客车侧翻安全性仿真分析与改进.pdf

第5 1 卷第9 期 V 0 1 5 lN o 9 农业装备与车辆工程 A G R I C U L T U R A LE Q U I P M E N T V E H I C L EE N G I N E E R I N G 2 0 1 3 年9 月 S e p t e m b e r2 0 1 3 d o i 1 0 3 9 6 9 巧 is s n 1 6 7 3 3 1 4 2 2 0 1 3 0 9 0 1 3 客车侧翻安全性仿真分析与改进 万举晔 王军 周磊 2 3 0 0 0 9 安徽省合肥市合肥工业大学机械与汽车工程学院 摘要 以某型客车为研究对象 按照E C E R 6 6 法规的要求 使用H y p e r m e s h 进行客车的有限元建模 利用显式 动力分析软件K S D Y N A 对客车有限元模型进1 5 俩1 翻碰撞的仿真计算 在仿真分析后 对应力 能量和侵入量的 情况进行了分析 提出客车骨架的一系列结构性改进设计 再次进行仿真计算 通过比较改进结构前后计算情 况 证明乘客的安全空间得到保障 以上改进措施可以满足客车侧翻碰撞安全性的要求 关键词 客车 侧翻 有限元 仿真 中图分类号 U 4 6 1 9 1 文献标志码 A 文章编号 1 6 7 3 3 1 4 2 2 0 1 3 0 9 0 0 4 7 0 5 T h eA n a l y s isa n dI m p r o v e m e n to fC o a c hS a f e t yB a s e dO nt h eR o l l o v e rT e s tS im u l a t io n W a nJ u y e W a n gJ u n Z h o uL e i S c h o o lo fM a c h in e r ya n dA u t o m o b il eE n g in e e r in g H e f e iU n iv e r s it yo fT e c h n o l o g y H e f e iC it y A n h u iP r o v in c e2 3 0 0 0 9 C h in a A b s t r a c t A c c o r d in gt ot h er e q u ir e m e n t so fE C E R 6 6r e g a l a t io n sa n db a s e dO nt h ec o a c hf r a m e w o r kg e o m e t r ym o d e l af in it e e l e m e n tm o d e lf o rc o m p l e t ec o a c hW a sb u il tw it hu s in gH y p e r m e s h As im u l a t io no ft h ep r o c e s so fr o H o v e rc r a s hW a sp e r f o r m e d w it hL S D Y N A ap ie c eo fe x p l ic itd y n a m ica n a l y s iss o f t w a r e A f t e rt h es im u l a t io na n a l y s is t h es it u a t io no fs t r e s s e n e r g ya n d t h ea m o u n to fin v a s io nisa n a l y z e d As e r ie so fs t r u c t u r eim p r o v e m e n tm e a s u r e sw e r ep u tf o r w a r d W it ht h es im u l a t io nc a l c u l a t io n c a r r ie do na g a ina n db yc o m p a r in gb o t ho ft h er e s u l t sb e f o r ea n da f t e rs t r u c t u r eim p r o v e m e n t t h ep a s s e n g e r s 7s a f e t ys p a c ew a s p r o v e dt o b eg u a r a n t e e d T h ea b o v em e a s u r e sc a nm e e tt h er e q u ir e m e n t so fc o a c hr o n o v e rc r a s hs a f e t y K e yw o r d s b u s r o U o v e r f in it ee l e m e n t s im u l a t io n 0弓l 言 客车作为现代重要的公共交通工具 其机动 性和高效性日益提升 与此同时 每年的客车交通 事故却给我们带来了巨大的损失 由于客车自身 的结构特点 侧翻事故对乘员带来的危害远大于 前 后碰撞和侧面碰撞等 1 文章依照G B T 1 7 5 7 8 1 9 9 8 和E C ER 6 6 法 规标准 以某1 2 m 大客车车身骨架结构作为研究 对象 建立其整车骨架的有限元模型 应用L S D Y N A 软件进行仿真分析 分析其上部结构性能 找出结构薄弱环节 并提出改善客车侧翻安全性 的措施 1侧翻碰撞有限元模型的建立及仿真参 数设置 1 1 侧翻碰撞模型前处理 本车型是全承载结构 发动机后置 空调后置 的客车 其主要包括由槽钢组成的车架和大量不 收稿日期 2 0 1 3 0 6 0 2修回日期 2 0 1 3 0 6 2 8 同截面的薄壁无缝钢管拼焊而成的 为了尽量做 到真实地在有限元模型中反映大客车的骨架结 构 大客车的车身骨架和底盘车架采用板壳单元 和实体单元构建 前后8 个空气弹簧悬架和整体 桥结构的导向杆系分别采用刚性单元和梁单元模 拟 在建模过程中遵循以下简化规则 2 s 1 忽略蒙皮 内饰等非承载件 如密封板 仪 表盘 玻璃等 部分加上适当载荷或质量点 2 对于发动机 空调 油箱等位于底板下方 的附件 用刚体代替 形状与实体大体一致 3 对于阻尼减震器之类的元件 为防止实验 时摆动 进行锁止 故建模时看作与底盘刚性连接 4 车架上的工艺孔 凸台等 会造成网格划 分困难 对精度造成较大影响 忽略不计 5 悬架 座椅 车轴 车桥等 在侧翻过程中仅 重力做功 用质量点或刚体代替 根据要求所建立的大客车有限元模型如图1 所示 共有1 D 单元78 7 9 个 2 D 单元7 82 4 1 0 个 3 D 单元8 7 9 个 5 4 52 2 3 个节点 其中三角形 单元数为70 0 5 个 约占0 9 0 5 的要求 农业装备与车辆工程 2 0 1 3 矩 图1 侧翻碰撞的有限元模型 F ig 1T h ef in it ee l e m e n tm o d e lo fr o l l o v e rc r a s h 1 2 材料模型设置 目前客车的材料主要有 含磷高强度冷轧钢 板 镀锌冷轧板和冷轧铝镇静钢板 不同材料所用 部位不同 低碳钢主要用于强度和刚度不高的部 位 比如前后围 左右侧围和地板等 高强度钢具有 屈服极限大 抗变形能力强的特性 应用于对强度 和刚度要求较高的部位 文章进行侧翻研究的为全 承载式客车 它是用矩形冷弯型钢焊接的格栅式底 架与车身组成的整体式全承载车身 目前国内客车 车身骨架采用基本相同的材料 本文研究车型的材 料为合金钢1 6 M n L 和低碳钢Q 3 4 5 材料模型的参 数与属性见表1 及图2 图3 所示 表1 客车材料参数 T a b 1C o a c hm a t e r ia lp a r a m e t e r s 二1 h 蒜h 唧蔫 n 矿 广等告 产学孙r 前厂坐一 盟 广锦r 广等 广告r 躺W 广j 吕r r 鹗F 图2 合金钢1 6 M n L 在H y p e r m e s h 中的材料属性卡 F ig 2T h e m a t e r ia lp r o p e r t ie so f a l l o ys t e e l16 M n LinH y p e r m e s h A I 姒t P i c E w 8 E L I N E A R P L A s r IC I T 蒜h r 玎鼎w J b 罱 嬲町等 厂 写 登广掣丽r 譬J T 8 1 1 1 参州 一 s 一 州 芏L 图3 低碳钢Q 3 4 5 在H y p e r m e s h 中的材料属性卡 F ig 3T h em a t e n a lp r o p e r t ie so fl o w c a 巾o ns t e e lQ 3 4 5inH y p e r m e s h 1 3 加载 约束设置 在侧翻过程中 重力伴随着整个侧翻过程 在 H y p e r m e s h 中重力通过载荷卡片木L o a d B o d y Z 加以设置 施加的形式为加速度形式 重力加速度 大小为9 8 1 0 加速度的设置卡片和时间历程曲线 如图4 图5 所示 Lo A D B O o Y Z 嫂L J r 上k 上业叫 厂 L D I f 曲o r o o r e 曲o 了Z D c 帖o f F 戡 D ir s t O r l o n f R Y D md o n r R z D 怕a o n 广P e t s 图4 加速度的设置卡片 F ig 4T h es e t u pc a r do fa c c e l e r a t io n 正三田 5 5 一 d 1 00 j n I 6 u 图5 加速度时间历程曲线 F ig 5T h et im eh is t o r yc u r v eo fa c c e l e r a t io n 侧翻试验平台只有绕轴的转动 故约束其它 5 个自由度 客车车身纵向位移很小 可忽略不 计 因此约束其所有方向自由度 1 4 接触设置 在汽车碰撞仿真分析中 为简化接触的定义 提高数值计算的稳定性和计算效率 通常采用单 面接触类型的做法 在此采用单面接触来处理汽 车碰撞模拟中的所有部件间的接触 由于在汽车 碰撞过程中 很难人工判断壳单元发生接触的方 向 因而采用自动接触方式 程序自动从壳单元 的法线两侧进行接触检测 减少了工作量 6 定义 接触面之间的动 静摩擦因数均为0 1 5 2 客车骨架侧翻仿真结果分析 2 1 仿真结果验证 客车在侧翻碰撞过程中 首先是车体的顶盖 边纵梁 侧围和地面的接触碰撞 随着碰撞的深 入 碰撞产生的应力开始向车体的前后传递 车体 自身部件也会发生一些简单的碰撞 但地板 底 架 油箱等一些结构在碰撞的过程中几乎不会发 生太大的变形 侧围的变化主要是立柱 腰梁 车 窗横梁的变形以及顶盖和侧围的铰接部位 对于 它们的考察主要看是否侵人生存空间 7 在本次侧翻过程中 车体乘员区域发生了变 形 生存空间受到威胁 本次仿真时间是0 4s 图6 分别是客车中部在0 0 1 0 2 0 4S 时刻的变形图 第5 l 卷第9 期万举晔等 客车侧翻安全 f 生仿真分析与改进4 9 猕 避描 篙 黜器 端茹 麓器 麓篇黜 1T 喇 O a 瞄h 础m 1T M t 0 嘲 F w r 1F n 憎5 卷等端黑器篇器 鬈麓 篙 渊 瀣凇 嚣 黜 L o d c 川T 一0 Z D 0 U I d c m T m a0 0 0 0 0 F r 艟9 F r 州 1 7 自壹 图6 客车中部车体在0 0 1 O 2 0 4S 时刻的变形图 F ig 6T h ed e f o r m a t io nf ig u r e so ft h em id d l e c o a c hb o d yin0 s 0 1s 0 2s 0 4st im e 2 2 应力分析 客车在侧翻碰撞接触到地面的一瞬间 将会受 到地面的作用力 由于客车受到地面的力与地面受 到客车的力是一对反力 为了研究的方便 分析地 面的受力情况即可了解到客车车体的受力情况 图7 一图1 0 为地面x y Z 方向受到的应力曲 线和法向应力曲线 量 墨 1 连一 1 时间 图7 地面X 方向受到的应力曲线 F ig 7T h eX d ir e c t io ns t r e s sc u r v eo ft h eg r o u n d O 基 0 j 百 0 6 童I 0 x 一1 2 A 0010 20 3 时间 图8 地面Y 方向受到的应力曲线 F ig 8T h eY d ir e c t io ns t r e s sc u r v eo ft h eg r o u n d 时间 图9 地面Z 方向受到的应力曲线 F ig 9T h eZ d ir e c t io ns t r e s sc u r v eo ft h eg r o u n d 时I 刨 图1 0 地面法向受到的应力曲线 F ig 10T h en o r m a ls t r e s sc u r v eo ft h eg r o u n d 分析知 z 方向受到的力与法向受到的力很 相近 说明客车车体受到的力主要是z 方向上的 与实际相吻合 2 3 能量分析 众所周知 能量守恒是检验仿真精度的重要 考量指标 侧翻分析过程的能量变化曲线如图1 1 所示 从临界侧翻开始 客车的能量主要由微小的 动能和内能组成 随着客车的翻转 动能增大 内 能减小 当客车与刚性地面碰撞的一瞬间 动能达 到最大值 随后动能逐渐转化为地面和车体由于 摩擦而产生的接触能及车体塑性变形能 由于车 体在地面上的位移较小 可忽略不计由于摩擦产 生的热能 因此 客车侧翻过程中能量变化主要为 客车的内能转化为动能再转化为内能的过程 加啪0 8 1 8 E 枷8 1 6 E 瑚8 1 4 E 栅8 1 2 啪0 8 l D 嗍8 8 加舢 仰啪0 7 4 D E 0 0 7 2 0 啪0 7 0 图1 1 各能 时I 司变化曲线 F ig 11T h et im ec h a n g in gc u r v eo fe v e r ye n e r g y 计算过程中由于采用了临界碰撞方法 省去 了车体下降过程 车体的动能量在碰撞过后0 2 0 m s 内达到峰值 在碰撞发生后动能迅速减少 最 终趋于0 车体的能量转换主要是内能和动能的 转换 内能在碰撞前处在一个低能量水平 碰撞后 逐渐增大 最终保持在一个很高的水平 由于能量 的变化遵守能量守恒定律 但客车侧翻过程中由 于重力做功以及产生了沙漏能 导致总能量有少 许的增加 是符合能量守恒定律的 在计算过程中采用了单点积分算法 将会产 生沙漏现象 图1 2 为沙漏能的变化曲线 只要沙 漏能不超过总能量的5 就认为计算能量变化 的结果是可靠的 8 1 图中沙漏能约占总能量的l 农业装备与车辆工程 2 0 1 3 危 左右 故认为计算结果是正确的 因此 该仿真计 算结果符合要求 结果是可信的 l im e 图1 2 沙漏能时间变化曲线 F ig 12 T h eh o u r g l a s se n e r g yc h a n g ew it ht im ec u r v e 2 4 侵入量分析 通过对仿真结果图6 分析可知 在侧翻过程 中 立柱和腰梁绕地板铰接处转动 此时风窗立柱 和腰梁已全部侵入生存空间 乘员的安全受到了 危害 根据E C ER 6 6 规定 生存空间以外的任何 车身结构都不能侵入其中 9 故该客车的骨架结 构是不符合安全要求的 3结构改进后仿真分析 为了解决侧窗立柱侵入生存空间量过大的问 题 可以增强其抗弯性能 并提高整个闭环的力量 传递性能 对其进行如下改进 1 在地板和侧围铰接部位加斜撑 2 给腰梁添加一根梁 3 优化顶盖的结构 4 改善风窗立柱截面形态 在立柱内添加 套杆 5 增加侧围的壁厚 详见图1 3 一图1 6 图1 4 腰梁部位添加的纵梁示意图 F ig 14T h ed ia g r a mo fa d d it io n a ll o n g it u d in a l b e a mint h ew a is tb e a m 图1 5 顶盖结构改变示意图 F ig 15T h ed ia g r a mo ft h ec h a n g eo ft h er o o fs t r u c t u r e 图16 添加套杆后的立柱截面示意图 F ig 16T h ec o l u m nc r o s ss e c t io nd ia g r a mo fa d d it io n a ll o o pb a r 然后把改进后的模型再次提交到L S D Y N A 中计算 发现侧窗立柱没有侵入生存空间 使司乘 人员生存空间仍然保持完整 满足法规要求 如图 1 7 所示 H r F 州砒s 岫u 田 盱呻 一f r 褂n oD I l H 卅 p e w 砒n 峨 k 柚 f 1 1 L f r t m e 蝴 日批t H w I 啪一n m 啪一睁m 嘶 f 阑n n 州 R e 妯H H 畔w 砒n 恤懈l 柏 y f r 地脚 L 龇 e 1T 眦 04 0 L 0 湘t e lT 目e2 0 如珊 F 7F m n 摹蒂 图1 7 修改结构前 后在t O 4S 时的整车变形对比图 F ig 17T h ec o n t r a s td e f o r m a t io nf ig u r eo ft h ec o a c hs t r u c t u r e w h e nt O 4Sb e f o r ea n da f t e rm o d if ic a t io n 通过上图的分析可知 结构改进前顶盖的横 梁由于力的传递线路不够顺畅 刚度不足等原因 发生了弯折 侧围立柱抗弯截面系数较小 变形较 大 并侵人生存空间 侧围绕地板和腰梁的铰接处 发生了很大转动 导致侵入生存空间 通过前文的 改进措施 这些需要避免的现象已经得到了改正 经过结构改进后 满足了侧翻法规的基本要求 乘 员的安全得到基本的保障 客车的侧翻安全性得 到一定程度的提高 表2 为车身前 中 后三个部 位所取节点的最大变形量的对比 逖一斟巡一H 第5 l 卷第9 期万举晔等 客车侧翻安全出仿真分析与改进5 1 表2 车身结构变形量 T a b 2T h ed e f o r m a t io no fb o d ys t r u c l u r e 原模型改进模型 上部下部是否侵入上部下部是否侵入 m m r r u n 生存空间 m m r 生存空间 要求的情况下 可以对客车进行后续的优化设计 同时对安全性评价也具有重要的指导作用 参考文献 4 结论 4 客车侧翻碰撞过程中车身地板以上的结构尤 其是侧围的结构是决定侧翻碰撞安全性能的十分 重要的因素 本文通过在地板和侧围铰接部位加 斜撑 给腰梁添加一根梁 优化顶盖的结构 优化 风窗立柱的结构形式 增加侧围的壁厚等措施 有 效地提高侧翻安全性能 最终改进方案满足了E C E R 6 6 法规对乘员生存空间的要求 通过计算机 模拟客车骨架侧翻碰撞 较好地模拟仿真了侧翻 碰撞的全过程 使技术人员能够很直观地了解碰 撞变形过程中能量分布及受力情况 同时 缩短了 产品开发周期 节省了试验费用 在仿真精度满足 高水德 张绍理 姚常青 国外客车被动安全研究 J 客车技 术与研究 2 0 0 6 1 3 3 7 1 0 L e s l a wK w a s n ie w s k i L iH o n g y i R a v iN im b a l k a r e ta 1 C r a s h w o r t h in e s sa s s e s s m e n to fap a r a t r a n s itb u s J I n t e r n a t io n a l J o u r n a lo fI m p a c tE n g in e e r in g 2 0 0 6 3 2 8 8 3 8 8 8 孙信 王青春 桂良进 等 大客车翻滚安全性有限元分析 J 汽车技术 2 0 0 7 3 8 8 3 4 3 5 邰永刚 孙凌玉 用菇 大客车翻滚碰撞性能研究与改进设计 J 机械科学与技术 2 0 0 5 2 4 1 2 1 4 2 0 1 4 2 1 5 温文源 韩祖行 客车车身结构的有限元分析及优化设计研 究 J 东南大学学报 1 9 8 9 2 2 3 3 2 4 0 6 方锡邦 周革 尹鸿飞 客车徊翻试验仿真研究 J 客车技 术 2 0 0 6 2 5 6 1 0 1 3 7 王宏雁 徐少英 有限元法在客车车身蛄构模态分析中的应 用 J 北京汽车 2 0 0 2 1 1 3 1 5 8 邓兆祥 胡玉梅 王攀 等 客车耐撞性结构优化设计 J 机 械工程学报 2 0 0 5 4 1 1 1 2 1 7 2 2 0 9 N a j a g a w aK e n T a t s u h ir o C r a s hs im u l a t io no fap a s s e n g e