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混合动力客车耐撞性分析与结构改进

吴胜军,程梓豪,韦 宁,叶欣钰

(湖北汽车工业学院 汽车动力传动与电子控制湖北省重点实验室,湖北 十堰 442002)

【中国汽车材料网】摘 要:为研究东风EQ6110HEV6混合动力客车安全性能,基于有限元分析软件Hyper-Works与LS-DYNA,对混合动力客车进行正面碰撞仿真分析。首先,通过HyperWorks软件按照客车参数与实际情况进行建模;其次,通过分析车身变形、车门变形以及驾驶员座椅地板中心加速度等一系列关键指标,对该车的碰撞安全性进行评价;最后,基于仿真分析结果,采用增加防撞梁结构的方法进行改进,改进后客车车门变形量减少了52.6%,质心加速度和驾驶室座椅地板中心加速度分别减少了25.8%和33.9%。
关 键 词:混合动力客车;正碰;有限元仿真;结构改进

客车是目前乘客运输中的主要交通工具,而混合动力客车作为新型节能环保型客车,不仅能保证客车的动力性,还符合新时代绿色交通的发展需求。由于混合动力客车结构与传统燃油车的区别,需要对其进行特定的安全性检测。
通常客车发生事故时,碰撞事故对乘员造成的伤害最为严重。在碰撞事故中,主要分为正碰、侧碰、追尾碰及侧翻[1],其中正碰和侧碰发生频率高,也是伤亡人数较多的碰撞类型。由于目前国家汽车正面碰撞的法规仅适用于M1类汽车,故对于客车车身结构的安全性要求局限于侧倾翻滚[2]。
本文以东风EQ6110HEV6混合动力客车为研究对象,通过HyperWorks与LS-DYNA对其进行联合正面碰撞仿真分析及改进研究,探讨该型混合动力客车的正面碰撞安全性能。

1 正碰有限元模型的建立
该型混合动力客车为半承载式结构,车身与车架柔性连接,发动机、电机后置,动力电池顶置。在对客车建模时,根据分析的特点,对客车结构进行适当简化。
为得到准确结果,笔者通过CATIA建立简化后的三维几何模型,然后导入Hypermesh中进行划分网格,定义材料属性,确定计算参数,完成有限元模型的建立。

1.1 混合动力客车实体模型的建立
计算的有限元模型来源于三维实体模型。三维实体模型的精确性关系到仿真结果的准确性,但如果模型过于复杂,就会大大增加前处理的工作量[3]。合理的简化可以极大提升工作效率。基于以上原因,利用CATIA软件对该型客车建立简化的几何模型。被简化的结构和附件主要有以下4种:
1)车身蒙皮、封板以及玻璃。
2)动力总成以及油箱、空调、压缩机、电机、电池等附件,在有限元建模中以质量点的形式附加到相应的连接位置上。
3)非承载件如扶手、内饰、支架等。
4)零件上的非连接性结构如小的工艺孔、小倒圆角等。
完成后的客车模型车身结构总装配图如图1所示。

图1 客车模型车身结构总装配图

1.2 有限元模型的建立
利用HyperMesh/LS-DYNA建立客车正面碰撞的有限元模型。客车的车身骨架、地板、车架均采用壳单元构件。在网格划分时,根据分析的特点,遵循前密后疏的原则,前中后分别划分为10、20、40 mm。建立的有限元模型如图2所示。共有493 706个单元,其中客车前部模型结构单元数量为256 147个,占整车车身骨架结构单元的总数的51.9%。

图2 客车车身骨架有限元模型


客车模型总质量为10.5 t,与实车质量相当。车身骨架所用材料为Q235钢,地板与车架采用Q345钢,都使用MAT24多段线弹塑性材料模拟。客车前后桥由于在碰撞过程中几乎不发生变形,同时主要材料成分为铸铁,因此采用MAT24号材料模拟。而轮胎的主要材料为橡胶,采用MAT1号材料模拟其弹性变形。车身骨架主要材料特性参数如表1所示。
表1 车身骨架主要材料特性参数



2 正面碰撞仿真分析
对该型混合动力客车赋予30 km/h的速度进行正面碰撞仿真分析[4],计算时间设定为180 ms。
2.1 正碰仿真结果的验证
撞后的能量变化如图3所示,碰撞能量与碰撞时刻相对应,总能量为366 kJ,符合能量守恒定律。通过能量曲线可知:沙漏能最大值为497 J,占总能量的1.36%,小于总能量的5%,说明沙漏变形对求解结果影响较小,沙漏控制是成功的。碰撞开始后20 ms,动能与内能基本不变,由于轮胎与地面接触摩擦的作用,内能有细微的波动,在正常范围之内;碰撞过程在20~120 ms时,车身与刚性墙发生作用,内能快速增加,动能急剧减小;126 ms以后,内能趋于稳定,车身达到最大压溃量;180 ms时内能为333 kJ。

图3 碰撞能量曲线


2.2 车身变形分析
碰撞后车身结构在各主要时间节点的碰撞变形如图4所示。在50 ms时,客车已经发生变形,前纵梁前端被完全压溃,前框梁与刚性墙开始作用。在120ms时,客车前端驾驶室发生严重变形,前纵梁已经被挤压到极致,驾驶室地板和骨架都发生了较大的弯曲变形。在170 ms时,能量与变形已经稳定,后轮轮胎与地面挤压,发生轻微的变形。综合来看,碰撞后驾驶发生了较大的变形,整车耐撞性能差,所以需要对该车进行结构改型,提升碰撞性能。

图4 碰撞主要时刻的运动序列图


2.3 车门变形分析
客车发生正面碰撞,前部变形严重可能导致前门不能正常开启,因此重点研究前门的变形量。图5为车门骨架的压缩变形曲线,通过车门骨架纵向变形量的分析判断车门是否能正常开启。

图5 车门压缩量


由图5可以看出:在50 ms之前,车门压缩量在0 mm处徘徊,主要原因是由于前纵梁与刚性墙相互作用,缓冲吸能,前框梁并未与刚性墙接触。在50~130 ms,车门压缩量在130 ms达到最大,为204 mm。随后,由于车门骨架的弹塑性作用,骨架发生回弹,压缩量稳定在176 mm。由此可以得出:在客车发生碰撞后,车门压缩量为176 mm,占车门宽度的19.5%,说明前门已经发生了严重的变形,威胁到乘客的逃生安全。
2.4 加速度分析
碰撞加速度是衡量整车碰撞性能好坏的重要指标之一,碰撞加速度过大,传递到客车上乘员的加速度值也会大,碰撞性能较差,乘员会因为受到较大的加速度冲击而受到伤害。本文研究的混合动力客车不包含假人及乘员约束系统,不能直接研究正碰条件下对人体的损伤情况,故通过质心以及驾驶室座椅地板中心加速度的变化间接评价客车正面碰撞的安全性,仿真分析后的加速度曲线都通过SAE60Hz滤波处理[5]。质心加速度及驾驶室座椅地板中心加速度曲线如图6、7所示。

图6 质心加速度曲线



图7 驾驶室座椅地板中心加速度曲线


根据加速度时间历程曲线,可以看出:
1)质心加速度最大值为22.1g,出现在碰撞发生后的53 ms,随后加速度持续降低,变化过程平缓在180 ms,加速度接近于0。
2)驾驶室座椅地板中心加速度峰值为82.4g,出现在碰撞发生后的59 ms,峰值偏大。造成这种情况的原因是由于客车前端没有很好的缓冲吸能结构,吸能区域过短,不能很好地吸收碰撞冲击产生的能量。
通过查阅文献可知:质心加速度一般在30g以内,客车车体结构能达到碰撞标准。本文研究客车碰撞质心加速度为22.1g,符合要求。NHTSA规定的假人伤害评价中指出,假人头部持续3 ms以上的加速度峰值应小于80g[6]。本文的测点加速度为82.4g,略大于80g,这是由于碰撞力的传递路径为地板—座椅—假人,乘员约束系统有一定的缓冲作用,所以测得地板中心加速度大于假人头部加速度,也就是说,如果驾驶室座椅地板中心加速度小于80g,则假人头部的加速度峰值也会满足要求。

3 改进分析
3.1 改进方案
针对驾驶室变形较为严重这一结果,提出在车身骨架前框结构增加环切槽以及在车架前段增加防撞梁结构的方案,环切槽结构如图7所示,防撞梁结构如图8所示,改进后的客车结构见图9。

图8 环切槽结构图



图9 防撞梁结构图



图10 改进后的客车模型



3.2 车身前部变形对比
根据仿真分析的结果,将改进前后的客车前部变形进行对比,如图11所示。改进后车身前部变形减小,增加的防撞梁和环切槽起到了很好的缓冲吸能作用。

图11 车身前部变形对比


3.3 车门变形对比
改进前后车门压缩量随时间的变化曲线如图12所示。由图12可以看出:改进后,车门变形量为83.5 mm,比原始模型降低了92.5 mm,减小了52.6%,压缩量占车门宽度的9.2%,对于车门逃生的影响较小。这表明结构改进极大地改善了车门的变形情况,为乘客逃生提供了保证。

图12 车门压缩量对比


3.4 加速度对比分析
对客车改进前后的质心及驾驶室座椅地板中心的碰撞加速度进行对比分析,基于仿真分析结果得到加速度随时间的变化曲线,如图13、14所示。

图13 质心加速度曲线



图14 驾驶室地板中心加速度曲线


由图13、14可以看出:质心加速度由改进前的22.1g下降为16.4g,且峰值出现的时刻比原始模型迟约10 ms,表明改进后的车身结构有更好的缓冲吸能特性,吸能过程更加平缓;驾驶室座椅地板中心的加速度由改进前的82.4g下降为54.5g,减少了33.9%,且加速度波形随时间的变化更为平缓。这表明结构改进后驾驶员的乘员冲击减小,较好地保证了驾驶员的生命安全。

4 结束语
本文以东风EQ6110HEV6型混合动力客车为研究对象,建立混合动力客车的整车碰撞有限元模型。对该客车进行正面碰撞的仿真分析,分析结果表明:碰撞后驾驶室变形较大,车门变形严重,驾驶室座椅地板中心加速度过大,整体碰撞性能较差。因此,提出增加环切槽及防撞梁结构的改进方案,有效地提升了客车缓冲吸能特性,减小了车身前部变形,增大了驾驶员的生存空间,同时降低了碰撞加速度,改善了混合动力客车整体的碰撞安全性能。

参考文献:
[1]郑羿方.基于正面碰撞的大客车车身结构动力修改[D].西安:长安大学,2014.
[2]申福林,邓景涛,谢旭良,等.大客车正面碰撞的仿真及改进研究[J].中国公路学报,2010,23(5):113-118.
[3]葛健.客车侧翻安全性仿真与设计改进研究[D].长沙:湖南大学,2010.
[4]张建,范体强,何汉桥.客车正面碰撞安全性仿真分析[J].客车技术与研究,2009,33(3):7-9.
[5]钟志华.汽车碰撞安全技术[M].北京:机械工业出版社,2003.

[6]邱少波.汽车碰撞安全工程[M].北京:北京理工大学出版社,2016.
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