客车侧翻的结构安全性仿真研究

1、客车侧翻的结构安全性仿真研究     客车侧翻的结构安全性仿真研究摘要：侧翻是客车道路交通事故的主要形态之一，车顶塌陷、解体等侵入性变形能够造成严重的人员伤亡。利用有限元仿真的方法研究客车侧翻的结构安全性，对影响因素进行分析，并提出改进意见。研究的结果对客车的设计、生产以及安全性评价具有指导作用。关键词：客车；侧翻；有限元仿真中图分类号：U46191文献标识码：A文章编号：100060006(2008)050007002 SiltouyonCocrcueSfto-ovrmuainStdahStutraeyfrRollleLChni，S in-n

2、ae，ZHOUWeIrgpig，ZHAOK n (1ShoonrrnoeEgneigInnnrnoinvriyoehooyHuht1000，hn；colfEeadPwrniern，. eMoglaUiestfTcnlg，. ho051Cia2eerhIsiueogwyMiityoomuiain，ejn，hn)RsacntttfHihansrfCmnctosBiig10000888CiaAbsrtollloesoeohiricietfrorcahivsveortouhauesrcuetac：R vrinftemantafffcacdnomsfoc，naiedfmainscssprtutrdisa

3、sssemblyorsinkislikelytOcauseseverepasssengerscasualtyThepaperresearchesrollloverusingFE simulation，analyzes inluecatrfocrmereuitnrpssirvblpnonwhcaeoudnetfoceinngfnefcoocahfawokscryadpooempoaeoii，. ihrfgiigefffcorcahdsgi，. manfcueadscitetmainuatrneurysito. Keywords：Cah；Rol lloe；F iltoocvrESmuain据历年道

4、路交通事故统计分析.，客车的碰撞、侧翻和坠落(坠崖、坠河)是造成“群死群伤”重大交通事故的主要原因。提高客车车身结构的刚度和强度，确保最大生存空间以保护乘客生命安全，具有重要意义。客车侧翻试验是从总体上对客车车身结构安全做评价，是检验客车上部结构强度和被动安全性的最直接、最有效的方法。由于客车实车侧翻试验成本高、工作量和难度较大等原因，“客车上部结构强度的规定”(GBT1757819998)(以下简称“规定”)尚未强制执一，仃.。图1客车侧翻示意图 计算机模拟仿真试验可以在客车产品设计开发过程中减少试制Fig. ecahRollloe1SkthMapofCoc-vr和实车试验次数，且费用较低、

5、重复性好。本文在建立客车有限元模图中CG，CG，CG分别是客车不同位置时的重心位置。如果按型的基础上对客车侧翻进行计算机仿真，并从车身结构变形、碰撞加照“规定”介绍的方法进行设置，从CG到CG期间，将花费大量的时速度方面进行了分析，针对暴露的问题提出了改进意见。间，而这些时间对后续车身结构安全性分析贡献不大。为了节约计1有限元建模算时间，提高精度，设置初始速度时，采用了如下简化方法：. 客车车身外部尺寸为1030nnX2400mmX330mm。客车I)计算客车临界侧翻时的初始能量5lll5发生侧翻时，一些附件对承受冲击载荷、吸能并不起明显作用，在建ER=Mgh1=Mg(O8+(B±t

6、) (1)立模型时需要进行简化和设置：. 式中，为客车总质量；l为客车临界侧翻时重心高度；曰为旋转轴1)车身附件、备胎、电瓶等用质量单元直接创建在相应的节点上。. 到客车纵向垂直中心平面的距离；为客车重心到纵向垂直中心平面2)前桥、后桥等对整车转动惯量影响较大的部件，用梁单元创建。的距离；0为客车在翻转平台上的重心初始位置；g为重力加速度3)轮胎对车身结构强度没有影响，将轮胎设置成刚性材料，以减常数，取为9810mms。. 少计算机运算时间。. 2)利用能量守恒原理，计算出客车转到水平位置时的速度V。. 4)车身骨架等主要变形部件，采用多线段弹塑性材料模型来定3)利用速度、角速度转化公式计算初

7、始角速度义，通过输入一系列点坐标的方式来定义材料的应力应变曲线。材：_= = (2) 料的密度为78×10 k牟Dim，弹性模量为2×10MPa，泊松比为. +(B+)03，屈服极限为207MPa。客车整车划分完网格后，共有87866个计算出初始角速度为262rads。节点和91045个单元。客车侧翻示意图，如图1所示。单面接触在处理接触区域不能提前预知的自接触或大变形问题收稿日期：20070929基金项目：交通部西部交通建设科技资助项目(20050318222322) ··70 李臣等：客车侧翻的结构安全性仿真研究时非常有效，所以本文用它来定义模拟中所

8、有部件间的接触，由于在碰撞中很难人工判断壳单元发生接触的方向，因而采用自动接触方式，使用关键字. DEFINEBOX设定接触检查区域以节约计算时间。设置刚性墙的摩擦系数为03，计算时间步长由计算机自动设置控制。为了控制沙漏模态，设置沙漏粘性阻尼控制因数为012_4J。2车身骨架变形分析检验仿真精度的重要指标是能量守恒，要求非物理能量如沙漏能不能超过总能量的5. 5。客车侧翻仿真过程中沙漏能和总能量_的变化曲线如图2所示。图2侧翻过程中沙漏能和总能量的变化曲线 Fig. anreorasEegyAnalErydrne2ChgeCuvfHouglsnrdTotneguigRolllovr由曲线可以

9、看出，沙漏能只占总能量的4，计算仿真结果精度满足要求。客车侧翻后的应力云图，如图3所示。. Oonou(alsitrAnys器盛-2253E+02鐾一12S7E+029655E+01一. +。，静. 图3客车骨架应力云图. Fi. rseoamoahFawokg3StesNphgrfCocrmer可以看出，骨架上最大应力为. 2896MPa，大于材料的屈服应力. 207MPa，最大应力发生在侧窗立柱上部，材料进入屈服阶段，但未到达屈服极限，没有断裂点出现。根据“规定”要求，检查客车侧翻安全性能的一项主要指标就是乘客生存空间的完整性，法规要求侧翻后车身任何部分的位移都不允许侵入生存空间，生存空间

10、内的任何部分都不能突出至变形的车身结构外l。为方便观察生存空间的侵入情况，截取一段完整的客车截面，并等效出这个截面内的剩余空间(图中虚线所示)，以查看变形后是否有车身其它部件结构伸入到生存空间中E。. 。客车侧翻前后生存空间对比示意图如图4所示。a变形前状态b变形后状态图4窨车侧翻生存空间对比示意图 Fi. nrsecosdaaeoahRolllg4CotatSkthMapfrReiulSpcfCoc从变形后的状态可以看出，侧翻后客车车身有一定程度的变形，车身立柱上部某点的最大变形量为. 2454mm，客车规定的乘客生存空间没有受到侵害，表明车身结构的刚度和强度满足“规定”的要求。3速度和加速

11、度分析分别计算了客车侧面立柱上端某点的速度和加速度，其随时间的变化曲线如图5所示。列问sb加速度曲线图5立柱上端某点的速度和加速度曲线. FieociyandAeeratinCuveoonnPolperEdg5VltcclorfSomePitieUpn对图5所示曲线进行分析，可得出以下结论：. 1)在00901】s期间，速度迅速下降，加速度达到最大值。说明此时客车与地面发生第一次碰撞，碰撞加速度最大值为1036g(g为重力加速度)，会对人体造成极大的伤害。这说明车体的刚度较大，立柱上部缺少足够的吸能元件，车身上部受到的撞击，冲击能量很大，在极短的时间内动量变化迅速，形成瞬时数值极高的冲击力，车

12、身上部受此冲击力作用在碰撞时产生的应力超过材料的屈服应力而发生塑性变形。. 2)在011102555s，025503S两个时间段内，速度出现了两个峰值。说明客车在第一次与地面接触后又发生了两次弹起，弹起后碰撞速度和加速度值较之第一次碰撞大大减小。. 3)碰撞时，车身立柱顶部的加速度值偏大，对乘客的瞬时冲击较大，建议在车身立柱顶端适当增加碰撞缓冲区或者选用吸收能量较好的材料以降低碰撞的冲击力峰值。. 4)在建立客车侧翻的有限元模型时做了许多简化，车身附件以及其它一些部件或部件总成直接用质量单元加在相应位置的节点上，没有考虑它们在碰撞过程中的吸能情况，因此可能导致碰撞的加速度值比实际结果大一些。4结论如果对客车全面考虑车身附件以及其它一些部件或部件总成对吸能结构的贡献，将导致计算规模过大甚至不能计算。因此从客车的车身骨架人手分析客车在侧翻时的安全性容易实现其计算精度、计算规模和计算时间的协调，实际仿真也证明这是可行的。利用计算机仿真研究客车侧翻，可以缩短产品开发周期、节约试验费用，在仿真精度满足要求的情况下，可以对客车的设计、生产以及安全性评价具有指导作用。参考文献：. 1公安部交通管理局中华人民共和国道路交通事故统计年报(20005年度)R北京：公安部交通管理局，20006. 2 GBT1757819998，客车上部结构强度的规定S. 3Ce