定了三种试验方式即整车侧翻试验、 车身段侧翻试验和车身段摆锤试验。三种方法中整车侧翻试验最能直接表明客车 上部结构强度是否足够，乘员是否安全，如图1 5 和1 6 所示。由于客车产品在 研发阶段具有往复性，需要多次试验修正方能达到安全性要求，而客车侧翻试验 又为破坏性试验，成本相当昂贵，故国外在常用车身段试验来代替整车试验，当 所选取的车身段与整车在结构上相比没有其它相异之处以及其各项指标均符合法 规要求时，e c er 6 6 法规规定车身段侧翻试验为整车侧翻试验的等效认证方法。 目前，国内厦门金龙客车公司已经做过多次车身段侧翻试验，技术较国内其它客 车厂家成熟。而车身段摆锤试验国内外应用的均较少。 图1 5 国外大客车侧翻试验 a ) 试验前b ) 试验后 图1 6 国外大客车侧翻试验前后对比图 客下侧翻安伞忭仿真o j 设计改进研究 1 3 2 计算机仿真法 随着计算机水平的不断提高，尤其是在计算速度、内存容量和图形功能等方 面的高速发展，以及有限元和多体系统动力学建模方法的推广和应用，标志着以 分析计算和试验验证相结合的研究阶段的开始。汽车碰撞的计算机仿真是近年来 汽车安全性能得以提高的重要手段f 1 4 ，1 5 】。国外从6 0 年代中期就开始了计算机碰 撞仿真研究的工作，尤其在近二十年，碰撞仿真技术发展迅速，已经成为了新车 开发中不可或缺的一部分，碰撞建模软件、碰撞受害者分析软件和汽车碰撞仿真 分析软件是碰撞仿真分析的三个重要组成部分【l6 1 。 汽车的碰撞性能c a e 研究是目前c a e 在汽车工业中应用的重点i r 7 1 。在国外， 众多汽车生产企业无不高度重视c a e 在产品设计中的应用。而汽车在设计阶段的 性能如何，就要靠c a e 工程分析和预测技术的实施，帮助设计者通过仿真分析和 预测，在产品定型和投产前提高性能质量，降低设计成本，尽可能地减少试验次 数、节约资金和缩短产品投放市场的时间。我国汽车工业的发展，特别是客车行 业，迫切需要改变过去汽车产品以经验设计为主和单一车型的设计方法，取而代 之的必须是能够满足多品种、小批量、高质量、短周期和低成本的新设计方法。 c a e 计算机辅助工程正是这一新方法中必不可少的环节【l 引。它主要用来预测、估 计设计产品的强度、寿命及性能，一般分为三个阶段：一是建立某设计产品的计 算机分析模型；二是用计算机对该模型进行计算分析；三是分析计算结果和验证 计算方案并确立设计修改方案。其最大优点是可以在产品设计初期，即图纸设计 阶段，通过建立基本的计算机分析模型，对所设计的产品进行强度、寿命及特性 预测，从而指导产品设计，使产品设计指标得到保证，有效地提高设计产品的可 靠性，缩短设计周期，而且也有利于通过优化等手段开发出性能更为优越的汽车 整车和零部件。同时，仿真的结果可以给出在哪些结构或部件上应给予更多的关 注，从而指导实车试验中在什么位置安装传感器和高速摄相机，并且可以获得汽 车内部关键部件的变形和应力情况i l 引。 针对客车侧翻安全性试验的计算机仿真研究，国外研究的较早，技术也较为 成熟。在国内，针对整车侧翻试验的计算机仿真研究已经开始，一些较大的客车 厂家已经走在了前列，如郑州字通等。但针对车身段侧翻试验的计算机仿真研究， 国内鲜有，而国外在这方面已经取得了长足的进步，图1 7 为国外计算机模拟车 身段侧翻试验，已经将假人、座椅、安全带等约束系统加入模型中，直接分析侧 翻对乘员的伤害。可见，我国在这方面的研究和发展还有一定的距离。 6 f j ! ii 学f t 论文 a ) 车身段模型b ) 模拟侧翻试验 图1 7 国外计算机模拟车身段侧翻试验 采用模拟计算并不意味放弃实车试验，计算机仿真并不能完全替代实车试验， j 面只能作为实车试验的重要补充。设计阶段模拟计算得到的结果只是对汽车及其 零部件耐撞性的预先估计，在产品的开发和设计过程中具有指导意义，只有最终 的产品试验才能真实的反映汽车及其零部件发生碰撞时的变形过程，并且模型中 的参数要根据相关的试验获得，模型的正确性还要有试验柬验证，只有通过验证 的模型才是可行的，因此试验技术与模拟技术的关系是相辅相成的。图1 8 和1 9 分别为国外和国内实车试验和计算机模拟对比图，通过试验与计算机仿真相结合， 能更为有效的促进客车产品的研发速度与侧翻安全性的提升【i 。 a ) 试验前视图b ) 计算机模拟前视图c ) 试验后视图 d ) 计算机模拟后视图 图1 8 国外微型客车侧翻试验和计算机模拟对比图 a ) 试验b ) 计算机模拟 图1 9 国内大客车侧翻试验和计算机模拟对比图 7 魄吸。 备i 删姗义下1 十v 头0 以丌以址训儿 1 4 国内外客车侧翻安全性研究现状 1 4 1 国内外客车侧翻安全性研究概况 欧洲的客车技术水平和科研能力位居世界的首位，中国客车企业引进客车技 术也集中在欧、日两大系列。德国的大、中型客车技术在世界上一直保持领先地 位。早在7 0 年代初，大客车被动安全问题的研究在欧洲即被关注，现在各国对这 个问题的研究更加深入和广泛【2 0 1 。 1 9 9 7 年，国外客车行业开始严格按照法规生产，奔驰、沃尔沃等都开始对开 发的客车品种以试验满足法规要求来控制质量，日本也在2 0 0 0 年开始施行针对大 客车上部结构强度要求的安全法规。欧盟在2 0 0 1 年1 1 月2 0 日颁布2 0 0 1 8 5 e c 客车法规，这是欧洲汽车法规制订组织多年工作的总结，也是当前全球汽车法规 中惟一全面性强制实施的客车法规，同时也对我国客车法规标准的发展具有相当 重要的意义1 2 1j 。 与国外的客车产品相比，国产客车在主动安全技术上的差距不是很大，但在 被动安全上的差距很大【2 2 1 。目前国内相对缺少对大客车的侧翻模拟研究，更缺少 针对大客车的侧翻安全性试验。主要是因为目前国内法规标准不够完善，大客车 生产厂家对大客车的侧翻碰撞的性能要求重视程度不够，以及实车侧翻试验费用 太高、工作量大、技术要求较复杂，且缺少这方面经验。 目前国内仅有少数大专院校等科研单位和汽车厂家对客车侧翻碰撞进行了研 究，他们对大客车侧翻碰撞安全性研究工作取得了一定的研究成果，如2 0 0 5 年， 中国农业大学邰永刚依照厂家的要求，通过静态分析校核了车身骨架的强度和刚 度，并对车身骨架的固有频率及振型进行了模态分析，同时采用了类比法验证了 模型的j 下确性。并按照欧洲法规对客车车身骨架进行翻滚碰撞仿真分析，依照分 析结果进行了改进设计，以便最大程度地满足法规要求【23 1 。 2 0 0 5 年，长沙理工大学雷j 下保，依据美国的f m v s s 2 0 8 中介绍的试验方法， 利用有限元模型对某大型豪华客车进行了动态翻滚仿真模拟试验。同时结合试验 结果证明了该方法合理正确，能够在一定程度上指导客车企业改进技术，提高安 全性能【2 4 ，2 5 1 。 2 0 0 5 年6 月1 4 同，安凯h f f 6 8 5 0 客车首次在襄樊国家汽车检验中心成功进 行了客车侧翻试验，此次试验即检测了该车的上部结构强度满足我国安全法规要 求，同时也为以后的c a e 开发研究提供了大量的试验数据，由于客车侧翻碰撞试 验在国内未有先例，因此此次试验的内容及规程也为国内其他客车侧翻碰撞试验 积累了经验。随后宇通z k 6 1l9 h 型客车也相继进行了客车侧翻试验。 2 0 0 6 年，合肥工业大学方尹鸿飞在导师方锡邦的指导下为检验某大型客车上 部结构强度性能，依照g b t1 7 5 7 8 1 9 9 8 客车上部结构强度的规定进行了客 8 硕i ：学位论文 实车侧翻试验，在此基础上应用a n s y s l s d y n a 软件建立客车侧翻试验有限元 模型并进行仿真。通过比较，仿真分析与实车试验得到的车身变形趋势基本一致， 从而验证了有限元建模仿真结果的正确性。此次研究仿真与试验相结合，对以后 的客车侧翻仿真安全性奠定了基础1 2 6 2 8 j 。 同时，国内一些客车厂家为了产品出口到国外，也相继进行了侧翻试验，如 安源客车制造有限公司在2 0 0 5 年9 月、2 0 0 6 年5 月、2 0 0 6 年10 月相继进行了三 次侧翻试验，其客车产品顺利通过侧翻试验，从而获得澳洲a d r 验证，产品远 销国外【2 9 】。 1 4 2 客车上部结构强度计算方法的研究现状 由于客车上部结构强度因采取的计算方法不同产生的效果也不尽相同，因此 研究与探讨客车上部结构强度的计算方法已成为当今客车工业的一项重要课题。 国际上对客车上部结构强度的研究已经逐步采用动态模拟的计算方法。这不 仅对客车上部结构强度、座椅及约束系统的研究改进有重要的检验和论证作用， 而且也将协助制订合理的安全法规，并在型式认证中加以应用。由于国际上所制 定的安全法规对于客车侧翻的安全性未给出一定的设计计算方法，但却要求计算 方法与标准事故相当。要想如此，没有精确的动态模拟计算是难以做到的。而且， 用动态模拟来代替试验，将大幅度降低认证费用和加快进度。 国际上从2 0 世纪7 0 年代起，开发动态模拟程序，主要有匈牙利的a u t o k u t 程序、英国克伦菲尔德碰撞中心的c i cc r a s h d 程序和德国戴姆勒奔驰的f e m 程序f 3 0 】： ( 1 ) a u t o k u t 程序模拟客车滚翻过程( 客车用平面框架二维模型代表) ， 仅在顶边梁和腰梁处有4 个可塑性铰接点，其特性用准静态试验测定。 ( 2 ) c r a s h d 程序用非线性有限元法模拟客车全幅准静态试验( 三维模型) ， 实验中可塑性铰接点特性靠实验室试验确定，对准动态能量吸收特性和全幅滚翻 试验进行动态模拟。并研究带有系安全带乘客时的滚翻模拟，和为座椅及座椅安 全带法规用的动态模拟等，此法在2 0 世纪9 0 年代已取得长足发展。 ( 3 ) f e m 程序在e c er 6 6 号法规颂布以后，试图模拟“标准事故”的三维 模型。铰接点特性主要在分析前计算确定，需要矢量计算机，但当厂家在车型认 证时希望用相对简单便宜的计算方法时，要检查客车是否符合e c er 6 6 号法规的 要求时，则只用i b mp c 机即可。 c i c 动态模拟计算为国际上教为典型和成熟的动态模拟计算方法。c i c 数字 模拟已支持e c er 6 6 号法规的制订，并将部件试验( s 梁、板件、可塑性铰接点 等的弹性特性，吸能特性等) 和完整的上部结构计算结合，为认证用于确认最坏 情况及扩展时的相似性评定，也为结构发展和研究佩带安全带时车辆抗滚翻强度， 9 客车侧翻安伞性仿真i 设计改进研究 即为e c er 6 6 法规和欧盟指令的发展服务。c i c 提出：动态模拟的基本原则之一 是数学模拟必须同良好的整体设计联合，设计不良难以可靠地分析。客车车体和 座椅的特点像框架一样，安全性能既受整体模式，也受梁及接点的性能影响。对 部件的损坏特性要在实验室分别测定，作为动态模拟和输入数据。c i c 用一组程 序来计算( w e s t 一适用于矩形中空断面梁，弯曲和扭转损坏曲线，计算强度和 吸能容量：s o o t h 一适用于棱形单腔薄壁管带焊点；t e s t b a s e 一处理试验数据； x y p o t 一分段的试验曲线平滑化) 。常用准静态破坏特性( 典型程序s i m s 孔盯) ， 边界条件通常为顶边梁撞击地面，产生反作用力，变形( 对地板为2 5 3 0 。) ，直 至接触e c er 6 6 法规规定的生存空间。用准动态能量吸收特性( 典型程序 d y n a 3 d ) 计算吸收的能量。同e c er 6 6 规定的总能量e 比较，能量吸收量沿 客车质量分配成比例，按e c er 6 6 法规要求的能量分布，顶边梁碰地后歪斜要合 理地均匀一致1 3 。 1 4 3 静态模拟和动态模拟的优缺点 静态模拟分析能开发有效的滚翻安全系统，与动态分析比较，推理设定的内 容( 为质量分配、惯性力矩等) 较少，而且可以用低廉的硬件平台( 为适用的p c 机) ，但对某些模拟参数来说灵敏度较差，难以精确。 动态模拟的主要优点是：载荷状况能较好地反映整车滚翻试验，为设计不良 引起顶部不均衡歪斜，车身横截面从下而上过多变窄造成腰梁在侧顶梁最大歪斜 之前接触地面等情况。另外，可分析顶边纵梁碰地面后的滑移，结构部件的动态 卸载、吸收能量的检查。动态模拟有能力估算结构吸收的“真实”动能的变化( 受 车辆几何尺寸、刚度、强度、惯性特性的影响) ，也包括重心降落的额外能量。现 在已能模拟乘客系安全带的车辆滚翻试验，从而为开发新的安全标准和安全系统 服纠3 0 1 。 1 5 课题研究背景与内容 侧翻会对客车车体结构造成相当严重的破坏，甚至造成客车车体结构的解体， 大多数在事故中死亡的乘员都是因为在碰撞过程中缺少足够的生存空间，或因车 身结构断裂侵入到生存空间内部导致，客车的侧翻安全性很大程度上与车体结构 有关。因此在发生客车翻车事故中，如何保护乘客的生命安全已经成为一个非常 重要的问题，包括确保最大的乘员生存空间、提高客车车身骨架的刚度和强度、优 化安全门的设计和乘客安全带的设计、减少二次碰撞对乘客的伤害等。 目前，国内侧翻安全性仿真研究较少，尤其是对侧翻安全性仿真研究方法和 结构安全性的研究才刚刚开始。此外，我国2 0 0 8 年颁布的客车结构安全要求， 对客车生产厂家给予3 6 个月的过渡时间即将结束，新的客车安全法规正在发展和 硕l j 学位论文 完善之中。而我们只有在试验和计算以及仿真研究工作当中积累经验，才能更主 动地适应客车法规的进一步发展，因此本文研究成果对大客车侧翻安全性相关研 究工作具有一定的借鉴和参考价值，有助于我国客车行业整体水平的提高，也有 助于国内客车侧翻安全性法规的制定。 课题的研究主要完成以下内容： ( 1 ) 介绍了客车几何模型和有限元模型的建模理论，并建立了某全承载式大 客车的几何模型和有限元模型，对有限元模型进行了侧翻仿真试验。 ( 2 ) 依据e c er 6 6 法规，建立了车体截断式模型，并通过仿真试验验证了 车体截断式模型可代替车身整体式模型进行仿真试验。 ( 3 ) 分析了现有的侧翻试验和仿真评价方法，提出了生存空间接触力式和穿 透式两种新的客车生存空间仿真评价方法，并进行了仿真验证。 ( 4 ) 在车体截断式模型基础上，用新的仿真评价方法研究了客车车身骨架结 构形式对侧翻安全性的影响。即对客车立柱与腰梁连接部位的不同结构形式进行 了对比分析，并得出最优结论；提出了一种新型车身骨架结构形式，并对其进行 了仿真分析验证。 ( 5 ) 针对某西部山区营运客车，依据厂家提供的数据参数进行几何建模和有 限元建模，并用新的仿真评价方法进行侧翻安全性分析及结构优化，最终使其达 到侧翻安全性法规要求。 客下侧翻安令性仿真j 设计改进研究 第2 章客车侧翻模型的建立及仿真计算 经过多年的积累和发展，国外的许多大汽车公司和研究机构建立了高性能的 车身计算机辅助工程系统，形成了完整的设计、分析方法和试验程序。如图2 1 所示，为国内外普遍采用的车身结构被动安全性设计系统流程【3 1 3 2 】。 图2 1 车身结构被动安全性设计系统流程 基于此系统流程，若对客车侧翻进行深入的研究，必须获得尽可能与真实客 车相近的模型。本文合理的建立了客车的几何模型和有限元模型，为下一步的仿 真分析工作打下了基础。 2 1 客车几何模型的建立 2 1 1 客车骨架结构特点 客车骨架是客车结构的主要组成部分，在结构上骨架起主要承载作用。客车 其它部件如动力总成以及诸多内外饰件，均通过螺栓连接、铆接等方式安装固定 在客车骨架上。因此在碰撞事故发生时，骨架结构在抵抗碰撞变形和吸收碰撞能 量方面起主要作用，客车车身外部蒙皮吸能作用很有限，可见客车骨架耐撞性可 直接体现客车整车耐撞性能。为使客车具有良好的耐撞性能，客车骨架应具有良 好的缓冲吸能能力和抗变形能力。 从结构形式上，客车骨架可分为非承载式、承载式和半承载式骨架结构【3 3 1 。 其中，非承载式结构的车架和车身骨架是完全独立的两部分，客车所有载荷均由 车架承载，这种结构制造技术落后，自身重量大，目前已很少采用【3 4 1 。而承载式 骨架结构的车架和车身骨架是一个连接整体，整车载荷由整个骨架结构承载，这 种结构承力均匀，结构强度刚度好而且自身重量轻。半承载式是一种过渡型的结 构，车身下部仍保留有承载主要质量的“车架 ，不过它的强度和刚度可稍低于 1 2 硕i j 学位论文 非承载式的车架。 从这三种客车骨架结构形式上看，承载式结构的耐撞性能应该是最好的，原 因在于其结构承力均匀且质量轻，抗变形能力和吸能能力均是较好的，而非承载 式结构的耐撞性是最差的，原因在于其车架要承载整车所有载荷，因而车架的强 度刚度较另两种结构形式来说是偏大的，再加上车身骨架的强度刚度，其整体在 碰撞过程中是偏“硬”的，缓冲吸能效果较差。半承载式结构在形式上介于上述 两种结构形式之问，其耐撞性能也应介于两者之l 、自j 。 2 1 2 车身骨架几何模型的建立 本文中的大客车整车外形如图2 2 所示。其长、宽、高分别为12 0 0 0 m m 、 2 5 0 0 m m 、3 6 0 0 m m ，轴距6 1 0 0 m m ，前后轮距分别为前2 0 5 0 m m 和1 8 0 0 m m ，后 悬长分别为2 5 0 0 m m 和3 4 0 0 m m ，车内最大高度2 1 0 0 m m ，整备质量1 0 0 0 0 k g ，满 载质量1 5 0 0 0 k g 。 图2 2 大客车外形图 该客车的车身采用全承载式结构。客车骨架是由各种截面形状的薄壁管、杆 和梁通过焊接、铆接或其它方式连接，而形成一个整体框架结构。基本构件的截 面形状主要包括槽型、工字型、z 字型、l 字型等开口件以及方形、矩形等闭口 件。 碰撞仿真必须建立一个精确的几何模型用以描述碰撞接触区域内的车身结构 及其连接关系，获取这样的几何模型的最方便的途径是c a d 数模，但是由于c a e 和c a d 的目的不同，使得描述了很多加工和装配上工艺细节的c a d 数据在c a e 建模中反而成为工作的障碍。例如，过渡圆角、小孔以及尖锐的曲面过渡处都会 使有限元单元划分难以进行，即使网格划分成功也很难避免单元尺寸过小、翘曲 度高、长宽比过大等问题，严重影响有限元计算的精度。对于用于碰撞计算的显 式有限元模型，这个问题尤其突出，因为单元尺寸极大地影响着仿真计算的积分 告下侧翻立争性仿真。j 波汁改进研究 时步长和单元计算的c p u 时问，从而使计算效率大大降低【35 1 。 故本文根据二维图纸，在u g 环境中建立的大客车车身三维几何模型，考虑 了上述问题，在不影响儿何模型的整体精确度的前提下，在建立几何模型时，忽 略了一些对结构影响不大的过渡圆角、小孔以及尖锐的过渡曲面。车身骨架模型 如图2 3 所示。 图2 3 大客车车身骨架几何模型 按照原始设计的详细要求对车身结构进行了一些参数的修正，并根据全承载 高床大客车的要求，对底盘结构和车身侧围重新进行了设计。最终的大客车几何 模型如图2 4 所示。 图2 4 最终大客车几何模型 2 2 客车有限元模型的建立 客车车身结构基本力学性能仿真技术是基于线弹性有限，已法的仿真技术，有 限元法是用有限个( 通常是个很大的数目) 只在节点处联接的、便于分析的单元的 组合体，近似地表达原来的连续体，通过求解每一个单元的力学性能得到所表达 的连续体结构的力学性能。在求解每一个学元的力学性能时，首先求解单元上节 点的力学性能( 位移、应力、应变、加速度等) ，然后通过彤函数( 单元内任一质点 的位移与节点位移之| 、白j 的关系) 得到单元上每一点的力学性能【3 6 】。 山此。丁知，采用基于有限元法的仿真技术计算结构的力学性能时，需要建：泣 硕l 学位论文 白车身结构基本力学性能仿真模型，包括建立用于划分单元的几何模型和找到类 型和尺寸合适的单元对结构进行离散，建立其力学模型。 对所模拟的结构进行离散时。所采用的单元的质量对计算结果的精确程度非 常重要，所谓单元质量，是指所划分的单元的形状是否规则，以四边形单元为例， 正方形单元的质量最高，与正方形差异越大的单元质量越差。单元形状越不规则， 一方面形函数的精度就越低，所得到的单元内质点的力学性能就越不准确；另一 方面，单元形状越不规则，单元的j a c o b i a n 矩阵、刚度矩阵等的收敛性就越差， 质量太差的单元甚至得不到解算结果。 此外，在对结构进行离散时，所采用单元的尺寸( 单元密度的分布) 对模拟原 结构力学特性的准确程度非常重要。尺寸越大，形函数的精度就越低，形函数的 精度就越低，所得到的单元内质点的力学性能就越不准确；单元尺寸越小，形函 数的精度就越高，所得到的单元内任一质点的力学性能就越准确，离散结构对实 际结构力学性能的模拟越准确。但是对不同的几何形状，当单元尺寸小到一定的 程度后，再缩小单元尺寸，离散结构对实际结构力学性能模拟的准确性的提高幅 度就很小了。而缩小单元尺寸，将增加单元数目和节点数目，从而增大计算规模， 会增加计算时间，甚至造成计算机配置不足。 本文通过三维c a d 数模拼接成整个车身的几何模型。所采用的h y p e r m e s h 有限元软件可直接读入u g 、c a t i a 、p r o e 、i g e s 、s t e p 等各种c a d 几何模型， 并利于识别和修复模型中存在的缺陷，能快速灵活地产生高质量的有限元网格， 对大规模复杂模型尤为有效。 2 2 1 模型简化 大客车在侧翻时，主要的吸能元件是车身骨架。在建模过程中，应根据所分 析问题的规模和求解精度对模型的细节进行合理的取舍。对于客车侧翻来说，碰 撞部位的薄壁金属是最重要的变形吸能部件，即左右侧围的立柱。因此，在建立 模型的时候要准确反映结构特征，不能过于简化。对于碰撞过程中的一些零部件 如发动机、变速箱等，其变形刚度比薄壁金属件大得多，其在碰撞过程中的变形 基本可以忽略，可作为刚体处理。由于一些非主要的承载部件和一些为方便使用 和辅助承载而设置的构件，由于其对整车的变形和应力分布影响较小，且对碰撞 能量吸收很少，而对求解规模有很大的影响，因此没有必要完全按照整车的实际 结构来建模。 本文建模过程中遵循以下简化原则f 3 7 _ 3 9 】： ( 1 ) 略去了蒙皮和一些非承载件( 如玻璃、内饰件、地板和各种功能件等) ， 只保留主体承载骨架； ( 2 ) 构件表面光顺化，承载结构上的工艺孔、安装孔、凸台和翻边等工艺特 客车侧翻安伞性仿真j 设计改j ! f 研究 征尽量酌情予以圆整光滑； ( 3 ) 壳单元基准面为客车实际结构的中面，结构间的连接关系采用节点耦合、 刚性连接、点焊、片焊、可变形焊点梁和固连接触等模拟： ( 4 ) 悬挂系统导向杆系和悬架弹簧分别采用梁单元和弹簧阻尼单元模拟； ( 5 ) 将发动机、变速箱和座椅等以集中质量单元分布在各支撑点上； ( 6 ) 不考虑骨架结构在焊接过程中出现的变形和残余应力等； ( 7 ) 在不考虑