（机械制造及其自动化专业论文）大客车车身段侧翻仿真分析.pdf

大客车车身段侧翻仿具分析 摘要 伴随着我国营运市场的繁荣及高速公路的快速发展，具有高效率承载能力的大客 车，其数量也在逐年增加，在为人们带来便利和为企业带来巨大经济效益的同时，随之 而来大客车发生的交通事故也呈现上升趋势，特别是那些“群死群伤”的客车侧翻重特 大交通事故，在使人员和财产遭受巨大损失的同时也给社会带来了严重的负面影响。因 此，大客车结构安全性问题备受政府相关职能部门和百姓的关注，是当前亟待解决的研 究热点，同时具有重要的现实意义。 本文参照欧洲经济委员会e c er 6 6 法规中的- , o o 等效认证方法，将某企业的一种 客车型号的车身段有限元模型建立起来，采用车身段数值模拟与实车试验相结合的方 式，对车身段结构变形时的吸能、加速度等参数和该车身段侵入车内乘员生存空间的指 标等问题进行了探讨。主要研究内容如下： 首先，系统总结归纳了欧美在客车行业较为完善的上部结构强度检测方法，并介绍 了欧美等先进发达国家其在大客车上部结构方面的一些成熟的基本理论。 其次，阐述了l s d y n a 软件基本理论和数值分析的流程，并归纳了客车车身段侧 翻有限元分析流程。 再次，利用利用计算机软件将某6 8 5 0 型客车车身段的几何模型和有限元模型建立 起来，分析研究了该型号客车车身段侧翻模拟仿真的基本程序，同时对该车身段的吸能 状况、加速度变化性能和车内乘员生存空间侵入等评价参数进行了系统的探讨，为随后 客车车身结构深层次的优化设乇t - , h 改进奠定了基础。 最后，通过车身段实车侧翻试验的方式，进而验证计算机模拟仿真结果的准确性， 同时提出了一种新的“客车车身段侧翻变形检测装置”，以客观全面地评价客车车身段 生存空间。 该研究结果不仅对客车企业的上部结构安全性能研究有一定的参考价值和现实意 义，同时也为相关部门进行客车结构安全评价提供依据。 关键词：车身段；e c er 6 6 ；仿真 大客车车身段侧翻仿真分析 a b s t r a c t w i t hd o m e s t i ct r a d i n gm a r k e tb l o o m i n ga n dt h eh i g h w a y sd e v e l o p i n ga tv e r yf a s ts p e e d ， t h en u m b e r so fb u s e sw h i c hc a r r yl a r g e rn u m b e ro fp a s s e n g e r sa r ei n c r e a s i n gy e a rb yy e a r a t t h es a m et i m e ，t r a f f i ca c c i d e n t sa r eo c c u r r i n ga th i g hf r e q u e n c y e s p e c i a l l yt h ea c c i d e n t sw i t h ”g r o u pd e a t ha n dg r o u pi n j u r y ”b r i n gt h eh a r s h e s ti n f l u e n c e st ot h es o c i e t y s o ，t h es a f e t yo f b u ss t r u c t u r eh a sb e e nam a t t e ro fc o n c e mf o rr e l e v a n tf u n c t i o n a ld e p a r t m e n to ft h e g o v e r n m e n ta n dc o m m o np e o p l ea sw e l l i ti sn o to n l yt h eh o ti s s u eb u ta l s oh a si m p o r t a n t p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e t h i sp a p e rr e f e r st ot h ee c er 6 6e q u i v a l e n ta u t h e n t i c a t i o nm e t h o d f i n i t ee l e m e n t m o d e lo fab u sb o d ys e g m e n ti sc r e a t e d w i t ht h ec o m b i n a t i o no fb o d ys e g m e n tn u m e r i c a l s i m u l a t i o na n dt h er e a lv e h i c l et e s t i n g ，t h ed e f o r m a t i o no ft h es t r u c t u r eo ft h eb o d ys e g m e n t s a n dt h es i t u a t i o nt oi n v a d et h eo c c u p a n ts u r v i v a ls p a c ea r ee v a l u a t e d e x p e r i m e n t a lr e s u l t s a n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o na r ec o m p a r e d t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： f i r s t l y , t h es u p e r s t r u c t u r es t r e n g t ht e s t i n gm e t h o db e i n gu s e di ne u r o p ea n dt h eu n i t e d s t a t e si nt h ep a s s e n g e rc a ri n d u s t r i e sa r es u m m a r i z e da n dt h eb a s i ct h e o r yo ft h eb u s s u p e r s t r u c t u r ei sd e s c r i b e d s e c o n d l y , t h et h e o r ya n dn u m e r i c a la n a l y s i sp r o c e s so fl s d y n a s o f t w a r ei se l a b o r a t e d ， a n dt h eb u sb o d ys e c t i o nr o l l o v e rf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sp r o c e s si ss u m m e du p t h e n ，an o 6 8 5 0b u sb o d yg e o m e t r ym o d e la n df i n i t ee l e m e n tm o d e li se s t a b l i s h e d t h ec o m p u t e rs i m u l a t i o np r o c e s so ft h eb u sb o d ys e c t i o nr o l l o v e ri s i n v e s t i g a t e d t h e e v a l u a t i o nr e g a r d i n gt h es u r v i v a ls p a c eo ft h eb o d ys e g m e n ti n v a s i o n ，t h ee n e r g ya b s o r p t i o n c h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ec h a n g ei na c c e l e r a t i o nd u r i n gt h et i m eo fa n a l y s i sa r ed i s c u s s e d t h i s l a y sf o u n d a t i o nf o rf u r t h e ro p t i m i z a t i o na n dr e s e a r c ho fc a rb o d ys t r u c t u r e l a s t l y , t h r o u g hb o d ys e g m e n tr e a lv e h i c l er o l l o v e rt e s t ，t h ec o r r e c t n e s so f t h es i m u l a t i o n r e s u l t si sv e r i f i e d an e wd e v i c ew h i c hi st h eb u sb o d ys e c t i o nr o l l o v e rd e f o r m a t i o nd e t e c t i o ni sb u i l t f r o m t h e o b je c t i v ep o i n to fv i e wa n dac o m p r e h e n s i v ev i e w , t h es u r v i v a ls p a c eo ft h eb u s b o d ys e g m e n ti se v a l u a t e d t h er e s u l t sn o to n l yp r o v i d e st h eb u se n t e r p r i s e ，t h eg u i d i n gs i g n i f i c a n c ea n dv a l u e sf o r t h eu p p e r p a r td e s i g no f t h es t r u c t u r a ls a f e t yo ft h eb u sb u ta l s ot h eb a s i so ft h eb u ss t r u c t u r e 哈尔滨工程大学硕士学位论文 s a f e t ye v a l u a t i o nl y i n gu n d e rr e l e v a n td e p a r t m e n t s k e y w o r d s ：b o d ys e g m e n t ；e c er 6 6 ；s i m u l a t i o n 第l 苹绪论 i i 第1 章绪论 1 1 研究背景 当前，为了适应社会经济发展的需要和人们出行的需求，世界各国都在快速地发展 本国的道路交通运输产业，但随之而来的道路交通事故却时有发生。在我国每年都会出 现数起营运车辆侧翻、碰撞等恶性交通事故，导致车内乘员出现重大伤亡情况。群死群 伤事故死伤人数多、社会危害和影响大，因此遏制群死群伤事故一直是我国道路交通安 全工作的重要内容之一。自2 0 世纪9 0 年代以来，据统计在我国每年出现一次死亡1 0 人以上的特大道路交通事故呈现先升后降的整体趋势，有两个明显的波峰。首个波峰出 现在1 9 9 6 年，当年共发生的一次性死亡1 0 人以上的特大道路交通事故起数达到峰值， 共有8 0 起，总计造成1 2 7 9 人死亡和1 4 9 5 人受伤。另外一次波峰出现在2 0 0 4 年，这一 年我国国内发生类似的特大道路交通事故总数达到5 5 起，共导致8 5 2 人死亡和8 7 7 人 受伤。随后的2 0 0 5 年2 0 0 7 年间随着我国整体道路交通安全形势的好转，一次死亡l o 人以上的特大交通事故也呈现快速下降的趋势n 2 1 。但自2 0 0 8 年到目前以来，这类一次 性死亡1 0 人以上的群死群伤事故没有明显的下降，总是呈波浪形变化趋势，特大重大 道路交通事故统计如图1 1 所示。可见我国道路交通形势依然严峻，死亡人数仍旧居高 不下。 唰 ，、 v 剃 辎 婚 1 9 9 01 拿拿21 9 9 4 1 9 9 6 i 9 9 82 0 0 02 0 0 22 0 。42 0 0 52 0 0 82 0 1 0 年份( 年) 1 4 0 0 i 2 | 。 1 0 0 0 ，、 8 0 0 v 蘸 6 0 0 u 4 0 0 疑 2 0 0 0 图1 1 特大重大道路交通事故统计( 1 9 9 0 2 0 1 0 ) 群死群伤特大道路交通事故频发也说明了我国道路交通事故仍处于高发期，交通安 全形势进一步好转的任务仍很艰巨，还需加倍努力，才能实现我国交通安全的持续好转。 面对近2 0 年来营运车辆重特大道路交通事故案例进行分析可以发现，其中由于车辆自 身问题而引发的交通事故只占到一成，人为、外界环境等其他原因造成的事故原因占了 趵如钧鞠姐。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 很大比例p 1 。由此我们可以得出大部分交通事故的发生往往不是仅靠改进汽车主动性安 全就能避免的，应该加强汽车被动性安全方面的研究，即在当车辆发生事故时如何更好 地对车内乘员和车外行人进行保护，使人员伤亡和财产损失减少到最低，也就是要通过 车辆结构和各种保护系统的安全设计来保障生命和财产的安全。 特大交通事故的事故形态多样，包括：正面碰撞、侧面碰撞、对向刮擦、翻车、碾 压、碰撞行人、撞固定物、追尾、失火、爆炸、坠车等。其中尤以坠车( 包括坠崖、坠 谷、坠河、坠桥等事故形态) 事故发生起数较多m 1 。客车车身和质量比轿车等小型车大 得多，而且其地板一般都比较高，若客车与轿车等发生正面或追尾碰撞，客车内乘员的 伤害程度较轻。而在侧翻事故中，车体将向某一侧倾倒，与地面接触的侧围会产生变形， 结构的变形可能侵入车厢内部，对乘客造成伤害。翻滚( 滚入深沟、山谷等) 是更为严 重的侧翻事故，通过一些事故表明，客车滚入深沟后，其侧围和顶部的变形相当严重， 乘员的生存空间被压缩得很小。因此，从保护人生命和财产安全的角度出发，客车的安 全性日益受到政府和社会的关注，在导致营运客车重大事故的诸多诱因中，营运客车本 身的结构安全性不能满足安全性需要是一项主要原因。一旦发生交通事故，真正起到防 止侵入性伤害作用的是客车的车身结构，如果车身结构的刚度和强度不够，就会造成营 运客车车体严重变形从而引发“群死群伤”恶性交通事故p 1 。 在国外，一些相关机构也做了调查，一项来自于美国交通安全部门的数据表明，在 上个世纪9 0 年代该国每年发生的各类汽车侧翻事故达到了2 2 7 0 0 起，属于正面碰撞之 后的第2 大类行车事故，这里尤其值得我们关注的是在这些侧翻事故中的人员死亡率却 是前后碰撞事故的6 倍之多，其中很多情况使车内乘员致死的原因是由于车体侧翻后严 重变形车内空间不足。由此如何更加有效的提高车辆本身的刚度和强度，同时要保证车 内乘员有足够的逃离空间，目前已经成为当今汽车行业研究分析的一个重要课题嘲。 本课题来源为“十一五”国家科技支撑计划项目课题四“营运车辆安全保障技术开 发及大规模集成应用”之专题2 “营运车辆结构安全性综合评价及检测技术” ( 2 0 0 9 b a g l 3 a 0 4 ) 。本文主要研究营运客车上部结构安全性的等效评价方法客车 车身段侧翻仿真评价技术，目的就是当车辆发生交通事故时的瞬间能够有效地保护车内 乘员不受或尽量少的受到伤害，从而达到避免群死群伤重特大事故的发生。 1 2 国内外研究现状 交通安全一直都是各国的重要课题，各国均制定了符合本国国情的营运车辆安全法 规。当前世界上较为完善和比较有代表性的是欧洲、美国和日本三大法规体系，它们分 2 第1 蕈绪论 别指的是e c e ( 联合国欧洲经济委员会) 汽车法规，e e c e c ( 欧洲经济共同体) 汽车 法规( 也称之为指令) ，f m v s s ( 美国联邦机动车安全标准) 及日本道路运输车辆安全 基准p 1 。其中欧洲法规中的e c e 法规和e c 法规同属于欧洲法规体系范畴。我国目前采 用多项的汽车强制性标准法规就为了能与世界接轨依据e c e 技术法规体系建立起来的。 1 2 1 国外标准法规现状 1 2 1 1e c e e c 汽车技术法规 ( 1 ) e c e 汽车技术法规 e c e 法规是欧洲经济委员会法规，由世界车辆法规论坛w p 2 9 完成进行制修订工作， e c e 形式认证时针对汽车各零部件进行并涉及一些整车项目。联合国在1 9 9 8 年出台了 全球汽车技术法规协定书，使得欧洲经济委员会法规逐渐走向全世界，目前该法规 1 2 6 项，其中，适用于m 2 类4 4 项，适用于m 3 类4 6 项。只针对客车制订的法规共有5 项，它们分别是e c er 3 6 大型客车的一般结构要求，e c er 5 2 小型公共服务运输 车辆结构要求，e c er 6 6 大型客车上部结构强度，e c er 8 0 客车座椅及其固定件 强度以及e c er 1 0 7 双层客车结构要求m 1 。 欧洲经济委员会的客车法规是在不断地修订完善中发展起来的，从上个世纪7 0 年 代出台的r 3 6 开始到1 9 9 8 年出台双层客车法规e c er 1 0 7 ，2 0 多年时间里该组织制定并 颁布了法规r 5 2 、r 6 6 和r 8 0 ，后续的标准在内容上更加丰富细化，容量在原基础上扩 充了近一半，涵盖面更广，标准也要求更高。目前欧洲经济委员会颁布的客车标准 2 0 0 1 8 5 e c 在e c er 1 0 7 基础上正面向更宽和更深的趋势发展。 ( 2 ) e e c e c 汽车技术法规 e e c e c 汽车技术法规也可称之为e e c e c 指令，由欧洲经济共同体组织e e c 制订， e e c 指令又称e c 指令。e c 指令共有1 2 0 项基础条款，它不同于e c e 法规，其涉及到 国民经济的各行各业，其中与汽车相关的条款是6 6 项，针对客车制订的有9 5 2 8 e c 法 规。随着世界客车产业的快速发展，欧洲联盟的整车车型认证也逐渐向客车进一步扩展， 增加对客车的认证要求。在2 0 0 1 年经欧洲联盟正式批准，e e c 颁布了指令号为 2 0 0 1 8 5 e c 的客车法规标准，标准全称为针对除驾驶员外座位数8 座以上用于运送乘 客车辆的特殊规定 9 1 。 虽然欧规的e c e 与e c 是来由两个不同的机构制定并颁布的，但由于几乎所有欧洲 经济体的国家都是欧洲经济委员会的核心国，故两者之间有着紧密的联系。欧洲经济体 所制定的6 6 项e c 汽车技术法规中在内容上完全等同于欧洲委员会制定的e c e 法规就 3 哈尔滨工程大学硕： 学位论文 有6 4 项之多，目前它们之间的差异主要是e c e 法规在缔约国内可以自愿实行，而e c 汽车法规在欧洲经济体国家中必须强制执行h 叭。 1 2 1 2 美国汽车技术法规 汽车大国美国与欧洲各国对汽车行业采用的管理模式不同，该国政府对进入本国市 场的车辆采用的是自我认证的方式，各个汽车生产企业对自己所研发的产品自行负责， 但美国政府相关职能部门对企业产品在市场中的使用情况实施严格的监管措施，对不满 足该国汽车技术法规要求及在安全、环保等方面有问题的车辆采用产品召回政策。 美国联邦政府对进入该国的汽车产品的准入管理上，分别由两个不同的职能部门进 行负责管理，两者有明确的分工。其中，对于汽车安全方面的监管由该国运输部国家公 路交通安全管理局( d o t n h t s a ) 负责，对于汽车环保方面的监管由美国环境保护署 ( e p a ) 负责。美国政府将本国的汽车技术法规统一列入联邦法规集( 即c f r ) 中u 1 | 。 美国的汽车安全技术法规( f m v s s ) 目前共有6 0 项，与技术安全性法规相配套的管 理性汽车技术法规有2 9 个部分，包括：美国汽车安全技术法规f m v s s 的具体实施与汽 车产品安全召回法规，共6 个部分；美国汽车环保技术法规，共2 0 个部分；美国汽车 排放控制方面的管理性法规，共1 4 个部分；美国汽车噪声技术法规，共5 个部分；美 国汽车节能技术法规，共1 5 个部分；美国汽车防盗技术法规，共4 个部分”引。 1 2 1 3 日本道路运输车辆安全标准 日本的道路运输车辆安全标准相对于欧美等国家起步稍微晚一些，但该国能够针对 本国道路交通的特点，成立了由学者、客车生产企业及车辆使用人员等几类人组成的专 门研究机构，对本国道路车辆的安全性问题进行评价分析，同时制定相关的法规。日本 早在2 0 世纪初就已经开始强制实行针对大客车上部结构强度要求的安全法规。共有四 章7 3 条u ”。 1 2 2 国内标准法规现状 我国汽车产业已经进入到了一个高速发展的阶段，与此同时相关部门也在加快制 定、颁布和完善与之相对应的机动车法规标准。目前在我国针对客车的安全和环保两方 面内容都出台了相应的标准和法规，对于客车车身结构安全性的强制标准主要包括客 车结构安全要求( g b i 3 0 9 4 2 0 0 7 ) 、客车座椅及其固定件强度( g b l 3 0 5 7 2 0 0 3 ) 、轻 型客车结构安全要求( g b l 8 9 8 6 2 0 0 3 ) 、双层客车结构安全要求( g b t 1 9 9 5 0 2 0 0 5 ) 和卧铺客车结构安全要求( g b t 1 6 8 8 7 2 0 0 8 ) 等8 项内容。其中，我国在1 9 9 8 年制定 4 第l 草绪论 并颁布了客车上部结构强度的规定，该法规当时是依据欧规e c er 6 6 相关章节内容 制定的一项推荐性国家标准，其将车内乘员生存空间的确定和客车整车侧翻试验的方法 列入到其中，经过了2 3 年的运行在2 0 1 1 年2 月才开始强制实旋。此外，2 0 0 5 年出台的 双层客车结构要求和2 0 0 3 年颁布的低地板客车技术条件两项标准也都是参照 欧洲汽车法规的相关标准制定的，进步完善了我国客车的法规体系，但由于目前国内 对双层客车和低地板客车这两项技术研究稍早，同时也为了不给汽车生产企业带来太大 压力，相关职能部门将其暂定为推荐性标准“。 综上所述，在我国关于客车方面的标准法规大都是依据欧规e c e 中的关于客车安 全方面的内容而修订的，在已经实行的标准法规体系之中有一些只是作为推荐性标准而 没有强制执行，不利于我国客车企业的发展，从中也不难发现国内的客车法规还有许多 地方有待进一步完善，随着我国道路运输产业的发展和道路安全的需求，国内相关机构 应结合世界客车体系出台更多符合我国国情的客车法规制度。 1 2 3 国内研究现状 2 0 0 5 年6 月，安凯客车在湖北襄樊的国家汽车质量监督检验中心进行了侧翻试验； 2 0 0 5 年，中国农业大学周酷等人参照欧洲安全法规对大客车做了翻滚碰撞的动态模拟； 2 0 0 6 年1 月和3 月，郑州宇通和东风莲花客车在襄樊国家汽车质量监督检验中心进行了 侧翻试验n ”；2 0 0 9 年，湖南大学张维刚教授等对客车侧翻安全性仿真评价方法进行研 究时，通过客车车身段的侧翻仿真分析，验证了新的评价方法的可行性；2 0 0 9 年，国家 客车质量监督检验中心的王欣等在对客车上部结构强度的改进设计研究中，按照 e c e r 6 6 的要求进行了车身段碰撞仿真，通过和实车试验数据的对比，验证了模型的有 效性，并为厂家进一步提高客车上部结构强度提供了理论依据。2 0 0 9 年，中国公路车辆 机械总公司的裴志浩高工承担的交通运输部“西部山区营运客车安全性能试验与评价技 术研究”课题，对客车上部结构强度的五种试验方法进行验证研究，并于2 0 1 1 年1 2 月 形成了g b1 7 5 7 8 2 0 x x 客车上部结构强度的规定报批稿纠。 1 3 研究意义和目的 近年来国内车辆结构安全性逐渐受到重视，政府也致力提升国内的大客车车辆安 全，客车生产企业进行空载、静态状态下的最大侧倾稳定角的检测实施较早，但此项检 测只能证明大客车质心符合标准。从保护人生命和财产安全的角度出发，客车的安全性 日益受到政府和社会的关注，在导致客车重大事故的诸多诱因中，客车本身的结构安全 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 性不能满足安全性需要是一项主要原因。一旦发生交通事故，真正起到防止侵入性伤 害作用的是客车的车身结构，若车身结构的刚度和强度不足，将造成客车车体严重变形 从而引发“群死群伤”恶性交通事故。 针对大客车车身结构的刚度和强度的技术要求和检测方法，我国制订了国家标准 客车上部结构强度的规定( g b t1 7 5 7 8 1 9 9 8 ) ，该标准等效采用了欧规e c er 6 6 中 的基本认证方法整车侧翻试验，作为检验客车上部结构强度的方法，但仅是推荐性 标准；国家标准客车结构安全要求( g b1 3 0 9 4 2 0 0 7 ) 把客车上部结构强度的规定 ( g b t1 7 5 7 8 ) 弓i 为强制标准，并已于2 0 1 1 年2 月强制实旅u 引。 由于该检测方法存在检测方法单一，试验成本高、风险大等问题，客车生产企业出 于成本考虑非常抵触，严重影响政府相关职能部门对此检测推广，g b1 3 0 9 4 2 0 0 7 推迟 了三年才得以实施，社会迫切需要客车结构强度等效替代检测方法及早出台。因此，本 文对营运车辆的结构安全性进行深入的研究，对其结构安全性进行准确和客观评价，拟 提出建议或限定性的措施，以保障生命财产的安全，造就和谐的道路交通环境，有利于 民生。 1 4 研究主要内容 本文以某6 8 5 0 型客车车身段为研究对象，采用计算机模拟仿真与试验验证相结合 的方式，具体研究内容如下： 1 ) 系统地整理欧美在客车行业较为完善的上部结构强度检测方法；并介绍欧美等 先进发达国家其在大客车上部结构方面的一些成熟的基本理论。 2 ) 研究车身段侧翻数值分析理论基础，阐述l s d y n a 软件基本理论和数值分析的 流程，并归纳客车车身段侧翻有限元分析流程。 3 ) 以某6 8 5 0 型客车为研究对象，研究车身段选取及处理方式，建立其车身段与侧 翻平台的有限元模型，为后续车身段侧翻动态分析及优化奠定基础。 4 ) 以某6 8 5 0 型车身段为研究对象，对其侧翻碰撞过程中能量转移、耗散、评价指 标进行分析；并将仿真分析结果与侧翻试验结果进行对比和评估，以验证有限元模型的 有效性。 5 ) 在客车车身段仿真验证基础上，探讨侧翻试验评价方法，提出一种新的“客车 车身段侧翻变形检测装置”客车车身段生存空间试验评价方法。 6 第2 章大客车上部结构强度理论基础 第2 章大客车上部结构强度理论基础 为解决或降低交通安全问题，世界各国均会制定符合自己国情的交通安全法规，其 中有关大客车侧翻安全( r o l l o v e rs a f e t y ) 的法规，最具代表性者为欧洲经济委员会 f e c o n o m i cc o m m i s s i o nf o re u r o p e ，e c e ) 的e c er 6 6 ( ( 大客车上部结构强度法规) ) ( s t r e n g t h o fs u p e r s t r u c t u r e ) 矛i i 美国联邦机动车辆安全标准( f e d e r a lm o t o rv e h i c l es a f e t ys t a n d a r d ， f m v s s ) 的f m v s s2 2 0 校车侧翻防护法规( s c h o o lb u s r o l l o v e rp r o t e c t i o n ) 。其它国 家如俄罗斯、澳大利亚等国的大客车侧翻安全法规均大多参考前述两法规来制定9 1 。 我国目前使用的国家标准是客车上部结构强度的规定f g b t1 7 5 7 8 一1 9 9 8 ) ，此项 法规是依据欧洲法规e c er 6 6 中的基本认证方法整车侧翻试验并结合我国道路交 通和客车生产企业的实际情况而指定的。由于( g b t17 5 7 8 19 9 8 ) 标准为部分引用，存在 检测方法单一、成本高等缺点，追本溯源，本章将简述欧规e c er 6 6 上部结构安全性 认证方法及其相关基础理论怛叫。 2 1 客车上部结构强度法规 2 1 1 美国上部结构强度法规 在美国方面，则有f m v s s2 2 0 校车侧翻防护法规最具代表性，着重在大客车的 结构强度及乘客损伤程度等方面做了规定。 7 哈尔滨：j 。：程大学硕士学位论文 搿l 奄 l 。 l ， t 誓 l 曩冀 l 一 l - l 川i l：_ l j l 季i l ：脑土l i i 圆 1 ；| | 懋 2 1 1 1 程序测试 右视图 图2 1 大客车车顶挤压试验示意图 a 任何非刚性的底盘连接车体的扣件应以相同刚性扣件代替，将车辆放置于刚性水 平面上，以使车辆完全以车架支撑。若车辆并非由车架组成，则将车辆放置于车体基座 上。移除任何超过车顶上方的组件。 b 施加在车体上作用力板的尺寸要求： i 对于4 5 3 6k g 以上的客车，作用力板的长度较车顶短3 0 5c m ，宽度为9 1 4c m ； i i 对于其它客车，作用力板的长较车顶长1 2 7c m ，宽也较车项长1 2 7c m 。 c 将作用力板放置于客车的顶部，并让其刚性表面同车辆垂直纵向平面相互垂直， 同时要保证在与车顶相互接触的位置不得少于2 处，而由顶端观看其投影，纵向中心线 应与车辆纵向中心线重迭，其前后缘与位于中心线的车顶前后缘距离应相等。 d 以每秒不大于1 3c m 的向下垂直作用力均匀施加于作用力板，直至2 2 2 4n 。 e 再以每秒不大于1 3c m 的向下垂直作用力额外施加至1 5 倍空载作用力，且保持 此作用力。 2 1 1 2 评价标准 8 第2 章大客车上部结构强度理论基础 以作用力板施加一个等于1 5 倍空载的作用力于大客车车项时，以下两点限制： a 作用力扳在施加作用力后其上任何部分垂直向下移动的距离不能大于1 3 0 n i n ； b 除在施加作用力期间没有被要求能开启之车顶紧急出口外，在施加完整作用力期 间和作用力释放后，符合美国客车上部结构法规f m v s s2 1 7 所述的各类车辆中的各个 紧急出口应能开启。若特定车辆( 良i j n 试车) 于施加完整作用力期间符合紧急出口开启要 求，则在作用力释放后不需符合紧急出口开启要求。 图2 2 大客车车 负挤压试验 2 1 2 欧洲上部结构强度法规 欧洲e c er 6 6 大客车上部结构强度法规发展始于2 0 世纪7 0 年代中期，但由于那 时欧洲各主要国家对车辆本身并无车身结构安全的定义，故当时法规仅对车身结构及侧 倾稳定性来规定，直至1 9 7 6 年英国发生伤亡惨重的大客车侧翻意外事件，引起当时英 政府意识到研究分析车辆车身结构安全的重要性和必要性。基于上述理由英国政府协同 匈牙利等国联合制定了e c er 6 6 法规，经过十余年各参与国交通事故的研究及实验测 试于1 9 8 6 年在欧洲经济委员会( e c e ) 组织下，讨论分析并通过了大客车上部结构强度 法规e c er 6 6 。该法规发展至今对于大客车强度相关检测作了明确的规定及修正，并 根据法规目的，制定认证方式与定义名词以及结构各部位的示意瞄。 欧规e c er 6 6 主要包括基本( 实验) 认证( t h eb a s i ca p p r o v a lm e t h o d ) 和等效认证 ( a ne q u i v a l e n ta p p r o v a lm e t h o d ) 两项。认证方法分为五种，其中仅有整车侧翻测试( 实车) ( r o l l o v e rt e s ta st h eb a s i ca p p r o v a lm e t h o d ) 属于基本( 实验) 认证，而等效认证包括车身 段侧翻测试( 实车) ( r o l l o v e rt e s tu s i n gb o d ys e c t i o n s ) 、车身段准静态负载验t i e ( q u a s i s t a t i c l o a d i n gt e s t o fb o d ys e c t i o n s ) 、基于部件的准静态计算( q u a s i s t o i cc a l c u l a t i o nb a s e do n q 哈尔滨工程大学硕士学位论文 t e s t i n go fc o m p o n e n t s ) 、计算机模拟整车侧翻测试( c o m p u t e rs i m u l a t i o no fr o l l o v e rt e s to n c o m p l e t ev e h i c l e ) ，如图2 3 所示口到。欧洲经济委员会颁布该项法规的目的是为检测大客 车上部结构的强度，其适用范围为除驾驶员外，座位及站立乘客2 2 人以上的大客车， 以确保骨架不侵入乘员生存空f 司( r e s i d u a ls p a c e ) ，车辆应依据生产企业意愿选择的任一 种方法，还可愀j ；i ! 川i i ? - 主管机关认可的替换方式来完成检测。其中侧翻试验方法，在测试开 始至结束，其车身结构均需符合e c er 6 6 ，不得侵入生存空间的规定。 l j i 弧毳蔫糍餐帮贝佳z z 缮攀攀孽l i i 基本验蘧|l 等效验证1 1li， 整车侧翻测j军身段侧翻计算移i 模拟整军俸段灌静态，銮i 苎0r p i t h j 试 实车) j测试( 实车)车侧翻测试 负荷验证准静态计算 豳嘲黔赣麟昏斡粼 匿唾翻过程c f _ = l 嚣絮俊入生存空闼 车身蚤絮吸收总隧量( e a ) 整车剿蕊熏心熊量( e ，) 是 否ll 是 否 j r； 熬黼 图2 3 欧规大客车上部结构强度认证 2 1 1 1 整车侧翻测试( r o l l o v e rt e s ta st h eb a s i ca p p r o v a lm e t h o d ) 客车生产企业和相关部门都十分清楚，客车整车侧翻试验是最耗材和最耗时的客车 试验之一，但同时也是世界上检验车辆安全性能最有效的方法之一。 将处于“可运行”状态的整车配载后放置于8 0 0 + 2 0i n l n 的侧翻平台上，平台翻转 使整车用不大于5 0 s 的初始角速度侧翻撞击水泥地面，测量客车的变形等物理量以评价 试验车辆的安全性能，如图2 4 和2 5 所示。 1 0 第2 章大客车上部结构强度理论基础 图2 4 无锡安源客车侧翻试验图2 5 苏州金龙客车侧翻试验 2 1 1 2 车身段侧翻测试( r o l l o v e rt e s tu s i n gb o d ys e c t i o n ) 测试程序和整车侧翻测试相同，仅将整车改为车身段，且车身段骨架相连接的强度 和刚度须能与整车的上部结构相同。在欧洲法规规定一个车身段应至少有两个隔间结构 并与必要的组件相接( 侧围、车顶、底层地板、该车身段的底盘) ，测试车身段重心高 度与实车重心高度一致，并且选择车身骨架最弱的区域来执行测试，并且质量分布也必 须与实车相同，如图2 6 所示。 图2 6 车身段侧翻试验图2 7 准静态车身段负载测试 2 1 1 3 车身段准静态负载验证( q u a s i s t a t i cl o a d i n gt e s to f b o d ys e c t i o n s ) 车身段准静态负荷测试是基于侧翻测试原理，将原本车辆侧翻撞击地面方式，换成 另一种表达方式。如将地面换成压板作用在车身段骨架结构上，如图2 。7 所示， 负载应平均分布于为刚度结构的压板上，压板长度须较车身段长，压板与车身段的 角度为仿照侧翻测试时与地面接触时的角度，并将车身段固定，以一定的角度施加负载， 观察其能量吸收的情形。依据法规必须挤压至乘员生存空间距离，进而检视计算骨架吸 收能量结果后再计算推估是否大于整车侧翻时车身结构吸收能量的情况。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 1 1 4 基于部件的准静态计算( q u a s i s t a t i cc a l c u l a t i o nb a s e do nt e s t i n go f c o m p o n e n t s ) 其测试方法与车身段准静态负载测试相同，只需采用整车骨架挤压数值模拟计算， 观察其能量的吸收情形。 等效试验依据零部件试验的准静态计算即依生产企业所提供的车身骨架执行 骨架结构零件负载( l ) 变形( d ) 试验，其塑性区的特性曲线为一非线性曲线。因骨架接点 的特性为弯矩力矩( m ) 一旋转角度( 中) 的关系，因此须将负载( l ) 变形( d ) 的数据计算转换 成弯矩力矩( m ) 一角度( 巾) 关系特性曲线，再将m 一中数据经由计算机仿真推估完整的车身 结构负载情形，并计算出整车骨架吸收能量的结果，由此用来检查客车车身结构变形是 否有影响车内人员的生存空间的现象。 2 1 1 5 计算机模拟整车侧翻测试( c o m p u t e rs i m u l a t i o no fr o l l o v e rt e s to nc o m p l e t e v e h i c l e ) 其测试条件与整车侧翻测试方法相同，其所建立的有限元模型应代表真实车体结 构，应能模拟真实的侧翻，且能分析至骨架达到最大变形量为止。选定此种方法进行认 证时，在欧洲首先必须由检测机构视需要实地执行骨架接点测试，以呈现实际车体结构 焊接行为，进而验证数值模型的假设正确性。 以上任何一种测试方法，在开始至结束的过程中，其车身结构均符合e c er 6 6 中 的不得侵入生存空间( r e s i d u a ls p a c e ) 的规定，才可通过欧洲法规e c er 6 6 。 侧翻的测试从结构力学来看，不外乎以大客车侧翻时，所造成的总能量平衡为探讨 核心。然而使用实车侧翻测试所需成本大，考虑到此点，故法规中列有多种替代方案检 测项目，主要就是考虑生产企业成本，但并非每一种替代检测方式均可完全取代，仍须 以实验重复性为考虑，如此才能保障乘客安全。 2 2 基本概念 2 2 1 上部结构 客车上部结构( s u p e r s t r u c m r e ) 在侧翻碰撞过程中，大部分受到冲击载荷作用的是客 车车身骨架中的封闭环，而该封闭环的各种物理特性直接影响到客车整车的侧翻安全 性。这里所说的承载件是指那些能够提高车身结构强度和当因车体变形可以吸收能量的 组件，即在碰撞过程中避免车内乘员生存空间遭受侵入的结构。 1 2 第2 章大客车上部结构强度理论基础 飞 i ill lj ， 嚣 西 蓬 | | lll 1 l 卜l| 。、。全k i 墨蔓 一于。 二腻 霍 - t - 藿 刚 ；一一t o _ - - 缴鬻 黪戮撵i i鬻骥黼 鬻赣鬻1 =麓戮錾鬻缓鞣l 鬻缀；麟璐一j 城 卜 、 车身鼹l 一 天。i：= o 瑟缀蕊溅燃粼1 麟 潞蕊 矗部分w 占刚性庄接 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 9 乘员生存空间 参照欧规e c er 6 6 的规定，客车在侧翻碰撞过程中其车身骨架的上部结构和侧围 要满足材料力学的要求，保证车体侧翻后变形量处于一个合理的范围，能够给车内乘员 留有足够的生存空间，详细的规定是： 1 ) 车体在侧翻过程中，车身任意部位均不能侵入乘员所处的生存空间； 2 ) 车体在侧翻过程中，乘员所处的生存空间内的任意部位均不能突出到变形的车 身结构之外。 依据客车上部结构强度的规定( g b 厂r1 7 5 7 8 ) ，r 点是确定生存空问的基准点， 该点距乘客脚下的地板5 0 0 m m ，距车身内壁3 0 0 m m ，位于外侧座椅靠背前方、并与其 中心线的x 轴向距离为1 0 0 r a m 口5 。 黩 甓 ( a ) 横截面 1 4 第2 章大客车上部结构强度理论基础 ( b ) 纵截面 图2 8 生存空间 生存空间是在乘客区内按图2 8 ( b ) 的垂直横截面沿r 点的连线移动所扫过的空间。 r 点的连线是从最后一排。座椅的r 点，依次经过每排座椅的r 点，直到最前排座椅r 点的连线，见图2 8 ( b ) 。 2 2 4 车身隔间 车身隔问( b a y ) 也被称作为车身隔段，其是由垂直于车辆纵向垂直中心面的两个 平面间的封闭区域构成。车身骨架就可以看作是由多个车身隔间组合而成。一个隔间由 车体每侧的一个车窗( 门) 立柱以及其侧围部件、连同相对应的一部分车顶结构和部 分车底和车底下部结构等几部分构成口刚。 2 2 4 1 隔间的划分 将车体上车窗一半高度与侧围立柱宽度中间位置相交的点定义为车窗立柱中心点 c p 。每个车身隔间的横向中心平面( c p ) 应垂直于车辆的纵向垂直中心面，并通过车 窗立柱的中心点( c p ) ( 见图2 9 ) 。如果在选取间隔时，出现同一隔间的两侧立柱的c p 不处于同一个横向平面上，那其隔间的横向中心平面应取分别过两个c p 的横向平面的 中间位置。 1 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 4 2 隔间的长度 图2 1 0 隔间长度的确定 隔问的长度沿车辆的纵轴方向测量，由垂直于车辆纵向垂直中心面的两平面间的距 离确定。隔间的长度不是固定的，其受车窗( 门) 的排列方式和车窗( 门) 立柱的外形 及构造等几方面的因素而决定口7 1 。 隔间的最大长度由车体上两个相邻车窗( 门) 框架的长度决定，按公式( 2 1 ) 计算： 1 ( ) 。2 寺( 口+ b ) ( 2 1 ) 式中： ( ) m a x 第 个隔问的最大长度，m m ； a 第j 个车窗( 门) 立