司俊德，王銓溥，張博強(qiáng)，吳心平

（河南工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南 鄭州 450001）

1 引言

目前國(guó)內(nèi)外尚無(wú)針對(duì)客車正面碰撞的試驗(yàn)方法和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。歐洲ECBO（Enhanced Coach and Bus Occupant Safety）項(xiàng)目圍繞歐洲客車正面碰撞[6]，通過(guò)擺錘試驗(yàn)研究前部結(jié)構(gòu)安全性，但擺錘試驗(yàn)撞擊能量較小。奔馳客車Steinmetz G通過(guò)整車以25km/h碰撞速度100%重疊撞擊剛性壁障的試驗(yàn)方法對(duì)多款客車前部結(jié)構(gòu)安全性能進(jìn)行驗(yàn)證[7]。我國(guó)自2014年，由重慶車輛檢測(cè)研究院牽頭，聯(lián)合國(guó)內(nèi)主流客車企業(yè)和檢測(cè)機(jī)構(gòu)開(kāi)展了包括8臺(tái)大客車和4臺(tái)輕客正面碰撞試驗(yàn)研究，制定行標(biāo)JT/T 1369-2020《客車正面碰撞的員保護(hù)》[8]。該標(biāo)準(zhǔn)采用整車30km/h100%重疊碰撞剛性壁障的試驗(yàn)方法，，考核駕駛員生存空間和部分乘客傷害值。

基于JT/T 1369-2020《客車正面碰撞的員保護(hù)》的試驗(yàn)方法和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，建立某12m全承載客車整車正面碰撞有限元模型。通過(guò)分析該客車模型在30km/h碰撞速度下的整車變形情況和存在問(wèn)題，提出全承載客車前部耐撞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路，并對(duì)原客車前部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。改進(jìn)后的客車進(jìn)行整車正面碰撞仿真分析和實(shí)車碰撞試驗(yàn)驗(yàn)證。該研究思路對(duì)提升全承載客車前部結(jié)構(gòu)安全性具有很好的工程價(jià)值。

2 客車正面碰撞有限元模型的建立

建立某12m全承載客車三維模型，通過(guò)stp格式導(dǎo)入Hypermesh軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分和參數(shù)設(shè)置。

由于整車模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，需對(duì)照實(shí)車質(zhì)量分布，調(diào)整模型相應(yīng)零部件質(zhì)量，使模型總重量和質(zhì)心位置與實(shí)車保持一致。整車有限元模型，如圖1所示。

圖1 整車有限元模型Fig.1 Finite Element Model of the Motorcoach

車身骨架材料大部分采用Q235-B，部分重要立柱橫梁采用是HC700 和510L，底盤骨架材料大部分采用QSTE700TM 和HC700，車身外飾材料除玻璃外均為鋼材和鋁材。整車模型所用材料參數(shù)，如表1所示。

表1 材料參數(shù)Tab.1 Material Parameters

3 客車正面碰撞仿真分析

按照《客車正面碰撞的乘員保護(hù)》標(biāo)準(zhǔn)草案的試驗(yàn)方法，整車有限元模型以30km/h 初速度垂直碰撞剛性壁障，計(jì)算時(shí)間為200ms。

3.1 駕駛員生存空間分析

目標(biāo)車型為全承載結(jié)構(gòu)，車身骨架多由矩形方管桿件結(jié)構(gòu)焊接組成。而桿件結(jié)構(gòu)的力學(xué)特點(diǎn)為宜承受拉壓載荷，不宜承受彎扭載荷[9]。當(dāng)車架存在結(jié)構(gòu)錯(cuò)位時(shí)，碰撞力無(wú)法順利傳遞到車架后方，則會(huì)直接導(dǎo)致該位置發(fā)生嚴(yán)重變形?？蛙嚽安拷Y(jié)構(gòu)變形,如圖2所示。駕駛區(qū)變形較為嚴(yán)重。車輛最大變形量約為510mm，駕駛員生存空間被方向盤侵入，造成駕駛員極大的損傷風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 前部結(jié)構(gòu)變形示意圖Fig.2 Deformation of the Front Structure

3.2 車身加速度分析

由于客車前部沒(méi)有設(shè)計(jì)吸能結(jié)構(gòu)，客車碰撞主要由剛度比較大的底盤車架來(lái)承受，這導(dǎo)致客車碰撞加速度較大。模型輸出第一排乘客下方骨架上的碰撞加速度曲線，如圖3 所示。波峰為173g，脈寬集中在（12～28）ms。

老巴說(shuō)：“有句話我還是要講給你聽(tīng)。你拖著個(gè)殘廢爸爸和一個(gè)苕哥哥，將來(lái)找老婆怕是蠻難?，F(xiàn)在的姑娘伢，個(gè)個(gè)都講實(shí)惠。我也不能不替你想。你畢業(yè)后，可以留意一下福利院，看看要多少錢。我把店子盤掉，用那個(gè)錢，帶你哥哥住那里去。這房子，你裝修一下，也還蠻好住。這樣的話，你有文憑有工作有房子，姑娘伢就不會(huì)嫌棄你?！?/p>

圖3 加速度變化曲線Fig.3 Deceleration Pulse of the Body

4 客車前部耐撞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 前部結(jié)構(gòu)耐撞性設(shè)計(jì)思路

針對(duì)平頭客車前部可變形空間小、吸能結(jié)構(gòu)缺乏等現(xiàn)狀，基于碰撞能量管理方法[10]，將前部結(jié)構(gòu)分為吸能區(qū)、剛性區(qū)和變形區(qū)三部分，如圖4所示。吸能區(qū)設(shè)計(jì)吸能結(jié)構(gòu)，吸收部分碰撞能量，降低碰撞強(qiáng)度；剛性區(qū)增加駕駛區(qū)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，將碰撞力分散到后部車橋骨架，維持駕駛員生存空間不被侵入；對(duì)前橋車架進(jìn)行適當(dāng)弱化，通過(guò)結(jié)構(gòu)變形吸收剩余碰撞能量。

圖4 前部結(jié)構(gòu)分區(qū)設(shè)計(jì)思路Fig.4 Partition Design of Front Structure

4.2 前部耐撞結(jié)構(gòu)改進(jìn)

根據(jù)原車前部結(jié)構(gòu)存在問(wèn)題和客車前部結(jié)構(gòu)耐撞性設(shè)計(jì)思路，開(kāi)展碰撞吸能器、車架傳力結(jié)構(gòu)優(yōu)化和駕駛員座椅后移等關(guān)鍵安全技術(shù)研究，形成了貫通吸能式客車正面碰撞防護(hù)結(jié)構(gòu)。

4.2.1 碰撞吸能器開(kāi)發(fā)

碰撞吸能器的設(shè)計(jì)目標(biāo)：①單位質(zhì)量吸收的能量盡可能大；②吸能器的壓潰力曲線波動(dòng)盡可能平緩。結(jié)合實(shí)車前部空間布置、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和生產(chǎn)工藝，確定安裝兩個(gè)碰撞吸能器，吸收的能量不低于整車碰撞總能量的25%。整車碰撞動(dòng)能約為450kJ，吸能器吸收的總能量應(yīng)不低于112kJ，則單個(gè)吸能器吸能量應(yīng)不低于56kJ?？紤]吸能器有效壓潰距離約為130mm，則平均壓潰力約為430kN。

結(jié)合碰撞吸能器設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)鋁制吸能器，并通過(guò)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)，檢測(cè)吸能器變形情況和壓潰力。通過(guò)靜壓試驗(yàn)，吸能器變形，如圖5所示。增加前端誘導(dǎo)孔后，初始峰值降低，有利于產(chǎn)生軸向變形；壓潰力在450kN左右輕微振蕩，壓潰力曲線平穩(wěn)，符合設(shè)計(jì)要求。

圖5 碰撞吸能器變形圖Fig.5 Deformation of the Energy Absorber

4.2.2 車架傳力結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在橫向方面，在車架結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)多條傳力路徑，減少橫向薄弱區(qū)域，在碰撞區(qū)域較大分散碰撞力。在縱向方面，將車架前段和前橋骨架的縱向型材結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成前后貫通式結(jié)構(gòu)，保證碰撞力由前向后傳遞的連續(xù)性，降低車架前段變形量，優(yōu)化后的前部車架結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

圖6 前部結(jié)構(gòu)骨架改進(jìn)Fig.6 Improvement of the Front Structure

4.2.3 駕駛員座椅后移結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于平頭客車駕駛區(qū)前部可變形空間小，在發(fā)生正面碰撞時(shí)，如果駕駛員座椅下部骨架產(chǎn)生向后錯(cuò)位，帶動(dòng)駕駛員座椅后移，進(jìn)而帶動(dòng)駕駛員后移，可增加駕駛員和方向盤之間的相對(duì)距離，可以降低駕駛員受傷風(fēng)險(xiǎn)。

結(jié)合全承載客車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)的駕駛員座椅后移結(jié)構(gòu)，如圖7所示。

圖7 駕駛員座椅后移結(jié)構(gòu)Fig.7 Rearward Movement Structure of the Driver’s Seat

在車架前部橫梁和座椅下部固定梁之間增加傳力主梁，同時(shí)通過(guò)輔助梁將車架前部橫梁、傳力主梁、座椅固定梁連為一體，輔助橫梁和座椅固定梁與兩側(cè)的車架結(jié)構(gòu)連接。當(dāng)車架前部橫梁受到撞擊力向時(shí)，通過(guò)主傳力梁將碰撞力向后部傳遞；通過(guò)將碰撞力傳遞到座椅后部的橫梁上，較大的碰撞力將座椅后部橫梁產(chǎn)生撕裂或斷裂，從而使座椅支架產(chǎn)生向后的位移。

5 改進(jìn)效果仿真及試驗(yàn)驗(yàn)證

將上述改進(jìn)措施集成在客車上，并進(jìn)行整車30km/h碰撞仿真和實(shí)車碰撞試驗(yàn)研究，仿真與試驗(yàn)的客車整體變形，如圖8所示。從圖中可以看出，變形均集中在整車前段，包括前乘客門、前圍蒙皮、車架前段。整車最大變形的仿真和試驗(yàn)結(jié)果分別為318mm和310mm，誤差2.5%。由于碰撞壁障高2.5m，低于整車高度3.7m，導(dǎo)致上風(fēng)擋變形和仿真存在一定差異，但仿真和試驗(yàn)結(jié)果的整體變形趨勢(shì)基本一致。

圖8 改進(jìn)后客車整體變形仿真和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.8 Comparison of the Result’s Body Frame Deformation for Improvement Design

5.1 改進(jìn)后駕駛員生存空間分析

結(jié)構(gòu)改進(jìn)后駕駛員生存空間仿真和試驗(yàn)結(jié)果，如圖9所示。仿真結(jié)果可知，方向盤中心距駕駛員X方向變形量由改進(jìn)的245mm降低到20mm。同時(shí)，駕駛員座椅底座產(chǎn)生了向后變形，帶動(dòng)座椅向后移動(dòng)80mm。方向盤及轉(zhuǎn)向管柱未侵入人體模型的生存空間。整車碰撞試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)泡沫假人代替駕駛員進(jìn)行生存空間檢測(cè)。方向盤未侵入到駕駛員假人腹部，也沒(méi)有擠壓駕駛員假人大腿。駕駛員生存空間未被侵入。由仿真和試驗(yàn)結(jié)果可以看出改進(jìn)結(jié)構(gòu)能夠有效保障駕駛員生存空間不被侵入。

圖9 改進(jìn)后客車前部結(jié)構(gòu)仿真和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.9 Comparison of the Result’s Deceleration Pulse for Improvement Design

5.2 改進(jìn)后車身加速度分析

第一排乘客座椅附近車身骨架上的碰撞加速度曲線，如圖10所示。仿真與試驗(yàn)的加速度曲線均有兩次顯著波峰，其峰值大小及出現(xiàn)時(shí)刻較為接近，其中最大峰值為16g左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于原結(jié)構(gòu)最大波峰173g。50ms時(shí)刻試驗(yàn)加速度曲線出現(xiàn)顯著的波谷，而仿真加速度曲線相同時(shí)刻沒(méi)有明顯波動(dòng)。差異原因可能是車輛碰撞過(guò)程中部分型材出現(xiàn)焊縫開(kāi)裂、型材斷裂等連接失效導(dǎo)致車架承載力下降，但仿真模型沒(méi)有準(zhǔn)確模擬焊縫開(kāi)裂、型材斷裂等失效問(wèn)題。仿真和試驗(yàn)加速度整體波形趨勢(shì)基本吻合，滿足工程設(shè)計(jì)需求。改進(jìn)后車身加速度波形與GB13057-2013給定加速度波形比較接近，有利于乘員約束系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)。試驗(yàn)和仿真結(jié)果都表明改進(jìn)結(jié)構(gòu)對(duì)車身加速度波形改善明顯，有效降低乘員二次碰撞傷亡的風(fēng)險(xiǎn)。

圖10 改進(jìn)后客車加速度仿真和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.10 Comparison of the Result’s Deceleration Pulse for Improvement Design

6 結(jié)論

研究結(jié)果表明，基于前部結(jié)構(gòu)分區(qū)設(shè)計(jì)思路對(duì)客車骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。新結(jié)構(gòu)能夠滿足30km/h正面碰撞試驗(yàn)要求，有效改善客車被動(dòng)安全性能。

（1）改進(jìn)后的客車前部結(jié)構(gòu)能夠較好的控制碰撞過(guò)程中客車整體縱向變形，將變形量由510mm減少至310mm。

（2）車架加強(qiáng)結(jié)構(gòu)有效改善前車架縱向變形量，同時(shí)駕駛員座椅后移結(jié)構(gòu)向后移動(dòng)80mm，增大駕駛員生存空間，泡沫假人沒(méi)有被侵入；

（3）鋁制吸能器軸向壓潰變形模式穩(wěn)定，將車體加速度第一個(gè)峰值由173g降低至16g，極大緩解車身碰撞強(qiáng)度。車身加速度波形相對(duì)平緩，有利于乘員約束系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)。