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发表于 2020-4-24 09:06:57 | 显示全部楼层 |阅读模式

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大客车侧面碰撞建模与仿真分析

崔亚辉,谭喜峰,齐焕敏
(西安理工大学机械与精密仪器工程学院,陕西 西安 710048)
【中国汽车材料网】摘 要:针对客车在行驶途中出现的侧面碰撞安全性问题,相关法规不完善。以某半承载式公交客车为例,对现有的ECER95移动壁障进行配重、位置调整建立客车侧面碰撞有限元模型,分析客车在30km/h、50 km/h碰撞初速下碰撞过程中的能量、乘员头部及骨盆加速度、生存空间变形及侧围吸能。仿真结果表明,客车碰撞过程满足能量守恒定律,乘员头部和骨盆最大加速度为17.7g、13.96g,生存空间测量点最大变形为387.5mm,损伤参数值均在乘用车乘员保护法规参考值范围内,侧围腰立柱和横梁吸为主要吸能部件。根据仿真分析提出客车侧围轻量化设计方案,将50 km/h作为客车侧面碰撞试验速度具有可行性。
关键词:半承载式客车;侧面碰撞;乘员安全;有限元仿真;轻量化

[size=1em]大客车作为城市公共交通的主要交通工具,能有效缓解交通拥堵和尾气排放问题,建设发展“便捷、快速、绿色、安全”的城市公交体系已经成为解决城市交通问题的重要途径。我国的城市道路交叉口的主要形式是平面交叉,侧面碰撞事故发生频率最高;客车侧面作为车身骨架中刚度较薄弱的部位,一旦受到来自侧面的撞击,由于没有足够空间发生结构变形以吸收碰撞能量,车内乘员同撞击物之间仅隔着有限的空间,生存空间容易遭到侵入,对乘员的伤害较其它类型的碰撞更为严重[1]。

[size=1em]目前,我国的汽车碰撞安全性法规仅适用于M1类汽车,对客车的碰撞安全性的相关研究研究滞后于欧美等国家,对客车车身结构安全性的要求也仅仅局限在侧倾翻滚[2]。因此,开展客车的侧碰安全性研究,加快客车碰撞安全性法规和评价标准的制定具有重要意义。文献[3]对客车进行侧面碰撞仿真分析,从乘员安全和电池安全两方面评价客车的侧面碰撞安全性,并对客车的结构进行改进;文献[4]对客车车身骨架进行了侧后碰撞仿真,分析了电动客车动力电池包、车身骨架在碰撞过程中的变形情况,指出部分影响客车安全性的缺陷;文献[5]建立某SUV侧面碰撞仿真模型进行研究,分析对车身安全性有重要影响的关键构件,对车身结构进行多学科协同优化。以上研究在碰撞初速和侧碰移动壁障选取上不统一,仿真结果差异性较大。

[size=1em]本研究建立了某半承载客车整车侧面碰撞有限元模型,选择选择VPG/Safety软件中ECER95规定的非商用移动变形壁障并进行质量点配重、位置调整,分析该客车模型在30km/h和50 km/h碰撞速度下的整车变形和乘员损伤情况,结合能量及变形分析对该客车的侧围提出轻量化设计意见,从保护成员的角度选取合理的客车侧面碰撞试验速度。


2 有限元模型建立
2.1 模型简化

[size=1em]以某公交客车为研究对象,外形尺寸长宽高分别为10200mm、2500mm和3050 mm,根据厂家提供的图纸利用CATIA软件进行3维建模,将建立好的几何模型导入到HyperMesh中。对模型进行合理的简化处理,确保仿真分析的准确性同时缩短计算时间,应遵循CAE分析简化原则[6],略去车窗玻璃、车身蒙皮等对碰撞性能影响较小的非承载件,忽略车身上较小的安装孔、圆角、倒角、工艺孔和翻边等一些工艺特征,采取合并自由边、修补缺失面、删除小孔和倒圆角等步骤进行几何清理。客车整车骨架、前后车桥和轮胎等部件采用2D壳单元构建,发动机、变速器等采用Shrink wrap进行6面体单元建模,由于客车侧面碰撞中,侧围的变形比较大,底架是主要吸能构件,对这两部分进行网格细化,单元尺寸为10mm,其他部件单元尺寸为20mm。

2.2 运动设置

[size=1em]汽车碰撞作为一个瞬态的复杂物理过程,它包含以材料弹塑性变形为典型特征的材料非线性和以接触摩擦为特征的边界非线性[7],材料赋予除了常规的密度、弹性模量、泊松比等还要考虑材料的屈服后的应力应变曲线。该客车车身骨架:客车顶盖、前后围、左右侧围主要使用Q235材料,车身底盘主要使用Q345材料,其余部分非关键件材料为08F钢。查阅相关资料得到材料的特性参数,如图1所示。

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[size=0.8em]图1 材料应力应变曲线

Fig.1 Stress-Strain Curve of Material


[size=1em]正确的对各种连接、运动和其他功能部件简化和建模是确保仿真运动状态和实际客车运动状态一致的前提。车身框架钢管件之间的连接选用rigids和共节点两种方法,刚体与可变形体之间的连接选用XtraNode类型的接触,刚体与刚体连接选用RgdBodyToRgdBody类型接触,车轮、传动轴等运动件选择铰接进行连接建模。

2.3 侧碰模型的建立

[size=1em]客车侧面碰撞仿真结合美国APTA关于公共汽车侧面防撞性试验(TS23.2)和欧洲ECE R95关于汽车侧面防撞性试验进行。侧碰移动壁障选择ECER95非商用移动变形壁障,该壁障模型由7728个节点和6664个单元组成,模型质量956.5kg,为了模拟普通轿车与客车发生碰撞,在模型重心位置添加配重粒子,将壁障重量调整到1.8t;碰撞位置选择侧面结构强度薄弱且乘客集中的区域进行,为了保证壁障与乘客座椅R点对齐,调整壁障距地高度,将壁障抬高440mm,侧碰模型,如图2所示。

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[size=0.8em]图2 客车侧碰模型

Fig.2 Bus Side Touch Model


2.4 参数设置

[size=1em]将客车的整个车身定义为一个总体的单面接触,用于检测模型中各部分组件可能发生的接触,防止出现穿透现象,壁障与客车之间选择自动面面接触[8]。重力加速度设置为9.8m2,沙漏控制参数为0.05,选择有精确体积的Flanagan-Belyschko积分类型,静摩擦因数、动摩擦因数均取经验值0.2[9],碰撞持续时间为150ms,移动壁障速度分别设置为30km/h和50km/h。


3 仿真结果及分析

3.1 能量分析

[size=1em]侧碰仿真结果显示,碰撞过程中系统总体能量基本保持恒定,移动壁障的动能逐渐减小,客车由于吸能导致内能不断增加,由数值计算引起的沙漏能和滑移能的大小都控制在较小的范围内,碰撞过程满足能量守恒定律,仿真结果合理,50km/h初速下碰撞能量变化曲线,如图3所示。

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[size=0.8em]图3 能量变化曲线

Fig.3 Energy Curve


[size=1em]如图所示,0时刻系统动能最大为1.75×105J,0-90ms时间内移动壁障的动能下降很快,最后趋于一个稳定值3.30×104J,客车的内能的变化趋势与壁障的动能变化趋势相反,在90ms时76.5%的动能转化为内能,系统沙漏能一直保持在系统总内能的2%左右,在控制范围内。

3.2 乘员安全

[size=1em]为研究侧面碰撞乘员的运动的情况及损伤程度,在撞击侧座椅头枕处A点和座垫处B点添加加速度传感器,分别检测乘员头部和骨盆的合成加速度[10],在侧碰移动壁障添加加速度传感器,对轿车司机进行加速度分析,具体位置,如图4所示。

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[size=0.8em]图4 加速度传感器位置

Fig.4 Acceleration Sensor Position


[size=1em]在30km/h、50 km/h的碰撞初速下乘员座椅头枕处加速度的峰值分别为17.7g和10.93g,远小于人体头部所能承受的最大加速度(100g),乘员骨盆处合成加速度峰值分别为13.96g和6.54g,小于FMVSS 214法规中规定的130g,客车上乘员损伤各指标均在法规允许范围内,但壁障台车的最大加速度分别为34.57g和13.15g,明显大于客车上乘员的加速度,说明碰撞过程中轿车驾驶员受到伤害较大,具体的如图5所示。

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[size=0.8em]图5 不同碰撞初速下各部位加速度

Fig.5 The Acceleration of Each Part at Different Initial Faults


3.3 侧围变形分析

[size=1em]选取50km/h碰撞初速分析客车碰撞前后最大变形情况,对碰撞前后乘员生存空间进行对比,可以看出客车右围的碰撞区域发生了较大的变形,客车的乘员生存空间遭到较大侵入,将会伤害到乘员的人身生命安全。为查看入侵变形量,在侧碰壁障前端对应的主碰撞区腰立柱上提取一个测量点,分别测量30km/h、50km/h碰撞初速下的变形量变形时间历程图,如图6所示。从图6可以看出,客车腰立柱在30km/h、50 km/h碰撞初速下的最大变形分别为387.5mm和137.4mm,最大变形时间分别为0.14s和0.12s,说明碰撞接触已经在0.15s内完成,碰撞时间选取合理,客车的最大变形均小于ECE R66规定的400mm,说明该客车侧围有一定强度,侧碰安全性较好。

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[size=0.8em]图6 不同碰撞初速下腰立柱变形历程图

Fig.6 Deformation History of Lower Column at Different Initial Faults


3.4 侧围吸能分析

[size=1em]分析侧围(右侧围:碰撞的主变形区)各部件吸能情况,可发现主要是腰立柱和横梁吸能较多,斜撑吸能较少,斜撑主要是起力的传导作用,后续对客车轻量化研究可主要放在斜撑上面,可以改变斜撑壁厚或改用U型钢斜撑;为保证客车侧碰安全性腰立柱和横梁应有足够强度,如图7、图8所示。

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[size=0.8em]图7 侧围主要吸能部件吸能图

Fig.7 Side of the Main Energy Absorption Components


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[size=0.8em]图8 侧围主要吸能部件布局图

Fig.8 Side of the Main Energy Absorption Components Layout


4 结论

[size=1em]本研究采用有限元方法建立了某公交客车侧面碰撞分析的整车模型,进行了仿真计算分析,通过能量分析验证了模型的有效性和实用性,仿真结果表明普通轿车以30km/h和50km/h两种碰撞初速撞击该客车侧围,客车的乘员生存空间和乘员损伤情况等主要安全指标均在法规参考值范围内,结合侧围各部件吸能情况提出客车侧围轻量化设计方案,从保护成员的角度将50km/h速度作为客车侧面碰撞试验研究理论上是可行的,与文献关于客车碰撞初速选取结果相符。目前国内对公交客车侧面碰撞安全性分析的相关研究比较少,相关的侧面碰撞安全性的安全性法规和评价标准尚未制定,本研究基于有限元建模分析方法及具体仿真分析对后续开展公交客车实车侧面碰撞实验及侧面碰撞安全性的相关研究提供一定的理论基础,推动相关强制性法规的制定。




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