（光学工程专业论文）客车侧翻安全性仿真研究及试验验证.pdf

the research of the coach rollovers simulation and the experimental verification a dissertation submitted for the degree of master candidate： hu po supervisor：prof. shen fulin changan university, xian, china i i 摘 要 随着客车被动安全性强制法规的实施，客车的被动安全性开始受到国内汽车制造 商、科研院所和高等院校的重视。在客车技术领域，1998 年以来，国家先后制定并颁布 实施了 gbt17578-1998客车上部结构强度的规定、gb13057-2003客车座椅及其 固定件强度 、gb18986-2003轻型客车结构安全要求 、gb/t19950-2005双层客车 结构安全要求 、gb13094-2007客车结构安全要求 、和 gb/t16887-2008卧铺客车 结构安全要求等标准，推动了客车车身结构安全的技术进步，使得对客车被动安全性 的评价更为规范。 本文从动态显式非线性有限元法的理论基础出发， 初步探讨了客车碰撞有限元仿真 分析中的模型简化、网格划分和材料参数设置等关键问题。并以两款客车车身骨架为主 要研究对象，运用有限元分析软件 ls-dyna 建立了整车有限元模型，并参照欧盟 ece r66 法规对其进行了侧翻碰撞仿真分析；初步提出了客车侧翻仿真的规范化建模方法， 以及 4 种定量评价客车上部结构强度的评价指标，并对某 6756 中型客车的仿真结果进 行了评价；研究某 6756 中型客车和某 6122da 大客车的侧翻仿真过程，通过与实车碰 撞试验的比较，验证了建模方法及控制参数选择的合理性，为车身改进及后续优化设计 提供了参考依据；最后，对仿真中整车及车身段的等效质量加载进行了初步研究，提出 了质量加载的规范化建议。 本文结合实际工程项目，探讨了客车侧翻碰撞仿真的试验内容及试验方法，为国内 研究同类客车车身结构安全和开展侧翻碰撞试验积累了一定的经验， 也为仿真试验中的 数据采集与处理、有限元建模及其验证提供了参考。 关键词关键词: 客车，非线性有限元法，侧翻碰撞仿真，等效加载 ii abstract with the implementation of the compulsory law for coach passive safety，domestic coach producers are paying more attention to it. in the chinese coach technology, gb/t 17578-1998“provisions of strength for the superstructure of bus”,gb13057-2003“strength requirement and test of automobile seats, their anchorages and any head restraints”, gb18986-2003“the safety requirements for light bus construction”, gb/t19950-2005“the safety constructional requirements for double deck large passenger vehicles”, gb13094-2007“technical specifications of bus structure safety requirements” and gb/t16887-2008“safety requirements for sleeper bus construction” are promulgated since 1998 are beneficial to evaluate the passive safety of bus. based on the dynamic nonlinear explicit finite element theory，the paper argues some key techniques of finite element modeling such as model simplification meshing density and definition of material parameters superficially. the article takes up with study on strength of bus superstructure when side-rolling crash happens，sets up finite element model of two bus body frame using fea software catia and hypermesh, and simulates the side-rolling crash with non-linear finite element analysis software ls-dyna according to ece r66 regulations. then four kind of quantitative evaluations and the fea model standardization on the coachs rollover impact are put forward by the rollover simulation based on the minibus 6756 and the coach 6122da.verifies the validity of model building method by comparing the emulation result with the bus side-rolling crash test result，provides reference for the structure optimization design later. then studied the quality of equivalent load based on the coach and the body truncation, provide some standardized suggestions. starting from practical project purpose，here the author discusses the content and project of the test about the crash of the side-rolling bus，provides some valuable reference for those who want to do the similar experiment，deals with the data collecting from the experiment which will provide practical foundation for model building and validating. keywords: coach，nonlinear explicit finite element theory，side-rolling crash simulation，equivalent load iii 目目 录录 第一章 绪 论 . 1 1.1 研究背景 . 1 1.2 研究的目的和意义 . 2 1.3 主要研究内容 . 3 1.4 研究采用的技术路线 . 4 1.5 国内外客车上部结构强度研究现状 . 4 1.5.1 国外研究现状 . 4 1.5.2 国内研究现状 . 5 1.6 影响客车侧翻安全性的主要因素 . 7 1.6.1 车身承载形式对客车侧翻安全性的影响 . 7 1.6.2 顶盖横梁、立柱与底架横梁对客车侧翻安全性的影响 . 8 1.7 客车侧翻相关法规简述 . 9 第二章 客车侧翻碰撞仿真理论及相关软件 . 11 2.1 非线性动态有限元法的优越性 . 11 2.2 非线性动态有限元法及理论基础 . 11 2.2.1 物质描述与运动方程 . 11 2.2.2 三种属性的守衡方程 . 12 2.2.3 动态非线性有限元的基本方程 . 12 2.2.4 显式有限元中心差分法及时间步长控制 . 13 2.2.5 沙漏控制与接触-碰撞计算方法 . 16 2.3 相关分析软件简介 . 16 2.3.1 hypermesh 软件 . 16 2.3.2 ls-dyna 软件 . 16 第三章 某 6756 中型客车侧翻仿真研究及试验验证 . 18 3.1 某 6756 型中型客车整车技术参数及主要特点 . 18 3.2 整车仿真模型建立 . 19 3.2.1 车身结构简化 . 19 3.2.2 整车几何模型建立 . 20 3.2.3 整车有限元模型建立 . 20 3.3 侧翻仿真模型的建立 . 23 3.4 仿真参数设置 . 24 3.4.1 初速度设定 . 24 3.4.2 接触控制 . 25 3.4.3 沙漏控制与时间步长 . 25 iv 3.5 仿真模型验证 . 26 3.5.1 求解前的模型验证 . 26 3.5.2 求解后的模型验证 . 26 3.6 变形结果分析 . 27 3.6.1 变形结果定性分析 . 27 3.6.2 变形结果定量分析 . 29 3.6.3 加速度分析 . 33 3.6.4 上部结构吸能分析 . 33 3.7 实车侧翻试验验证 . 34 3.7.1 试验方法 . 34 3.7.2 试验结果的检测方法 . 34 3.7.3 侧翻试验与仿真结果对比 . 36 3.8 本章小结 . 41 第四章 某 6122da 大客车侧翻仿真研究及试验验证 . 42 4.1 某 6122da 大客车整车技术参数及特点 . 42 4.2 仿真模型建立 . 42 4.2.1 几何模型建立 . 42 4.2.2 有限元模型建立 . 43 4.2.3 仿真参数设置 . 44 4.3 模型验证 . 45 4.3.1 求解前的模型验证 . 45 4.3.2 求解后的模型验证 . 45 4.4 结果评价 . 46 4.4.1 变形结果定性分析 . 46 4.4.2 加速度分析 . 48 4.4.3 上部结构吸能分析 . 48 4.5 实车侧翻试验验证 . 48 4.6 本章小结 . 54 第五章 车身骨架等效配重方案研究 . 55 5.1 整车骨架仿真模型等效配重方案 . 55 5.1.1 质量加载准则 . 55 5.1.2 质量加载方法 . 55 5.1.3 整车加载结果 . 56 5.1.4 重要结构部件载荷等效处理方法 . 56 5.2 车身段模型等效配重方案 . 58 5.2.1 车身段模型建立方法 . 58 v 5.2.2 车身段选取原则 . 59 5.2.3 车身段载荷及配重处理要求 . 60 5.3 本章小结 . 60 总结与展望 . 61 参考文献 . 63 攻读学位期间参与的科研项目和公开发表的论文 . 65 致 谢 . 66 长安大学硕士学位论文 1 第一章 绪 论 1.1 研究背景 随着我国国民经济的飞速发展及高等级公路网覆盖率的不断增加， 到 2011 年年初， 全国公路总里程数已经接近 400 万公里，其中高速公路通车里程数近五年激增 3.3 万公 里1。根据商务部的最新统计数据:2011 年我国共销售客车逾 40 万辆，相对于 2010 年 同比增长 13.3%， 可见， 公路交通已然在国民经济和多种运输体系中占据着重要的地位， 公路客运也因其灵活机动和通达面广的优势成为绝大多数民众出行的首选。 交通运输部 有关数据显示：2011 年全国旅客运输总量 330.3 亿人，其中公路客运量 308.7 亿人，同 比增长 11.2%， 占全国旅客运输总量的 94.08%； 全国旅客运输周转量 16806.8 亿人公里， 同比增长 11.9%，其中公路旅客运输周转量 14913.9 亿人公里，同比增长 11.4%2。 在公路运输快速发展的同时，我国道路安全状况却不容乐观。主要表现为客车恶性 交通事故频频发生，呈直线上升趋势，近年来虽经国家相关部门的严格治理，情况略有 好转，但死亡率仍居高不下。客车恶性交通事故主要指碰撞类事故，包括正面碰撞、侧 面碰撞、追尾碰撞及侧翻碰撞四种形态3。其中，伤亡最惨重，影响最恶劣的当属侧翻 事故。由于客车乘员众多，发生侧翻时乘员将与车身发生剧烈碰撞及“二次碰撞”，并 会导致部分被挤压在车内下层的乘客窒息或严重内伤，死亡率极高，而近期我国正处于 客车事故高发期，重大侧翻事故时有报道。如：2011 年 9 月 14 日至 10 月 16 日，在上 海、天津及湖南境内，短短一个月内连续发生三起客车侧翻事故，共造成 57 人死亡， 68 人重伤（图 1.1）；此外，国内连续多起骇人听闻的“校车事故”（图 1.2）的罪魁 祸首也大多是侧翻。这些事故的发生触目惊心，社会影响恶劣，引起了社会和政府的高 度关注。因此，如何减少客车侧翻事故的发生和事故中的人员伤亡，已成为亟待解决的 问题。 图图 1.1 惨不忍睹的客车侧翻事故惨不忍睹的客车侧翻事故 图图 1.2 校车侧校车侧翻事故翻事故 第一章 绪 论 2 从汽车被动安全性方面看，车身的上部骨架结构安全性占有重要地位。特别是对于 客车，因其特殊的车身结构（多为平头、厢式），空间狭小、乘员众多，质心位置相对 其它车型高， 容易发生侧翻事故， 导致车顶塌陷、 解体等入侵变形而造成车内人员伤亡。 要减少伤亡， 就必须要求作为侧翻中主要承载件的客车上部骨架结构具备足够的强度和 刚度，能够抵抗和吸收侧翻时的变形和冲击，确保乘员生命安全。 1.2 研究的目的和意义 客车碰撞事故的伤亡率一直在多种不同形式的道路交通事故中占有较大比例。目 前，除侧翻碰撞外国内外对客车车身上部结构的安全性研究工作，无论是在深度还是广 度方面都存在不足，究其原因是工业及经济发达国家运输管理规范，车辆技术状况好， 交通事故发生率低， 伤亡率低 （2002 年， 美国仅 270 人死于客车车祸； 2001 至 2003 年， 德国每年死于客车交通事故的人数都没超过 20 人4），而其他国家因受多方面条件的 制约，尚无力顾及这方面的研究。近十几年来，我国由于经济的快速发展，道路条件极 大改善，车辆增多，行驶速度提高，导致客车事故居高不下，社会反映强烈，因此客车 的上部结构安全性问题才引起重视和关注。目前，虽然国内已有部分企业、科研院所和 高校对客车的结构安全性开展了一定的研究和试验工作 （包括计算机仿真研究和试验验 证），但由于实车试验成本高，试验中一些随机因素难以控制，可重复性差等原因，至 今仍未有规范性的检测与评价方法，仅规定按 ece r66 的要求进行整车侧翻检测（在 gbt17578、gb13094 的修定稿中已进行规范），而等效试验方法中的车身结构骨架等 效配重，主要部件等效形状，等效理论依据等问题并没有得到很好的解决。主要体现在 以下方面： （1）缺少检测与评价的标准、法规 gb/t 17578-1998客车上部结构强度的规定虽然采用了 ece r66 中的以侧 翻试验作为检测客车车身结构强度的方法，但检测方法单一，且并未规定强制实施。 gb 13094-2007客车结构安全要求把 gb/t 17578-1998 引用为强制性标准， 并给予三年过渡期，但未把仿真方法列入该标准。 现有的汽车安全法规大多针对整车性能和客车有关安全性总成的配置，如 abs、盘式制动器、缓速器、轮胎规格、安全带和轮胎防爆装置等，很少对车身上部结 构安全性提出细致明确的要求。 虽然我国有关部门已认识到营运客车车身结构安全的重要性，并制定了部分标 长安大学硕士学位论文 3 准法规，但配套性差，缺少实施细则，加上各方面条件的限制，短期内难以强制实施。 （2）试验成本高、实施难度大 要评价客车上部结构安全性，最可靠和可信的办法是进行实车试验。但由于实车试 验是一次性和破坏性试验，要求高、风险大、成本高、实施难度大，对于我国规模小、 利润低、资金实力并不雄厚的大多数客车企业来说，要想对所有产品都进行实车试验， 确实难度很大，而且客车企业因多方面原因，一般不会主动试验检测。 综上可见，除制造外，还需要从提出并制定我国客车上部结构安全性仿真分析的试 验要求及检测评价方法入手， 以仿真与实车试验相对比的方式进行客车上部骨架结构安 全性检测技术研究并推广实施，才能从根本上提高客车整体安全性。 1.3 主要研究内容 本文以某 6756 中型客车和某 6122da 大型客车为研究对象， 基于有限元仿真技术， 研究车身主要部件对客车上部结构安全性的敏感程度； 采用等效配重的方法保证客车车 身结构骨架质量分布和质心位置满足试验技术要求， 从而为后续的客车上部结构骨架侧 翻检测评价方法制定并提供技术支持，并结合国内研究现状和企业的设计需求，对客车 上部结构强度进行研究并与实车试验验证结果进行对比分析。主要研究内容如下： （1） 根据实际客车二维cad图纸， 运用catia v5 r19， 分别建立某6756、 6122da 两款客车的整车三维参数化模型； （2）在软件 hypermesh v10.0 中，对导入的客车几何模型进行几何清理和适当结 构简化，按部件逐一进行有限元网格划分，检查单元质量，完成模型； （3）将某 6756 中型客车和某 6122da 大客车的有限元模型（k 文件）导入软件 ls-prepost 中进行参数设置，完成计算机仿真；并与两款客车的实车侧翻试验结果进行 对比分析； （4）提出几种车身上部结构强度的评价方法，讨论其适用性及可行性，并采用这 些评价方法对某 6756 中型客车上部结构强度进行量化分析； （5）依据 ece r66 法规中车身截段可代替整车试验的规定，分析其中的难点，进 行车身截段等效质量加载的初步研究。 第一章 绪 论 4 1.4 研究采用的技术路线 为完成本论文的研究任务， 采用 了如下的技术路线。 （1）制定研究方案； （2）全面搜集资料，了解国内 外研究现状； （3）对客车车身结构进行适当 简化处理，生成计算网格，完成车身 结构规范化有限元模型，按照 ece r66 对客车整车车身结构进行侧翻 碰撞动态有限元分析计算； （4）研究仿真分析中车身质量 的等效配重方法及质心位置和质量 分布对仿真结果的影响； （5）仿真与实验结果验证，将仿真结果与试验结果进行对比，验证有限元模型建 立的可行性和仿真结果的准确性,直至符合要求精度为止； （6）综合目前客车上部结构安全性计算机模拟仿真的评价指标和评价方法，对某 一车型进行应用分析。 1.5 国内外客车上部结构强度研究现状 对于客车而言，安全性是永恒的话题。自客车诞生之日起，有关安全性的研究和发 展就与之相辅相承，如影随形。优秀的车身结构安全性是客车企业的良好声誉和市场保 证，也是对广大消费者及乘客生命安全的保证。因此，无论是国外还是国内，对客车结 构安全性，特别是上部结构强度，都给予了足够的重视。 1.5.1 国外研究现状 上世纪，客车工业在欧洲、日本、美国和一些经济发达的国家及地区建立并有了飞 速发展。在车身结构安全性方面，早在上世纪 40 年代德国奔驰汽车公司就进行了汽车 碰撞试验，随后二十年中，世界各大知名汽车公司均已着手开始对汽车包括客车的结构 强度试验5。经过多年的技术发展与更新，国外对于客车侧翻安全性的研究已经相当全 图图 1.3 仿真仿真研究流程图研究流程图 长安大学硕士学位论文 5 面和完善，无论是静态分析、动态计算机模拟和实车试验，都较为深入。以日本为例， 曾专门针对客车安全问题成立了一个由驾驶员、教授和客车企业员工等组成的科研机 构，通过深入调查和联合讨论，对客车上部结构强度等问题提出了许多合理解决方案。 自上世纪七、八十年代开始，计算机被广泛应用于汽车工业，成为汽车技术发展的 一针催化剂，许多知名汽车企 业、科研机构和高校纷纷开始 利用计算机仿真与实车试验相 结合的方式进行侧翻碰撞研 究。近年来，计算机仿真技术 在客车侧翻方面的研究已更加 全面和深入。日本山口大学曾对侧翻事故中车辆的高宽比进行了研究，发现较低车型在 侧翻时容易远侧车顶着地，产生较大加速度和冲击载荷，乘员损伤较大6；2007 年，美 国florida州交通运输管理局基于ece r66法规,在计算机上对实车侧翻试验进行了仿真 验证，对整个侧翻仿真体系做了规范性的补充研究7；2011 年，英国 cranfield 大学基 于 ece r66 对客车上部结构进行了全面而系统的仿真研究（图 1.4） ，提出一种新的有 限元数值“sim-stat”仿真方法，并称其可全部或部分等效代替 ece r66 法规的监管要 求8。 2004 年，美国客车使用者联盟曾做过一个调查，全面评估了客车安全性问题中最 重要、最有影响力等方面的 30 个问题，其中在侧翻安全性方面排在前三位的分别是： 侧翻后乘员生存空间是否完整；侧翻后乘客能否第一时间自行逃生；三点式安全带是否 必须在客车所有座椅上配置9。国外客车工业发达国家由于长期经验积累，对这三点的 研究已经相对深入和成熟。目前，许多国外机构已将客车上部结构强度的研究重点转向 了计算机仿真试验、车身结构轻量化及安全性、舒适性相结合的领域。 1.5.2 国内研究现状 国产客车在上世纪 60 年代才陆续出现在国人的视野中。我国客车工业虽然起步较 晚，但在过去的近 50 年中通过技术革新、中外合资合作、国家重点扶持等方式，已具 备相当的技术底蕴。近年来，客车市场崛起迅猛，制造水平稳步提高，但在提高上部结 构安全性方面却进展缓慢，而不断发生的客车侧翻事故所造成的重大伤亡，更是提醒着 我们，解决客车侧翻事故中乘员安全和上部结构强度问题已刻不容缓。 图图 1.4cranfield 大学客车侧翻仿真研大学客车侧翻仿真研究究 第一章 绪 论 6 长期以来， 我国相关检测机构和多家企业一直致力于客车侧翻试验检测方面的研究 和探索。2005 年 6 月，国内首次成功的客车侧翻试验在湖北襄樊结束，安凯成为国内 首个通过该试验的客车品牌，这次试验的成功开创了我国客车实车碰撞试验的先河，并 为中国客车在安全方面画上了意义重大的一笔10； 2008年4月22日， 百路佳客车以42.5 创造了国内客车侧翻试验最大侧翻角的新纪录11；宇通客车在继 2010 年成功完成国内 首次卧铺大客车侧翻试验后12，又于 2011 年 12 月成功完成了国内首个校车侧翻试验， 试验结果为车体结构几乎完好无损13； 而重庆车辆检测研究院国家客车质量监督检验中 心自 2007 年开始，进行了多次实车侧翻试验，为我国客车上部结构强度的研究提供了 大量数据，做出了很大贡献。 相比较实车侧翻试验成本高、风险高、实施难度大等缺点，侧翻试验的计算机仿真 研究具有效率高、操作性好、可重复性好和节约环保等诸多优点，因此也成为部分科研 院所、客车企业和高校等机构研究车身结构安全性的主要方法。 2001 年， 同济大学的王宏雁、 高卫民1417在 pam-crash 软件中建立了轿车碰撞 模型，主要研究了白车身的碰撞过程，并与试验结果进 行了对比分析，通过改进设计模型的部分结构，取得了 满意的结果。 合肥工业大学周革18等人从客车侧翻碰撞过程中 的最大加速度、平均加速度和加速度均方根三方面，对 侧翻过程和结果进行了评价。 湖南大学张维刚教授等建立了整车车身及截段模 型，并提出了一种侧翻安全性评价方法（图 1.5） ，通过 仿真分析证明该种方法可准确评价生存空间侵入情况；之后又建立了具有蒙皮、玻璃和 座椅的精细化客车有限元模型，分析了这些精细化部件对客车侧翻仿真结果的影响，为 以后的客车侧翻高精度仿真提供了参考； 同时， 提出了客车、 小轿车碰撞相容性的概念， 并给出了相关建议1921。 观察近几年国内相关的论文发表情况， 不难看出目前国内投入客车侧翻计算机仿真 研究的人员数量已经相当可观，但是研究面较为狭窄，创新效果并不明显；对于侧翻中 加入乘员约束系统、车身等效配重加载方法和评价方法等方面，则研究较少；特别是多 数仿真研究缺少实车试验对比，数据缺乏真实性和说服力。 图图 1.5 穿透式生存空间截断模型穿透式生存空间截断模型 长安大学硕士学位论文 7 1.6 影响客车侧翻安全性的主要因素 现代客车车身结构必须具有一定的强度、 刚度和吸能作用， 才能保证乘员足够安全。 当客车发生侧翻碰撞时， 车身结构不仅需要均匀吸收碰撞过程中产生的冲击能量来降低 乘员的减速度，还需要为乘员提供足够的生存空间。在客车骨架结构设计中必须考虑到 预留出一个可压溃区域，该区域在侧翻碰撞过程中将最大限度地吸收能量，产生理想的 皱褶变形，使乘员不受到直接碰撞伤害，并能有效降低减速度大小。此外，客车侧围骨 架应能提供侧翻（侧碰）碰撞保护，保证车门在碰撞后不被挤开、不被卡死，并能顺利 手动开启；客车顶部骨架结构在碰撞中不被压溃，以保证必要的生存空间和事故工作区 域；客车侧围和顶盖要预留安全出口和安全玻璃，以便乘员事故后的逃生和医疗救助。 1.6.1 车身承载形式对客车侧翻安全性的影响 客车车身结构一般由顶盖、 前/后围、 左/右侧围骨架及底架等 6 大部分经组焊而成， 按照车身承受载荷形式的不同，可把客车车身概括地分为非承载、半承载、全承载式三 种类型22（图 1.6）。 （a）非承载式客车车身结构 （b）半承载式客车车身结构 （c）全承载式客车车身结构 图图1.6 三种承载形式车身结构三种承载形式车身结构 （1）非承载式车身 非承载式车身的底架与底盘车架是一个整体， 这种承载形式可以在同一底盘上安装 不同车身，不仅便于装配，而且缓冲隔振性和乘坐舒适性较好。但非承载式车身结构由 底盘单独承载，其车架必须要有足够大的强度和刚度，因此会导致整车质量过大，与车 身轻量化趋势矛盾；此外，非承载式车身会导致客车质心增高，对高速行驶时的稳定性 有很大影响，所以这种结构形式在目前中、高档客车中已比较少见。 （2）半承载式车身 半承载式车身中车身与车架刚性连接， 车身可部分承载。 这种形式的车身结构简单， 便于改装，可在一定程度上减轻客车自身重量，也可以适当降低整车质心高度，但仍存 很大限制。 第一章 绪 论 8 （3）全承载式车身 全承载车身是目前客车制造技术中较为先进的一种结构形式。 这种车身结构可以较 好地保证整个车身都参与承载，车身上下部构高度统一，受载或碰撞过程中可实现较理 想的力传递，达到“以弱济强”的效果，具有很好的耐撞性。此外，全承载式车身在进行 合理的优化设计后，可在保证较大刚度和强度前提下大大减轻车身重量，达到结构优、 质量轻的目标，从而减少侧翻碰撞发生时的碰撞能量，提高客车上部结构安全性。 1.6.2 顶盖横梁、立柱与底架横梁对客车侧翻安全性的影响 在侧翻事故中很可能出现顶盖塌陷、断裂甚至脱落的情况，从而对乘员产生极大伤 害。在进行顶盖横梁设