路 斌，任青文，張炳旭，趙丕樂，楊圣淼，孟慶榮

(中通客車控股股份有限公司，山東 聊城 252000)

近幾年，客車產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，客車的駕乘安全性能越來越受人們關(guān)注[1-2]。客車前部結(jié)構(gòu)正碰安全性的研究至今尚未形成完整的安全法規(guī)文件[3-5]。本文根據(jù)交通運輸行業(yè)標準《客車前部結(jié)構(gòu)強度要求及試驗方法》報批稿，建立等效整車有限元模型，對客車前部結(jié)構(gòu)正碰安全性能進行仿真分析及優(yōu)化改進，為客車前部結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

1 原車仿真分析

1.1 有限元模型簡化與建立

本文建立某款12 m客車整車三維模型。在準確反映客車實際特性的前提下，有限元建模時進行如下簡化[6-11]：

1) 保留骨架、底架、車架主體及主要零部件等，省略非承載件(如內(nèi)飾件、玻璃等)，并采用2D面網(wǎng)格單元建模。

2) 對于行李架、空調(diào)、蒙皮等體積和質(zhì)量都較大的部件，在各部件質(zhì)心處建立集中質(zhì)量單元，連接到車身骨架上。

3) 前后懸架使用實體單元、梁單元、彈簧單元等組合建模，與車架建立柔性連接。

整車有限元模型如圖1所示。

圖1 整車有限元模型

1.2 材料定義

客車車身骨架和底架普遍使用低碳鋼Q235[12]，車架采用高強鋼QSTE700。兩種鋼材的應(yīng)力應(yīng)變參數(shù)均通過公司進行拉伸試驗測試獲得，關(guān)鍵參數(shù)見表1。整車骨架型鋼使用多線段彈塑性材料模型MAT24來定義。發(fā)動機、變速器和部分懸架等實體單元使用剛體材料模型MAT20定義。輪胎等橡膠材料使用線彈性材料模型MAT1定義[13-14]。

表1 兩種鋼材力學(xué)性能關(guān)鍵參數(shù)

1.3 邊界條件和初始條件

1) 使用剛體模型定義剛性壁障和地面，剛性壁障與前圍接觸，靜摩擦系數(shù)設(shè)為0.6，動摩擦系數(shù)設(shè)為0.5。地面與輪胎接觸，靜摩擦系數(shù)設(shè)為0.9，動摩擦系數(shù)設(shè)為0.1。

2) 車身骨架與各零部件之間的接觸算法采用自動單面接觸方式，以防止接觸穿透。

3) 剛性墻與整車前圍平行，初始距離為10 mm，初始碰撞速度設(shè)置為30 km/h。

1.4 仿真結(jié)果及分析

由仿真結(jié)果可知，隨著碰撞時間的增加，前圍骨架彎梁逐漸被壓潰向后侵入，同時帶動方向盤管柱也隨之向后移動；同時車架彎曲幅度增大，導(dǎo)致駕駛員椅向前傾斜，直至方向盤邊緣與駕駛員椅接觸。圖2為客車正面碰撞T=0.03 s和T=0.12 s時刻時的前部骨架部分變形圖。T=0.03 s時刻時，駕駛區(qū)段車架開始出現(xiàn)向內(nèi)彎曲現(xiàn)象；最大變形時刻T=0.12 s時，車頭整體下沉嚴重，輪胎受壓變形明顯，前圍骨架彎梁被壓潰至與前圍立柱平齊。因此，一旦發(fā)生碰撞，駕駛區(qū)生存空間持續(xù)減小，極易導(dǎo)致駕駛員受到擠壓傷害。

(a) T=0.03 s

通過仿真分析發(fā)現(xiàn)，整車碰撞過程中，沖擊載荷主要作用于客車前部骨架結(jié)構(gòu)，即通過前圍骨架傳遞至側(cè)圍、頂蓋、底架和車架前部。前圍骨架、駕駛區(qū)段底架和車架為主要變形吸能區(qū)，前懸架之后的骨架塑性變形較小。

2 結(jié)構(gòu)改進及效果

2.1 結(jié)構(gòu)改進

由前述仿真結(jié)果可知，駕駛區(qū)段局部骨架容易發(fā)生較大的彎曲變形，導(dǎo)致桁架結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，嚴重影響駕駛區(qū)生存空間。因此，需要綜合考慮前部結(jié)構(gòu)剛度匹配和桁架結(jié)構(gòu)的設(shè)計，改進思路如下：

1) 在車架前段增加吸能裝置(如圖3序號1位置)。吸能裝置選擇屈服強度較小的材料，使其在碰撞過程中先于車架發(fā)生屈服變形，合理設(shè)計吸能裝置結(jié)構(gòu)，并統(tǒng)籌考慮吸能裝置與車架前段的剛度匹配，保證在碰撞最大變形時刻吸能裝置能被完全壓潰，實現(xiàn)其最大吸能效果，而此時車架前段產(chǎn)生最大彈性變形，達到即將屈服但未屈服的狀態(tài)，使得大部分碰撞總能量都通過吸能裝置與前段車架進行耗散。

2) 前圍儀表臺支撐彎梁壁厚由原來的2 mm更改為3 mm,加強彎梁的剛度；彎梁與前圍立柱連接位置增加加強板，防止連接部位發(fā)生彎折。在方向機管柱右側(cè)增加斜撐(如圖3序號2位置)，與車架相連，碰撞時可以有效阻止方向機管柱向后侵入。

3) 駕駛區(qū)段上下兩層骨架之間增加空間斜撐(如圖3序號3位置)，形成穩(wěn)定的三角結(jié)構(gòu)，防止骨架彎曲變形。

圖3 客車前部部分骨架結(jié)構(gòu)改進示意圖

4) 優(yōu)化駕駛區(qū)上層底架結(jié)構(gòu)(如圖4所示)，將上層骨架縱梁改為大截面型鋼，優(yōu)化駕駛員椅側(cè)骨架的型鋼布局，減小局部應(yīng)力集中。

圖4 駕駛區(qū)上層底架結(jié)構(gòu)改進示意圖

2.2 改進后效果

改進后得到的最大變形時刻T=0.09 s的前部骨架變形情況如圖5所示。與原始方案的最大變形量(如圖2(b)所示)相比，改進后的駕駛區(qū)段骨架整體向下傾斜，駕駛區(qū)上層骨架未發(fā)生彎曲失穩(wěn)。主要原因一是由于駕駛區(qū)段骨架剛度增大，上下兩層之間的型鋼形成穩(wěn)定的三角結(jié)構(gòu)，不易發(fā)生彎曲變形。二是因為改進后整車骨架吸收能量減少，整車內(nèi)能增加量降低了約1.6e+02kJ(如圖6所示)，約占整車碰撞能量的1/3。該部分能量全部由吸能裝置吸收耗散，吸能裝置吸收能量變化曲線如圖7所示。

圖6 改進前后整車骨架內(nèi)能變化曲線

圖7 吸能裝置吸收能量變化曲線圖

由于吸能裝置的吸能作用，降低了整車碰撞能量，減弱了客車前部結(jié)構(gòu)的碰撞沖擊，導(dǎo)致碰撞總時間減少，使得提前0.03 s,達到最大變形，同時整車最大變形量降低。另外，前圍后侵入量減小，方向機管柱與方向盤均未觸及駕駛員椅，駕駛區(qū)生存空間得到了有效改善。

在駕駛員椅腿處選取加速度測量點，得到改進前后該點的加速度變化曲線，如圖8所示。由圖可知，在前0.04 s的時間內(nèi)，改進后測量點處的加速度值相比改進前的急劇減小，主要原因是此處由于吸能裝置被壓潰變形，起到了緩沖作用，從而快速降低整車動能。此外，加速度峰值與乘員二次傷害呈正相關(guān)。改進前測量點處的加速度峰值為-39g，而改進后加速度峰值降為-34g，減弱了對乘員的傷害。

圖8 改進前后加速度變化曲線

在前圍骨架和車架最前端位置分別選擇測量點，測量該點在碰撞完成后與初始位置的距離，距離越小表明后侵入量越小，安全空間越大。同時測量方向盤邊緣與駕駛員椅靠背、方向機管柱與駕駛員椅坐墊的最小水平距離，距離越大代表部件侵入量越小，安全空間越大。改進前后駕駛區(qū)生存空間相關(guān)參數(shù)見表2。由表2可知，改進后前圍骨架侵入量減小37.9%，車架侵入量減小89.6%，駕駛區(qū)生存空間各項參數(shù)均優(yōu)于原始方案。

表2 改進前后最大變形時刻駕駛區(qū)生存空間對比

3 結(jié)束語

本文基于有限元法對某客車以30 km/h的初始速度進行正面碰撞，開展仿真分析，并分別對前圍骨架、駕駛區(qū)段骨架進行優(yōu)化分析，提出改進方案，增大了駕駛區(qū)的生存空間，為客車前部骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。