彭 旺，張雅鑫

(比亞迪汽車工業(yè)有限公司，廣東深圳 518118)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，客車正面碰撞事故約占客車事故的40%～60%，同時(shí)死亡人數(shù)占比達(dá)到 60%左右［1－3］。客車在碰撞過(guò)程中，車輛前部結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生極大變形與潰縮，立柱、座椅和隔板等附件發(fā)生嚴(yán)重變形侵入駕駛員與乘客生存空間，造成大量人員傷亡事故［4－5］。因此，開(kāi)展客車前部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究具有重要意義。本文基于HyperMesh/Ls－Dyna模塊對(duì)某客車進(jìn)行正面碰撞安全分析研究，并根據(jù)實(shí)車正面碰撞試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)客車正面碰撞仿真分析進(jìn)行可行性驗(yàn)證。

1 客車有限元模型建立

2016年，重慶車輛檢測(cè)研究院進(jìn)行多種類型客車的100%正面剛性壁障碰撞試驗(yàn)，碰撞速度為30～32 km/h，故本分析采用相同初始條件:客車整備質(zhì)量狀態(tài)下以30 km/h進(jìn)行100%正面剛性壁障碰撞模擬。

在建立客車有限元模型時(shí)需對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化。本模型保留車架、車身骨架等主要承載結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化蒙皮、玻璃和內(nèi)外飾件等非主要承載結(jié)構(gòu)［6－8］。剛性壁障及地面采用剛性墻Rigidwalls進(jìn)行模擬;在Z方向施加9.81 m/s2的重力加速度;在－X向施加30 km/h速度;客車模型自接觸采用自動(dòng)單面接觸算法［9］。整車骨架及輪胎等部件采用殼單元構(gòu)建［5］，其余電器件等通過(guò)Mass點(diǎn)進(jìn)行配重，焊接與鉚接采用Rbe2單元進(jìn)行連接處理。本模型采用10 mm×10 mm單元尺寸進(jìn)行劃分網(wǎng)格，其中網(wǎng)格質(zhì)量各項(xiàng)指標(biāo)需滿足建模要求:Warpage≤15°;Aspect Ratio≤5;Angle Quad=40°～135°;Angle Tria=25°～120°;Jacobian≥0.6;三角形殼單元百分比不超過(guò)5%。圖1為某客車正面碰撞有限元模型。

圖1 某客車正面碰撞有限元模型

2 客車正碰分析方案研究

2.1 客車前部結(jié)構(gòu)優(yōu)化思路

客車正面碰撞過(guò)程中，客車前端吸能區(qū)未吸收的能量會(huì)通過(guò)車架車身結(jié)構(gòu)傳遞至駕駛員所在的堅(jiān)固區(qū)和前排乘客所在的后端吸能區(qū)，傳遞至后方的能量越大，堅(jiān)固區(qū)變形越大，同時(shí)駕駛員和前排乘客產(chǎn)生的加速度越大，駕駛員側(cè)結(jié)構(gòu)變形量過(guò)大會(huì)導(dǎo)致駕駛區(qū)結(jié)構(gòu)侵入駕駛員生存空間;加速度過(guò)大會(huì)對(duì)人員造成強(qiáng)烈沖擊傷害;乘客門側(cè)A柱位置變形量過(guò)大會(huì)導(dǎo)致乘客門無(wú)法打開(kāi)影響救援。故為了保證駕駛員和乘客的安全，吸能區(qū)前部結(jié)構(gòu)需要盡可能多地吸收碰撞能量，所以前部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)非常重要［10－13］。前部結(jié)構(gòu)分區(qū)及碰撞力傳遞路徑如圖2所示。

圖2 前部結(jié)構(gòu)分區(qū)及碰撞力傳遞路徑

2.2 客車正碰分析方案

為進(jìn)一步研究客車前部吸能區(qū)結(jié)構(gòu)對(duì)提升客車正面碰撞性能的影響，對(duì)下列3種方案進(jìn)行對(duì)比分析:

1)原方案，未安裝吸能防撞裝置。

2)改進(jìn)方案1，安裝吸能防撞裝置，如圖3所示。吸能防撞裝置包括防撞梁主梁、防撞梁連接件和吸能盒等結(jié)構(gòu)，主要材料為Q345B。

圖3 吸能防撞裝置方案1

3)改進(jìn)方案2，優(yōu)化吸能防撞梁結(jié)構(gòu)及吸能盒布置形式、數(shù)量，如圖4所示。吸能盒表面變?yōu)轳薨櫧Y(jié)構(gòu)，潰縮能力增強(qiáng)，單個(gè)吸能盒的吸能能力提升;主梁兩端變?yōu)樾泵娼Y(jié)構(gòu)，通過(guò)吸能盒滿足吸能裝置與車架的固定，同時(shí)吸能盒數(shù)量翻倍，吸能能力也顯著增長(zhǎng)。

圖4 吸能防撞裝置方案2

3 客車正碰仿真結(jié)果分析及驗(yàn)證

3.1 客車正碰仿真數(shù)據(jù)讀取

碰撞仿真結(jié)束后對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，讀取左右兩側(cè)立柱a－c上5點(diǎn)的X向相對(duì)變形量，位置如圖5所示。同時(shí)讀取轉(zhuǎn)向管柱后部位置、駕駛員座椅椅腳位置、第一排乘客處座椅椅腳位置加速度仿真值，分別定義為ACC1、ACC2、ACC3，統(tǒng)計(jì)X向加速度大小并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析［12－13］。

圖5 前部結(jié)構(gòu)變形量測(cè)量位置

圖6 為客車正面碰撞仿真結(jié)果中立柱a－c上5點(diǎn)間的X向相對(duì)變形量讀取數(shù)據(jù)，其中Rab_11代表立柱a和立柱b上1號(hào)點(diǎn)之間的X向相對(duì)變形量，以此類推;表1為各方案ACC1、ACC2、ACC3 3點(diǎn)的加速度峰值仿真值讀取數(shù)據(jù)。

圖6 各方案前部結(jié)構(gòu)變形量對(duì)比

表1 各改進(jìn)方案加速度峰值與原方案對(duì)比 g

3.2 客車正碰仿真數(shù)據(jù)分析

原方案正碰仿真結(jié)果中，乘客門側(cè)ab柱間最大變形量為375 mm，可能導(dǎo)致乘客門無(wú)法打開(kāi)。駕駛員側(cè)ab柱間最大變形量為213 mm，變形量會(huì)侵入駕駛員生存空間。駕駛員處－X向加速度峰值為134.1g，駕駛員受到的沖擊傷害會(huì)很大。

改進(jìn)方案1正碰仿真結(jié)果中，增加吸能防撞裝置后，分析結(jié)果中乘客門側(cè)ab柱間最大變形量減小至281 mm，對(duì)比原方案下降25%，乘客門側(cè)ab柱間最大變形量為149 mm，下降30%;ACC1、ACC2、ACC3 3處X向加速度最大峰值分別下降41.94%、50.48%、30.22%;變形量及加速度均有改善。

改進(jìn)方案2正碰仿真結(jié)果中，優(yōu)化吸能防撞裝置后，分析結(jié)果中乘客門側(cè)ab柱間最大變形量降為202 mm，對(duì)比原方案下降46%，駕駛員側(cè)ab柱間最大變形量降為71 mm，下降66%;ACC1、ACC2、ACC3 3處X向加速度最大峰值分別下降58.31%、65.40%、30.22%;變形量及加速度改善程度較改進(jìn)方案1更加明顯。

從各方案變形量及加速度峰值對(duì)比可知，改進(jìn)方案1相對(duì)原方案變形量及加速度均有改善，改進(jìn)方案2較改進(jìn)方案1改善量更大，說(shuō)明整車前部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化可以很大程度地降低駕駛員區(qū)和乘客區(qū)結(jié)構(gòu)受到的影響，降低乘員傷害，提高客車正面碰撞安全性。

3.3 仿真可行性驗(yàn)證

圖7為改進(jìn)方案1試驗(yàn)車碰撞轉(zhuǎn)向管柱后部位置、駕駛員座椅椅腳位置、第一排乘客處座椅椅腳位置加速度曲線。試驗(yàn)車吸能防撞結(jié)構(gòu)與改進(jìn)方案1一致。試驗(yàn)車3處加速度曲線與改進(jìn)方案1仿真分析曲線趨勢(shì)基本一致，試驗(yàn)車3處加速度峰值分別為79g、81g、16g;改進(jìn)方案1仿真分析3處加速度峰值分別為85.9g、78.5g、18.7g。通過(guò)加速度數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，改進(jìn)方案1的加速度峰值與試驗(yàn)車偏差分別為13.3%、3%、16.9%，具有較高一致性;同時(shí)分析改進(jìn)方案1能量曲線可知，滑移能、沙漏能均滿足標(biāo)準(zhǔn)，初始總能與結(jié)束總能能量變化小于2%，故認(rèn)為該正面碰撞仿真分析方法合理可行。

圖7 試驗(yàn)車各位置加速度曲線

4 結(jié) 論

通過(guò)正面碰撞仿真分析對(duì)比客車3種前部結(jié)構(gòu)方案，表明優(yōu)化前部吸能防撞裝置能顯著提升客車正面碰撞安全性，實(shí)車正面碰撞的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)客車正面碰撞仿真分析的方法進(jìn)行可行性驗(yàn)證。