客车正面碰撞安全性仿真分析_张建
全承载式客车正面碰撞安全性的改进
全承载式客车正面碰撞安全性的改进摘要：国内某量产全承载客车正面碰撞的安全性研究及其改进设计。
利用有限元法和多体动力学方法建立了客车的仿真模型与驾驶员约束系统的仿真模型，并模拟客车在50km/h速度发生的正面碰撞情形。
然后在客车前端增加能量吸收结构，模拟结果表明客车在50km/h正面碰撞的安全性在结构改进后得到明显提高，驾驶员的损伤参数值都在《乘用车正面碰撞乘员保护》（GB11551-2003）法规参考值范围内。
因此，客车前端增加吸能结构以提高客车正面碰撞的安全性在理论上是可行的。
关键词：汽车安全；全承载式客车；正面碰撞；结构改进前言：近年来，随着公路建设和道路运输的快速发展，与营运客车相关的严重交通事故频频发生。
据统计，在我国，客车交通事故占整个道路交通事故的40%~50%，且客车交通事故中50%~60%为客车正面碰撞事故。
由于客车的质量和体积较大，在正面碰撞时会产生很大的能量，而大多数客车都是平头结构，当车辆发生碰撞时，车辆的前端空间小，容易造成驾驶员的生存空间被侵占，导致司机被挤压造成死亡。
全承载客车缺乏大梁式车架，当发生碰撞时，前部变形更为严重，驾驶员伤亡风险也较大。
因此，客车正面碰撞安全性的研究与客车正面碰撞试验方法的建立都具有重要意义。
1 客车正面碰撞仿真模型建立与吸能结构试验验证1.1 客车正面碰撞有限元模型的建立利用Hypermesh/LS-DYNA软件模块建立正面碰撞有限元模型。
客车整车骨架、蒙皮、玻璃、轮胎等零部件由壳单元构成。
建模过程主要遵循简化CAE分析的原则。
采用非线性显式有限元软件LS-DYNA对客车进行正面碰撞仿真分析。
客车模型如图1所示。
客车模型的总质量是8.227t，这相当于真实车辆质量。
钢骨架的弹性模量E=210GPa，Poision（泊松）比ν=0.3，密度ρ=7.85kg•dm-3，屈服极限如表1所示。
图1 客车正面碰撞有限元模型1.2 客车驾驶员约束系统多刚体模型基于Madymo软件，结合客车驾驶区建立客车驾驶员约束系统。
基于承载式客车的正面碰撞性能仿真研究
基于承载式客车的
正面碰撞性能仿真研究
吴 靖
（ 合肥 工业 大学 机 械与 汽车 工程 学 院 ， 合 肥 ２ ３ ０ ０ ０ ９ ） 摘 要 ：以某 型承 载式 大客 车 为研 究对 象 ，利 用有 限元法 和非 线性 理 论建 立整 车 有 限元模 型 ，通 过通 用显 式 动力分 析 软件 对其 ｌ Ｏ Ｏ ％Ｊ Ｅ面碰撞 进行 仿 真计 算 ， 研 究 该 承载式 车 身骨架 结构 的变 形 大小 以及 变形 特点 ，并
设计 － 研究 ｌ 基于承载式客车的正面碰撞性能仿真研究
ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ￣ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ５ — ２ ５ ５ ０ ． ２ ０ １ ３ ． ０ ４ ． ０ ０ ９
汽 车 科 技， Ａ Ｕ Ｔ ｏ Ｓ Ｊ Ｃ ｕ Ｉ － ｌ ｙ Ｔ ２ Ｅ ０ Ｃ １ Ｈ ３
Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ ：ｈ ｅ ａ ｄ — ｏ ｎ ｃ ｏ ｌ ｌ ｉ ｓ ｉ ｏ ｎ ； ｓ ｋ ｅ ｌ ｅ ｔ ｏ ｎ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ； ｃ ｒ ａ ｓｕ ｒ ｉ ｔ ｙ
随 着 汽 车保 有 量 逐 步增 长 ，我 国道 路 交 通安 全 问题 愈
车 碰撞 模 拟 仿 真 中 ，有 效 的 降低 了汽 车 被 动 安全 的研 究成
对乘 员 的生 存 空 间进行 分 析 比较 ，评 价该 客 车耐 撞性 与安 全性 能 ，并 为进 一 步研 究改 进 客车 耐撞 性能 提供 相 关参 考 。
关键 词 ：正 面碰 撞； 骨架结 构 ； 耐撞 性 ； 安 全 性
中图分类号 ：Ｕ ４ ６ ７ ． １ ３ 文献标志码：Ａ 文章编号 ：１ ０ ０ ５ － ２ ５ ５ ０（ ２ ０ １ ３ ）０ ４～ ０ ０ ３ ７ — ０ ５
微型客车正面碰撞结构耐撞性仿真与优化设计
摘要微型客车具有经济、小巧、灵活等特点，在我国拥有广泛的市场。
我国的微型客车多为平头或短头结构，前部变形区较短，通常被动安全性较差。
在汽车耐撞性设计中，要求车身结构利用前部吸能区缓冲吸收碰撞动能，同时控制侵入量和车身变形，以保证乘员生存空间。
因此，研究微型客车的结构耐撞性优化设计方法，对改善汽车碰撞安全性、提高产品质量具有非常重要的意义。
本文对某全新开发的微型客车进行了结构耐撞性优化设计研究。
首先进行了正面碰撞仿真分析，针对初始结构设计存在的不足，进行了相应改进设计。
在改进设计中，通过采用延长吸能长度、控制吸能模式、减少方向盘侵入量及增强局部结构刚度等的有效设计方法，来提高客车结构的被动安全性；改进后的整车在实车碰撞试验中一次性地顺利通过了国家正面碰撞安全性法规GB11551-2003。
为了最大限度地提高该款车型的碰撞安全性，同时兼顾轻量化要求，对该车主要吸能部件进行了进一步优化。
优化计算时运用了整车的简化模型以减少计算时间，提高计算效率；结合最优拉丁方试验设计、Kriging代理模型和NSGA-II遗传算法，对板件厚度、结构尺寸、空间布置、焊点间距等多个对结构耐撞性有重要影响的参数进行了优化设计，在提高结构耐撞性的同时实现了主要吸能部件轻量化。
研究结果表明：在微型客车正面碰撞安全性的产品开发中，本文采用的结构优化设计方法是切实可行的，能够快速、经济、有效地解决汽车结构耐撞性优化难题，从而降低产品开发成本、缩短开发周期、提高产品质量。
关键词：微型客车；耐撞性；仿真；代理模型；优化设计AbstractThere is a wide market in china for minibus due to its economical efficiency, mobility and smartness. However, it commonly has poor crashworthiness performance because of the short energy absorption length. In the process of crashworthiness design, the kinetic energy of the vehicle should be absorbed by the front structure, simultaneously, the body deformation should be efficiently controlled to leave living space for passengers. Therefore, Developing a effective structural crashworthiness optimization design method is of significance for the improvement of crashworthiness and the increase of product quality.The vehicle collision is a dynamic process with large displacements and deformations, which could not be expressed explicitly. Confronted with optimum design of crashworthiness, surrogate model technology is commonly used. If the whole vehicle model is adopted for sampling, the calculation resource consuming will be very large. However, when a simplified model rather than the whole vehicle was applied, the computation efficiency will be raised with the reduced computational requirement.This paper studies the crashworthiness optimization design for a new developed minibus. Firstly the 100% frontal impact simulation is conducted. Based on the issues existed in the initial structural design, corresponding improvement schemes are brought out. The design schemes of lengthening the energy absorption structure, reducing the intrusion and increasing the structure stiffness are proposed, by which the crashworthiness performance has been significantly improved and the minibus has smoothly passed the national frontal impact regulation GB11551-2003. In order to improve the crashworthiness as much as possible and to meet the requirement of lightweight design, further researches on the optimal design for principal energy absorption structures are carried out, in which the simplified model rather than the whole vehicle model is used to raise the computation efficiency with the computation time reduced. In the process of design, the optimal Latin hypercube designs, Kring approximation model and NSGA-II genetic algorithm are adopted to optimize the structure parameters, which are critical to the structural crashworthiness. Good results are acquired with the improvement of the vehicle crashworthiness and the reduction of the total weight of the critical energy absorption member.As the research indicates, the method presented in this paper is feasible toimprove the structural crashworthiness of the minibus quickly, economically, and efficiently, which makes important sense to cut the production costs, to shorten the development cycle and to increase the product quality.Key Words: Minibus; Crashworthiness; Simulation; Surrogate Model; Optimization Design目录学位论文原创性声明及学位论文版权使用授权书 (I)摘要........................................................................................................................ I I Abstract . (III)目录 (V)第1章绪论 (1)1.1微型客车碰撞安全性研究背景及意义 (1)1.2 微型客车碰撞安全性研究内容和方法 (2)1.2.1 微型客车碰撞安全性研究内容 (2)1.2.2 微型客车碰撞安全性研究方法 (5)1.3 微型客车结构耐撞性国内外研究现状 (6)1.4 本文主要研究内容 (8)1.5 本文主要创新性工作 (8)第2章微型客车正面碰撞结构耐撞性仿真分析 (9)2.1 微型客车碰撞有限元法的基本理论 (9)2.2 微型客车正面碰撞有限元模型的建立 (12)2.3 微型客车正面碰撞结构耐撞性分析 (15)2.3.1 加速度分析 (16)2.3.2 整车变形分析 (18)2.4 本章小结 (19)第3章微型客车正面碰撞结构耐撞性改进 (20)3.1 微型客车正面碰撞结构设计策略 (20)3.2 初始结构耐撞性设计中的不足 (21)3.3 结构耐撞性改进 (23)3.3.1 变形区设计改进 (23)3.3.2 不变形区设计改进 (27)3.4 改进后碰撞安全性分析 (30)3.4.1 加速度分析 (30)3.4.2 整车变形分析 (31)3.5 本章小结 (32)第4章微型客车正面碰撞耐撞性与轻量化优化设计 (34)4.1 基于代理模型的优化理论 (34)4.1.1 试验设计 (35)4.1.2 代理模型 (37)4.2 碰撞简化模型的建立 (40)4.3 碰撞安全问题优化流程 (42)4.4 主要吸能部件多目标优化 (43)4.4.1 优化模型建立 (43)4.4.2 优化过程 (44)4.5 优化方案效果验证 (48)4.6 本章小结 (49)总结与展望 (50)参考文献 (52)附录A 攻读硕士学位期间所发表的学术论文目录 (52)附录B攻读硕士学位期间所参加的科研项目 (57)致谢 (58)第1章绪论1.1微型客车碰撞安全性研究背景及意义汽车作为一种交通工具，给人们的日常生活带来了极大地方便。
某轻型客车正面碰撞仿真分析
Ｆ ａ ｎ ｇ Ｃ ｈ ａ ｏ ２ ， Ｙ ａ ｎ ｇ Ｑ ｉ ｌ ｉ ａ ｎ ｂ ￣ ， Ｘ ｕ Ｍａ ｏ ｌ ｉ ｎ ３ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ａ ｕ ｔ ｏ ｍ ｏ ｂ ｉ ｌ ｅ ａ ｎ ｄ Ｔ ｒ ａ ｆ ｉ ｆ ｃ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｉ ｒ ｎ ｇ ， Ｗｕ ｈ ａ ｎ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ， Ｗｕ ｈ ａ ｎ ４ ３ ０ ０ ８ １ ，
Ｊ ｕ ｎ ．２ ０ １ ３
ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ６ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ８ － ５ ４ ８ ３ ． ２ ０ １ ３ ． ０ ２ ． ０ １ ３
某轻型客 车正面碰 撞仿 真分析
方超 － － ， 杨 启 梁 ， 徐 茂林。 ， 杨 胜。
（ １ ． 武 汉 科 技 大 学 汽 车 与交 通 工 程 学 院 ，湖北 武 汉 ４ ３ ０ ０ ８ １ ；２ ． 湖 北 汽 车 工 业 学 院 汽 车工 程 学 院 ，湖北 十 堰 ４ ４ ２ ０ ０ ２ ３ ． 东 风 汽 车 商用 车 技 术 中 心 。湖北 武 汉 ４ ３ ０ ０ ５ ６ ）
３ ． Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ Ｃ ｅ ｎ ｔ ｅ ｒ ， Ｄｏ ｎ ｇ ｆ ｅ ｎ ｇ Ｃ ｏ ｍｍｅ ｒ ｃ ｉ ａ ｌ Ｖｅ ｈ ｉ ｃ ｌ ｅ ， Ｗｕ ｈ ａ ｎ ４ ３ ０ ０ ５ ６， Ｃｈ ｉ ｎ ａ ）
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ：Ｔ ｈ ｅ ｉ ｆ ｎ ｉ ｔ ｅ ｅ ｌ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｗａ ｓ ｕ ｓ ｅ ｄ ｔ ｏ ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｔ ｈ ｅ ｓ ｅ ｃ ｕ ｒ ｉ ｔ ｙ ｆ ｏ ｒ ａ ｌ ｉ ｇ ｈ ｔ ｐ ａ ｓ ｓ ｅ ｎ ｇ ｅ ｒ ｃ ａ ｌ ＂ ’ ｓ
大客车正面碰撞乘员约束系统的仿真研究
技 术 纵横
轻 型汽 车技 术
２１ （ ／ 总 ０１ ５６）
．
２ １２ ２ ６ ／６
大客车正面碰撞乘员约束 系统的仿真研究
葛如海 许 栋 王桃 英 臧 绫
（ 苏大 学汽车 与交通 工程 学院 ） 江
摘 要
本 文利 用碰撞 仿 真分 析软 件 ＭＡ ＭＯ， 立 了包括 大客 车 车体 、 全 带和假 人 的 ＤＹ 建 安
和混合 安全 带模 型。本 文建立 的模 型是 混合三 点 式
安全带模 型 ， 具体结 构 如下 ： … 与 假人 表 面 发 生接 触 作 用 的 部分 采 用 有 限 １
可以只包含有限元 系统 ，也可以只有多体系统 ， 或 两 者都 有【１ １ 。 本文乘客约束系统仿 真模型 的建立主要包 含
以下 ５ 步骤 。 个 。
１１ 车体模 型 ．
正面碰撞仿真模型，并对安全带对乘员的伤害值的 影 响进行 了研究 ， 得到 了有价 值 的结 论 ， 充实 了 国内 大客 车被动 安全 领域 的研究 ，对 于其他 客车正 面碰
衡状 态 的参 数再反 输入 模型 ，最后 释放 先前 锁 止 的
铰【１ ２ 。
１３ 安全 带模 型 ．
Ｍ Ｄ ＭＯ安全 带模 型有 两种 ， Ａ Ｙ 多体 安全 带模 型
型 ， 人为 刚体模 型 ， 假 并均 以假 人 为接触 主 面。
对 于 一般 Ｆ Ｅ模 型 ，接 触 中的初始 接 触穿 透 和 初 始 交 叉应 尽 量避 免 。 如假 人 的鞋 与地 板 的 接触 ， 这 时需 选择 Ｉ ＩＩ Ｌ Ｔ Ｐ Ｎ Ｔ Ａ ． Ｙ Ｅ为 Ｃ Ｒ Ｅ Ｔ， Ｏ Ｒ Ｃ 以消 除初
计 参数 的影 响 ， 座椅 、 如 安全 带 和安 全气 囊 ； 且也 而 广 泛用 于分 析 其它 交通 工 具 的碰 撞 ， 火车 、 如 飞机 、 摩 托车 自行 车 。ＭＡ Ｙ Ｄ ＭＯ将 多体 系统 和有 限元完
客车正面碰撞仿真分析及性能优化
客 车 技 术 与 研 究第4期 BUS &COACH TECHNOLOGY AND RESEARCH No.4 2019作者简介:彭 旺(1982 ),男,工程师;主要从事车辆结构设计方向的研究和客车研发管理工作㊂客车正面碰撞仿真分析及性能优化彭 旺,张雅鑫(比亚迪汽车工业有限公司,广东深圳 518118)摘 要:以某客车为研究对象,基于HyperMesh /Ls-Dyna 模块对其进行不同方案的正面碰撞安全仿真分析,验证碰撞能量管理及碰撞力传递路径优化对提升客车正面碰撞性能的效果㊂关键词:客车;正面碰撞;仿真分析;HyperMesh /Ls-Dyna 中图分类号:U467.1+4;U469.1 文献标志码:A 文章编号:1006-3331(2019)04-0009-03Simulation Analysis and Performance Optimization of Coach Frontal CollisionPENG Wang,ZHANG Yaxin(BYD Automobile Industry Co.,Ltd.,Shenzhen 518118,China)Abstract :Taking a coach as the research object,this paper does the simulation analysis of frontal collision safety based on the HyperMesh /Ls_Dyna module,and verifies the effect of collision energy management and collision force transmission path optimization method improving the coach frontal collision performance.Key words :coach;frontal collision;simulation analysis;HyperMesh /Ls-Dyna 据统计,客车正面碰撞事故约占客车事故的40%~60%,同时死亡人数占比达到60%左右[1-3]㊂客车在碰撞过程中,车辆前部结构会发生极大变形与溃缩,立柱㊁座椅和隔板等附件发生严重变形侵入驾驶员与乘客生存空间,造成大量人员伤亡事故[4-5]㊂因此,开展客车前部结构强度研究具有重要意义㊂本文基于HyperMesh /Ls-Dyna 模块对某客车进行正面碰撞安全分析研究,并根据实车正面碰撞试验结果,对客车正面碰撞仿真分析进行可行性验证㊂1 客车有限元模型建立2016年,重庆车辆检测研究院进行多种类型客车的100%正面刚性壁障碰撞试验,碰撞速度为30~32km /h,故本分析采用相同初始条件:客车整备质量状态下以30km /h 进行100%正面刚性壁障碰撞模拟㊂在建立客车有限元模型时需对其进行简化㊂本模型保留车架㊁车身骨架等主要承载结构,简化蒙皮㊁玻璃和内外饰件等非主要承载结构[6-8]㊂刚性壁障及地面采用刚性墙Rigidwalls 进行模拟;在Z 方向施加9.81m /s 2的重力加速度;在-X 向施加30km /h 速度;客车模型自接触采用自动单面接触算法[9]㊂整车骨架及轮胎等部件采用壳单元构建[5],其余电器件等通过Mass 点进行配重,焊接与铆接采用Rbe2单元进行连接处理㊂本模型采用10mm×10mm 单元尺寸进行划分网格,其中网格质量各项指标需满足建模要求:Warpage≤15°;Aspect Ratio≤5;Angle Quad =40°~135°;Angle Tria =25°~120°;Jacobian ≥0.6;三角形壳单元百分比不超过5%㊂图1为某客车正面碰撞有限元模型㊂图1 某客车正面碰撞有限元模型2 客车正碰分析方案研究2.1 客车前部结构优化思路客车正面碰撞过程中,客车前端吸能区未吸收的能量会通过车架车身结构传递至驾驶员所在的坚固区和前排乘客所在的后端吸能区,传递至后方的能量越大,坚固区变形越大,同时驾驶员和前排乘客产生的加速度越大,驾驶员侧结构变形量过大会导致驾驶9区结构侵入驾驶员生存空间;加速度过大会对人员造成强烈冲击伤害;乘客门侧A 柱位置变形量过大会导致乘客门无法打开影响救援㊂故为了保证驾驶员和乘客的安全,吸能区前部结构需要尽可能多地吸收碰撞能量,所以前部结构设计非常重要[10-13]㊂前部结构分区及碰撞力传递路径如图2所示㊂图2 前部结构分区及碰撞力传递路径2.2 客车正碰分析方案为进一步研究客车前部吸能区结构对提升客车正面碰撞性能的影响,对下列3种方案进行对比分析:1)原方案,未安装吸能防撞装置㊂2)改进方案1,安装吸能防撞装置,如图3所示㊂吸能防撞装置包括防撞梁主梁㊁防撞梁连接件和吸能盒等结构,主要材料为Q345B㊂图3 吸能防撞装置方案13)改进方案2,优化吸能防撞梁结构及吸能盒布置形式㊁数量,如图4所示㊂吸能盒表面变为褶皱结构,溃缩能力增强,单个吸能盒的吸能能力提升;主梁两端变为斜面结构,通过吸能盒满足吸能装置与车架的固定,同时吸能盒数量翻倍,吸能能力也显著增长㊂图4 吸能防撞装置方案23 客车正碰仿真结果分析及验证3.1 客车正碰仿真数据读取碰撞仿真结束后对结果进行分析,读取左右两侧立柱a-c 上5点的X 向相对变形量,位置如图5所示㊂同时读取转向管柱后部位置㊁驾驶员座椅椅脚位置㊁第一排乘客处座椅椅脚位置加速度仿真值,分别定义为ACC1㊁ACC2㊁ACC3,统计X 向加速度大小并进行数据分析[12-13]㊂图5 前部结构变形量测量位置图6为客车正面碰撞仿真结果中立柱a -c 上5点间的X 向相对变形量读取数据,其中Rab_11代表立柱a 和立柱b 上1号点之间的X 向相对变形量,以此类推;表1为各方案ACC1㊁ACC2㊁ACC33点的加速度峰值仿真值读取数据㊂图6 各方案前部结构变形量对比表1 各改进方案加速度峰值与原方案对比g方案序号ACC1ACC2ACC3原方案Max 109.1109.726.8Min-122.8-134.1-16.9改进方案1Max 85.978.518.7Min -71.3-66.4-6.1改进方案2Max 65.859.630.2Min -51.2-46.4-11.93.2 客车正碰仿真数据分析原方案正碰仿真结果中,乘客门侧ab 柱间最大变形量为375mm,可能导致乘客门无法打开㊂驾驶员侧ab 柱间最大变形量为213mm,变形量会侵入驾驶员生存空间㊂驾驶员处-X 向加速度峰值为134.1g ,驾驶员受到的冲击伤害会很大㊂改进方案1正碰仿真结果中,增加吸能防撞装置后,分析结果中乘客门侧ab 柱间最大变形量减小至01客 车 技 术 与 研 究 2019年8月281mm,对比原方案下降25%,乘客门侧ab柱间最大变形量为149mm,下降30%;ACC1㊁ACC2㊁ACC33处X向加速度最大峰值分别下降41.94%㊁50.48%㊁30.22%;变形量及加速度均有改善㊂改进方案2正碰仿真结果中,优化吸能防撞装置后,分析结果中乘客门侧ab柱间最大变形量降为202 mm,对比原方案下降46%,驾驶员侧ab柱间最大变形量降为71mm,下降66%;ACC1㊁ACC2㊁ACC33处X向加速度最大峰值分别下降58.31%㊁65.40%㊁30.22%;变形量及加速度改善程度较改进方案1更加明显㊂从各方案变形量及加速度峰值对比可知,改进方案1相对原方案变形量及加速度均有改善,改进方案2较改进方案1改善量更大,说明整车前部结构的优化可以很大程度地降低驾驶员区和乘客区结构受到的影响,降低乘员伤害,提高客车正面碰撞安全性㊂3.3 仿真可行性验证图7为改进方案1试验车碰撞转向管柱后部位置㊁驾驶员座椅椅脚位置㊁第一排乘客处座椅椅脚位置加速度曲线㊂试验车吸能防撞结构与改进方案1一致㊂试验车3处加速度曲线与改进方案1仿真分析曲线趋势基本一致,试验车3处加速度峰值分别为79g㊁81g㊁16g;改进方案1仿真分析3处加速度峰值分别为85.9g㊁78.5g㊁18.7g㊂通过加速度数据对比可以看出,改进方案1的加速度峰值与试验车偏差分别为13.3%㊁3%㊁16.9%,具有较高一致性;同时分析改进方案1能量曲线可知,滑移能㊁沙漏能均满足标准,初始总能与结束总能能量变化小于2%,故认为该正面碰撞仿真分析方法合理可行㊂图7 试验车各位置加速度曲线4 结 论通过正面碰撞仿真分析对比客车3种前部结构方案,表明优化前部吸能防撞装置能显著提升客车正面碰撞安全性,实车正面碰撞的试验结果对客车正面碰撞仿真分析的方法进行可行性验证㊂参考文献:[1]吴胜国.中日道路交通安全法规的比较研究[D].成都:四川大学,2006.[2]刘晓君.实车正面碰撞法规试验的发展趋势[J].世界汽车,1999(3):3-5.[3]王欣,颜长征.客车正面碰撞标准研究[J].交通标准化, 2011(8):6-10.[4]颜长征,王欣,赵东旭,等.客车正面碰撞乘员保护分析[J].机械研究与应用,2017,30(3):78-80.[5]孙治华.营运客车正面碰撞车身结构安全性仿真和评价[D].西安:长安大学,2011.[6]王钰栋,金磊,洪清泉,等.HyperMesh&HyperView应用技巧与高级实例[M].北京:机械工程出版社,2012:341-375.[7]谭继锦,张代胜.汽车结构有限元分析[M].北京:清华大学出版社,2009:196-200.[8]钟志华.汽车耐撞性分析的有限元法[J].汽车工程,1994 (1):1-6.[9]张胜兰,郑冬黎,郝琪,等.基于HyperWorks的结构优化设计技术[M].北京:机械工业出版社,2007:125-146. [10]胡玉梅.汽车正面碰撞设计分析技术及应用研究[D].重庆:重庆大学,2002.[11]张建,范体强,何汉桥.客车正面碰撞安全性仿真分析[J].客车技术与研究,2009,31(3):7-9. [12]胡远志,曾必强,谢书港.基于LS-DYNA和HyperWorks的汽车安全仿真与分析[M].北京:清华大学出版社, 2011:127-147.[13]王可,尹明德.客车正面碰撞仿真建模与分析[J].机械工程与自动化,2011(2):28-30.收稿日期:2019-01-2411 第4期 彭 旺,张雅鑫:客车正面碰撞仿真分析及性能优化。
客车前部结构正碰仿真与改进
客 车 技 术 与 研 究第1期 BUS &COACH TECHNOLOGY AND RESEARCH No.1 2021作者简介:路 斌(1984 ),男,硕士;工程师;主要从事客车CAE 仿真分析工作㊂客车前部结构正碰仿真与改进路 斌,任青文,张炳旭,赵丕乐,杨圣淼,孟庆荣(中通客车控股股份有限公司,山东聊城 252000)摘 要:采用有限元法对某客车以30km /h 的初始速度进行正面碰撞开展仿真分析,并提出改进方案,使原驾驶区生存空间得到较大改善㊂关键词:客车;前部结构;正面碰撞;仿真分析中图分类号:U469.1;U467.1+4 文献标志码:B文章编号:1006-3331(2021)01-0030-03Simulation and Improvement of Coach Frontal ImpactLU Bin,REN Qingwen,ZHANG Bingxu,ZHAO Pile,YANG Shengmiao,MENG Qingrong(Zhongtong Bus Holding Co.,Ltd.,Liaocheng 252000,China)Abstract :The authors simulate and analyze the frontal impact of a coach at an initial velocity of 30km /h with finite element method,then they put forward an improvement scheme to greatly improve the survival space of the driving area.Key words :coach;front structure;frontal impact;simulation analysis 近几年,客车产业飞速发展,客车的驾乘安全性能越来越受人们关注[1-2]㊂客车前部结构正碰安全性的研究至今尚未形成完整的安全法规文件[3-5]㊂本文根据交通运输行业标准‘客车前部结构强度要求及试验方法“报批稿,建立等效整车有限元模型,对客车前部结构正碰安全性能进行仿真分析及优化改进,为客车前部结构设计提供参考㊂1 原车仿真分析1.1 有限元模型简化与建立本文建立某款12m 客车整车三维模型㊂在准确反映客车实际特性的前提下,有限元建模时进行如下简化[6-11]:1)保留骨架㊁底架㊁车架主体及主要零部件等,省略非承载件(如内饰件㊁玻璃等),并采用2D 面网格单元建模㊂2)对于行李架㊁空调㊁蒙皮等体积和质量都较大的部件,在各部件质心处建立集中质量单元,连接到车身骨架上㊂3)前后悬架使用实体单元㊁梁单元㊁弹簧单元等组合建模,与车架建立柔性连接㊂整车有限元模型如图1所示㊂图1 整车有限元模型1.2 材料定义客车车身骨架和底架普遍使用低碳钢Q235[12],车架采用高强钢QSTE700㊂两种钢材的应力应变参数均通过公司进行拉伸试验测试获得,关键参数见表1㊂整车骨架型钢使用多线段弹塑性材料模型MAT24来定义㊂发动机㊁变速器和部分悬架等实体单元使用刚体材料模型MAT20定义㊂轮胎等橡胶材料使用线弹性材料模型MAT1定义[13-14]㊂表1 两种钢材力学性能关键参数钢材屈服强度/MPa 抗拉强度/MPa 延伸率/%Q235/QSTE700246/704490/79836/161.3 边界条件和初始条件1)使用刚体模型定义刚性壁障和地面,刚性壁障与前围接触,静摩擦系数设为0.6,动摩擦系数设为0.5㊂地面与轮胎接触,静摩擦系数设为0.9,动摩擦系数设为0.1㊂032)车身骨架与各零部件之间的接触算法采用自动单面接触方式,以防止接触穿透㊂3)刚性墙与整车前围平行,初始距离为10mm,初始碰撞速度设置为30km /h㊂1.4 仿真结果及分析由仿真结果可知,随着碰撞时间的增加,前围骨架弯梁逐渐被压溃向后侵入,同时带动方向盘管柱也随之向后移动;同时车架弯曲幅度增大,导致驾驶员椅向前倾斜,直至方向盘边缘与驾驶员椅接触㊂图2为客车正面碰撞T =0.03s 和T =0.12s 时刻时的前部骨架部分变形图㊂T =0.03s 时刻时,驾驶区段车架开始出现向内弯曲现象;最大变形时刻T =0.12s 时,车头整体下沉严重,轮胎受压变形明显,前围骨架弯梁被压溃至与前围立柱平齐㊂因此,一旦发生碰撞,驾驶区生存空间持续减小,极易导致驾驶员受到挤压伤害㊂(a)T =0.03s (b)T =0.12s图2 碰撞不同时刻客车前部骨架变形对比通过仿真分析发现,整车碰撞过程中,冲击载荷主要作用于客车前部骨架结构,即通过前围骨架传递至侧围㊁顶盖㊁底架和车架前部㊂前围骨架㊁驾驶区段底架和车架为主要变形吸能区,前悬架之后的骨架塑性变形较小㊂2 结构改进及效果2.1 结构改进由前述仿真结果可知,驾驶区段局部骨架容易发生较大的弯曲变形,导致桁架结构失稳,严重影响驾驶区生存空间㊂因此,需要综合考虑前部结构刚度匹配和桁架结构的设计,改进思路如下:1)在车架前段增加吸能装置(如图3序号1位置)㊂吸能装置选择屈服强度较小的材料,使其在碰撞过程中先于车架发生屈服变形,合理设计吸能装置结构,并统筹考虑吸能装置与车架前段的刚度匹配,保证在碰撞最大变形时刻吸能装置能被完全压溃,实现其最大吸能效果,而此时车架前段产生最大弹性变形,达到即将屈服但未屈服的状态,使得大部分碰撞总能量都通过吸能装置与前段车架进行耗散㊂2)前围仪表台支撑弯梁壁厚由原来的2mm 更改为3mm,加强弯梁的刚度;弯梁与前围立柱连接位置增加加强板,防止连接部位发生弯折㊂在方向机管柱右侧增加斜撑(如图3序号2位置),与车架相连,碰撞时可以有效阻止方向机管柱向后侵入㊂3)驾驶区段上下两层骨架之间增加空间斜撑(如图3序号3位置),形成稳定的三角结构,防止骨架弯曲变形㊂4)优化驾驶区上层底架结构(如图4所示),将上层骨架纵梁改为大截面型钢,优化驾驶员椅侧骨架的型钢布局,减小局部应力集中㊂图3 客车前部部分骨架结构改进示意图图4 驾驶区上层底架结构改进示意图2.2 改进后效果改进后得到的最大变形时刻T =0.09s 的前部骨架变形情况如图5所示㊂与原始方案的最大变形量(如图2(b)所示)相比,改进后的驾驶区段骨架整体向下倾斜,驾驶区上层骨架未发生弯曲失稳㊂主要原因一是由于驾驶区段骨架刚度增大,上下两层之间的型钢形成稳定的三角结构,不易发生弯曲变形㊂二是因为改进后整车骨架吸收能量减少,整车内能增加量降低了约1.6e +02kJ(如图6所示),约占整车碰撞能量的1/3㊂该部分能量全部由吸能装置吸收耗散,吸能装置吸收能量变化曲线如图7所示㊂由于吸能装置的吸能作用,降低了整车碰撞能量,减弱了客车前部结构的碰撞冲击,导致碰撞总时间减少,使得提前0.03s,达到最大变形,同时整车最13 第1期 路 斌,任青文,张炳旭,等:客车前部结构正碰仿真与改进大变形量降低㊂另外,前围后侵入量减小,方向机管柱与方向盘均未触及驾驶员椅,驾驶区生存空间得到了有效改善㊂图5 改进后最大变形时刻(T =0.09s)的前部骨架图6 改进前后整车骨架内能变化曲线图7 吸能装置吸收能量变化曲线图在驾驶员椅腿处选取加速度测量点,得到改进前后该点的加速度变化曲线,如图8所示㊂由图可知,在前0.04s 的时间内,改进后测量点处的加速度值相比改进前的急剧减小,主要原因是此处由于吸能装置被压溃变形,起到了缓冲作用,从而快速降低整车动能㊂此外,加速度峰值与乘员二次伤害呈正相关㊂改进前测量点处的加速度峰值为-39g ,而改进后加速度峰值降为-34g ,减弱了对乘员的伤害㊂图8 改进前后加速度变化曲线在前围骨架和车架最前端位置分别选择测量点,测量该点在碰撞完成后与初始位置的距离,距离越小表明后侵入量越小,安全空间越大㊂同时测量方向盘边缘与驾驶员椅靠背㊁方向机管柱与驾驶员椅坐垫的最小水平距离,距离越大代表部件侵入量越小,安全空间越大㊂改进前后驾驶区生存空间相关参数见表2㊂由表2可知,改进后前围骨架侵入量减小37.9%,车架侵入量减小89.6%,驾驶区生存空间各项参数均优于原始方案㊂表2 改进前后最大变形时刻驾驶区生存空间对比侵入量/mm 安全距离/mm 前围车架方向盘管柱改进前/后422/26296/100/3060/1523 结束语本文基于有限元法对某客车以30km /h 的初始速度进行正面碰撞,开展仿真分析,并分别对前围骨架㊁驾驶区段骨架进行优化分析,提出改进方案,增大了驾驶区的生存空间,为客车前部骨架结构设计提供参考㊂参考文献:[1]朱守胜.基于事故树分析的营运客车交通安全风险研究[D].西安:长安大学,2016.[2]王若平,陈豫.基于LS-dyna 和HyperWorks 的大客车正面碰撞仿真分析[J].机械科学与技术,2014,33(3):419-422.[3]杨延功,张钦超,张立常,等.某11米全承载客车正面碰撞分析及结构优化[J].农业装备与车辆工程,2019,57(3):66-68.[4]畅世为.大客车正碰安全性及法规评价方法研究[D].长沙:湖南大学,2010.[5]贺志瑛.大客车正面碰撞安全性技术研究[D].西安:长安大学,2016.[6]彭旺,张雅鑫.客车正面碰撞仿真分析及性能优化[J].客车技术与研究,2019,41(4):9-11.[7]颜长征,王欣,赵东旭,等.客车正面碰撞乘员保护分析[J].机械研究与应用,2017,30(3):78-80.[8]张建,范体强,何汉桥.客车正面碰撞安全性仿真分析[J].客车技术与研究,2009,31(3):7-9.(下转第52页)开口尺寸误差控制在正公差1~2mm 以内,结构如图2(a)所示;,结构如图2(b)所示㊂ (a)C 型槽 (b)异形螺栓图2 C 型槽和异形螺栓结构示意图C 型槽和异形螺栓组合后的结构示意图如图3所㊂组合后C 型槽起着 限位”的作用,预埋固定时在C 型槽上施焊,避免了在固定螺栓上施焊㊂C 型槽采用普通碳钢,焊接性可靠㊂在C 型槽及异形螺栓设计时,根据装配过程中实际公差需求,通过调整C 型槽的深度可改变异形螺栓的偏转角度琢,来吸收车顶器件安装孔㊁固定螺栓位置度的偏差,从而实现了固定螺栓相对可调,对固定螺栓的垂直度不再有要求,降低了焊装作业难度的效果㊂同时固定螺栓的相对可调也降低了总装装配时的作业难度㊂图3 固定螺栓预埋结构改进后示意图3 结束语C 型槽及异形螺栓的设计避免了直接在固定螺栓上施焊,解决了螺栓与普通碳钢之间焊接性差的问题,且不再需要控制固定螺栓的垂直度,大大降低了焊装的作业难度㊂同时,固定螺栓的位置和角度由原来的不可调变成可调,也方便了总装的装配作业㊂目前这种工艺已被广泛应用㊂参考文献:[1]招国辉,马正培.大客车空调系统的安装与调试[J].客车技术与研究,2007,29(6):30-32.[2]周海涛,刘庚林,李德华.客车空调固定螺栓预埋工艺及控制方法[J].客车技术与研究,2009,31(5):46-47.[3]陶恩树.顶置空调引起的漏水问题分析及其解决措施[J].客车技术与研究,2005,27(2):28-29.[4]方栋,陈继志.高强度螺栓螺纹根部应力集中的有限元分析[J].材料开发与应用,2007,22(2):37-39.[5]霍立兴.焊接结构的断裂行为及评定[M].北京:机械工业出版社,2000:49-66.[6]陈祝年.焊接设计简明手册[M].北京:机械工业出版社,1997:992-1000.[7]韩志良,马红卫,丁燕君.高强度螺栓断裂失效分析[J].理化检验-物理分册,2003,39(9):477-480.[8]吴自龙.焊接和敲对空调固定螺栓强度影响的实验验证[J].客车技术,2018(4):43-44.收稿日期:2020-05-18(上接第32页)[9]曹立波,周登科,朱结,等.全承载式客车正面碰撞安全性的改进[J].汽车安全与节能学报,2015,6(1):58-65.[10]胡韶文,宋年秀,许津,等.基于LS DYNA 的汽车保险杠低速碰撞仿真研究[J].公路与汽运,2016(3):14-17.[11]许津,宋年秀,胡韶文,等.保险杠壁厚对低速碰撞性能的影响研究[J].公路与汽运,2016(5):4-6.[12]吴靖.基于承载式客车的正面碰撞性能仿真研究[J].汽车科技,2013(4):37-41.[13]黎勇,吴长风,蓝平辉.等.大客车正面碰撞结构耐撞性分析与改进[J].客车技术与研究,2017,39(1):10-13.[14]王开松,彭新宇,谢有浩,等.基于LS-dyna 的整车正面碰撞仿真分析及优化[J].安徽理工大学学报,2019,39(1):54-58.收稿日期:2020-06-29。
全承载式客车正面碰撞安全性的改进
（ Ｓ ｔ ａ ｔ ｅ Ｋ ｅ ｙ Ｌ ａ ｂ ｏ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ｙ ｏ ｆ Ａ ｄ ｖ ａ ｎ ｃ ｅ ｄ Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ａ ｎ ｄ Ｍａ ｎ ｕ ｆ ａ ｃ ｔ ｕ ｒ ｉ ｎ ｇ ｆ ｏ ｒ Ｖ ｅ ｈ ｉ ｃ ｌ ｅ Ｂ ｏ ｄ ｙ ， Ｈｕ ｎ ａ ｎ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ， Ｃ ｈ ａ ｎ ｇ ｓ ｈ ａ
ｂ ｅ ｌ ｔ ａ ｎ ｄ ａ ｆ ｒ ｏ ｎ ｔ ａ ｌ ａ ｉ ｒ ｂ ａ ｇ ｗｈ ｉ ｃ ｈ ｗ ｅ ｒ ｅ ｍａ ｔ ｃ ｈ ｅ ｄ ｆ ｏ ｒ ｔ ｈ ｅ ｄ ｒ ｉ ｖ ｅ ｒ ｒ ｅ ｓ ｔ ｒ ａ ｉ ｎ ｔ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ． Ｔ ｈ ｅ ５ ０ ｋ ｍ／ ｈ ｆ ｒ ｏ ｎ ｔ ａ ｌ ｉ ｍｐ ａ ｃ ｔ ｏｒ ｆ
ｔ ｈ ｅ ｉ ｍ ｐ ｒ ｏ ｖ ｅ ｄ ｃ ｏ ａ ｃ ｈ ｗ ａ ｓ ｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ａ ｔ ｅ ｄ ｔ ｏ ｃ ａ ｌ ｃ ｕ ｌ ａ ｔ ｅ ｔ ｈ ｅ ｈ ｅ ａ ｄ ｉ ｎ ｊ ｕ ｒ ｙ ， ｔ ｈ ｅ ｃ ｈ ｅ ｓ ｔ ｄ ｅ ｆ ｌ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｔ ｈ ｉ ｇ ｈ ｉ ｎ ｊ ｕ ｒ ｙ ． Ｔ ｈ ｅ
ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｂ ｙ ｕ ｓ ｉ ｎ ｇ ａ ｉ ｆ ｎ ｉ ｔ ｅ ｅ ｌ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ａ ｎ ｄ ａ ｍｕ ｌ ｔ ｉ － ｂ ｏ ｄ ｙ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｔ ｏ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｅ ａ ５ ０ ｋ ｍ／ ｈ ｆ ｒ ｏ ｎ ｔ ａ ｌ ｉ ｍｐ ａ ｃ ｔ
４ １ ０ ０ ８ ２ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｆ ｒ ｏ ｎ ｔ ａ ｌ ｉ ｍｐ ａ ｃ ｔ ｓ ａ ｆ ｅ ｔ ｙ ｗ ａ ｓ ｉ ｎ ｖ ｅ ｓ ｔ ｉ ｇ ａ ｔ ｅ ｄ ｆ ｏ ｒ ａ ｍｏ ｎ ｏ ｃ ｏ ｑ ｕ ｅ － － ｂ ｏ ｄ ｙ ｃ ｏ ａ ｃ ｈ ｍａ ｓ ｓ ・ － ｐ ｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｅ ｄ ｉ ｎ Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ｔ ｏ ｉ ｍｐ ｒ ｏ ｖ ｅ ｉ ｔ ｓ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ． Ｔ ｗ ｏ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ｓ ｗｅ ｒ ｅ ｅ ｓ ｔ ａ ｂ ｌ ｉ ｓ ｈ ｅ ｄ ｆ ｏ ｒ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ａ ｃ ｈ ａ ｎ ｄ ｉ ｔ ｓ ｄ ｒ ｉ ｖ ｅ ｒ ｒ ｅ ｓ ｔ ｒ ａ ｉ ｎ ｔ
基于驾驶员损伤及防护的客车正面碰撞安全性研究
AUTO TIME 11
FRONTIER DISCUSSION ｜ 前沿探讨
加速度/g 加速度/g
图1 试验与仿真纵向加速度对比
100
80
试验
60
仿真
40
20
0
-20
-பைடு நூலகம்0 0
20
40
60
80 100 120
时间/ms
图3 吸能管碰撞加速度及变形对比
18
15
试验
仿真
12
9
6
3
0
0.00
0.02
0.04
不少国内外学者在客车的正面碰撞安全 性研究中做出了有益的探索。Peter 等 [3] 较早 提出了提高客车驾驶员和导游安全性的概念 设计方法。Matolcsy[4] 为推进公交客车碰撞
安全法规的制定，对公交客车的事故类型， 驾驶员生存空间及试验评价方法进行了统计 和 试 验 研 究。Cerit 等 [11] 参 照 ECER29 法 规 要求，对客车前端结构变形及方向盘侵入量 进行了研究。张毅等人 [5-10] 对大、中型客车 在 50km/h 碰撞速度下的车身结构进行了分 析与改进设计。Li 等 [12，13] 研究了客车在不同 碰撞初速度下车身结构的变形及中型客车在 100% 正面、40% 偏置和 30o 斜角三种碰撞工 况下的车身变形及乘员损伤。
上述研究在改善客车车身结构方面做了 大量工作，对客车乘员在正面碰撞中的损伤 也进行了一定的分析，然而并没有对提高乘 员的损伤防护做进一步研究。本文基于客车 驾驶员在正面碰撞中存在较高的损伤风险， 研究了某全承载客车 50km/h 碰撞速度下驾 驶舱的变形，在对该客车车身结构进行了改 进设计的基础上，分析了其驾驶员约束系统 存在的问题，为此提出了相应的改进措施并 进行了优化设计，以使客车驾驶员侧假人的 各项损伤指标满足相关法规要求。
基于Benchmark技术的汽车正面碰撞仿真建模
客 １２ 第３期 ＢＵＳ车技术与研究 Ｎｏ ． ３ ２０１０ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＡＮＤＲＥＳＥＡＲＣＨ基于Benchmark技术的汽车正面碰撞仿真建模范体强，张 健，赵清江，申鹏祥（中国汽车工程研究院有限公司 汽车产品研发中心，重庆 ４０００３９）摘 要： 介绍Ｂｅｎｃｈｍａｒｋ的工作流程；根据某车型Ｂｅｎｃｈｍａｒｋ数据，采用有限元分析方法，建立包括 车身结构、发动机和底盘结构的用于正面碰撞的整车有限元模型；根据实验结果验证模型的有效性。
关键词： Ｂｅｎｃｈｍａｒｋ；汽车；正面碰撞；仿真建模 中图分类号：Ｕ４６７．１＋４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００６－３３３１（２０１０）０３－００１２－０３Simulation Modeling of Vehicle Front Crash Based on Benchmark TechnologyＦＡＮ Ｔｉ－ｑｉａｎｇ， ＺＨＡＮＧ Ｊｉａｎ， ＺＨＡＯ Ｑｉｎｇ－ｊｉａｎｇ， ＳＨＥＮ Ｐｅｎｇ－ｘｉａｎｇ （Ｃｈｉｎａ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｅｎｇ． Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔ．， Ａｕｔｏ Ｐｒｏｄｕｃｔ Ｒ＆Ｄ Ｃｅｎｔｅｒ， Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０００３９，Ｃｈｉｎａ ）Ａｂｓｔｒａｃｔ： The paper introduces the Benchmark working process. According to a vehicle Benchmark data, it uses the finite element analysis method to establish a complete vehicle finite element model which used to front crash analysis. The model includes body structures, the engine and chassis structures. The test results verify the validity of the complete vehicle model. Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： Benchmark; vehicle; front crash; simulation model Ｂｅｎｃｈｍａｒｋ技术作为知识获取多种方法中的一种， 在汽车行业得到广泛应用。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
客车技术与研究 ２００９年 第３期 ３）壳单元基准面为客车实际结构的中面，结构间
的连接关系采用节点耦合、刚性连接、点焊、片焊、 可变形焊点梁和固连接等模拟。
４）悬挂系统导向杆系和悬架弹簧分别采用梁单元 和弹簧阻尼单元模拟。
５）将发动机、变速器和座椅等以集中质量单元分 布在各支撑点上。
６）不考虑骨架结构在焊接过程中出现的变形和残 余应力。
该客车为平头结构，这就对前碰撞吸能模块的纵 向长度有了很大的限制。为了不过多地改变客车前部 结构和客车的整体造型，并不能影响到前部转向机构 的正常工作，吸能模块总的纵向安装长度限制在不大
设计·计算·研究
于４００ ｍｍ内。前碰吸能模块如图５所示。主要由面罩、 横向方形管、中间支承板、纵向方形管和后支承板等 通过焊接和螺栓连接组合而成。中间支承板和后支承 板之间垂直方向安装了三根不同截面尺寸的方形管， 这三根方形管沿车宽方向布置成四排，总共为１２根方 形管。为了做到前碰吸能模块的通用化，在后支承板 上预留一系列的标准螺栓孔。通过螺栓将其连接到客 车前部结构上，可以方便地与各种客车进行匹配以及 安装位置的调整。
该大客车整车骨架是典型的空间框架全承载结构， 格栅底架和车身由许多不同截面的薄壁矩形钢管焊接而 成。为了尽可能真实地在有限元模型中反映大客车的骨 架结构，大客车的车身和底架完全采用板壳单元构建， 前后四个空气悬挂和整体桥结构的悬挂导向杆系和悬架 弹簧分别采用梁单元和弹簧阻尼单元模拟。
建模过程中，遵循以下简化原则［４－６］： １） 略去了蒙皮和一些非承载件（如玻璃、内饰 件、地板和各种功能件等），只保留承载骨架主体。 ２）忽略承载结构上的工艺孔、安装孔、凸台和翻 边等工艺特征。
［７］ 何汉桥． 大客车车身结构安全性仿真研究［Ｄ］．长沙：湖南大
学， ２００６．
［８］ 赵海鸥． ＬＳ－ＤＹＮＡ动力分析指南［Ｍ］． 北京： 兵器工业出版
社， ２００２．
修改稿日期：２００９－０３－１３
09
中图分类号：Ｕ４６７．１＋４
文献标志码：Ａ
文章编号：１００６－３３３１（２００９）０３－０００７－０３
Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ Ｂｕｓ Ｆｒｏｎｔ Ｉｍｐａｃｔ Ｓａｆｅｔｙ
ＺＨＡＮＧ Ｊｉａｎ１， ＦＡＮ Ｔｉ－ｑｉａｎｇ２， Ｈ Ｅ Ｈ ａｎ－ｑｉａｏ ３ （１．Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ Ｙｕｔｏｎｇ Ｂｕｓ Ｃｏ．，ＬＴＤ ， Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ ４５００１６， Ｃ ｈｉｎａ； ２． Ｃｈｉｎａ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｅｎｇ． Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓ． Ａｕｔｏ Ｐｒｏｄｕｃｔ Ｒ ＆Ｄ Ｃｅｎｔｅｒ， Ｃ ｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０００３９， Ｃｈｉｎａ； ３． Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂ． ｏｆ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ ｆｏｒ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｂｏｄｙ， Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００８２， Ｃｈｉｎａ）
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｉｍｐａｃｔ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， ２００６，（３２）：８８３－８８８．
［５］ 何汉桥，张维刚．我国客车安全综述［Ｊ］． 客车技术与研究，
２００７，（２）：３－４．
［６］ 温文源，韩祖行．客车车身结构的有限元分析及优化设计［Ｊ］．
东南大学学报，１９８９，（５）：３２－４０．
图３ 碰撞过程中能量变化图
整车碰撞仿真后的变形如图４所示。碰撞后前部驾
驶舱区域变形严重，能量完全
由客车前围和驾驶舱吸收，驾
驶舱因受到巨大的冲击完全被
压溃，整车耐撞性能差，驾驶
员没有生存的可能，所以需要
对该客车的结构进行改进，以
提高其耐撞性能。
３ 碰撞安全性改进
图４ 碰撞后的变形图
客车发生正面碰撞时，其前端结构件的吸能特性 和变形模式将决定着车体在撞击时的加速度或力的响 应特性，对乘员的保护有着非常重要的作用。而该车 的前部空间缺乏薄壁直梁件构件，驾驶室区域成为吸 能压溃区，碰撞中变形严重，驾驶员的生存空间难以 得到保证，并且碰撞过程中产生的过高加速度峰值也 会增加乘员的损伤风险。所以提高客车的前碰撞安全 性必须对前部结构件进行特殊设计，以提高车体结构 的耐撞性能，并取得理想的车体碰撞加速度波形，从 而降低乘员的伤害程度。合理的前部结构大概可吸收 整个碰撞能量的３０％～５０％ 。 ［８］
７）在不考虑连接失效的前提下，分析车身骨架结 构的刚度和强度。
所建立的大客车有限元模型如图１所示，共６７ ７８６个单 元，６７７１８个节点。经验证后得知，可满足工程分析的需要。
图１ 所建立的大客车有限元模型
２ 大客车碰撞性能分析
我国还未出台客车的碰撞安全法规，碰撞的形式 和速度都没有规定。由于大客车前碰撞事故多为与大 型载货车追尾，两车同方向运动，有效碰撞速度远远 不及各种法规中Ｍ１类车辆的正面碰撞速度（一般为５０ ｋｍ／ｈ），故将３０ ｋｍ／ｈ作为有效碰撞速度来研究客车车 体的耐撞性。分别建立地面和刚性墙模型来模拟实际 的地面和刚性壁障，如图２所示。
据公安部交通统计，２００５年，我国营运客车肇事 ５１ ２４７起，导致１０ ５６６人死亡，分别占总数的１１．４％和 １０．７％［１］；全国共发生的４７起特大交通事故中，营运客 车肇事２９起，造成４８０人死亡，分别占总数的６１．７％和 ６０％［２］。所以，大型客车碰撞安全问题成为近几年人们 逐步关心的问题。
的，为客车耐撞性能的提高提供了有益的设计参考。
参考文献：
［１］ 中华人民共和国公安部． 关于２００５年全国道路交通事故情
况的通报． ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｍｐｓ．ｇｏｖ．ｃｎ， ２００６．０２．
［２］ 贾宏波， 等．汽车车身结构碰撞性能Fra bibliotek计算机仿真模拟、
评价与改进［Ｊ］． 吉林工业大学学报， １９９８．
［３］ 钟志华，张维刚， 等 ． 汽 车碰撞安全技术［Ｍ］．北京：机械工
业出版社， ２００３．
［４］ Ｌｅｓｌａｗ Ｋｗａｓｎｉｅｗｓｋｉ， Ｈｏｎｇｙｉ Ｌｉ， Ｒａｖｉ Ｎｉｍｂａｌｋａｒ， ＪｅｒｒｙＷｅｋｅｚｅｒ．
Ｃｒａｓｈｗｏｒｔｈｉｎｅｓｓ ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ｏｆ ａ ｐａｒａｔｒａｎｓｉｔ ｂｕｓ． Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ， ｔｈｅ ＦＥ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｆｏｕｎｄｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｒｏｎｔ ｉｍｐａｃｔ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｆｏｒ ａ ｂｕｓ． Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｓｈｏｒｔ ａｒｅａ ａｎｄ ｔｈｅ ｗｅａｋ ａｂｉｌｉｔｙ ａｂｓｏｒｂｉｎｇ ｉｍｐａｃｔ ｅｎｅｒｇｙ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｆｒｏｎｔ ｃｒａｓｈ ｈａｐｐｅｎｉｎｇ， ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｐｕｔｓ ｆｏｒｗａｒｄ ａ ｄｅｓｉｇｎ ｓｃｈｅｍｅ ｏｆ ａｄｄｉｎｇ ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ ａｂｓｏｒｂｉｎｇ ｍｏｄｕｌｅ ｏｎ ｔｈｅ ｆｒｏｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｂｕｓ． Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ ａｂｓｏｒｂｉｎｇ ｍｏｄｕｌｅ ａｂｓｏｒｂｓ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｃｒａｓｈ ｅｎｅｒｇｙ， ｉｍｐｒｏｖｅｓ ｔｈｅ ｃｒａｓｈｗｏｒｔｈｉｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｂｕｓ ａｎｄ ｒｅｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｒｉｓｋ ｏｆ ｏｃｃｕｐａｎｔ ｉｎｊｕｒｙ． Ｓｏ ｔｈｅ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｄｅｓｉｇｎ ｉｓ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｂｕｓ； ｆｒｏｎｔ ｉｍｐａｃｔ； ｓａｆｅｔｙ； ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ
图２ 大客车碰撞形式示意图 08
设计·计算·研究
碰撞过程中分析了总能量、总内能、总动能、沙 漏能和滑动界面能的变化过程，如图３所示。０．１７５ ｓ后 总内能和总动能基本不再发生变化，碰撞过程结束。 碰撞过程中总能量保持平衡，沙漏能和滑动界面能 约占总能量的１．０５％和１．０６％，都控制在允许的范围 内［７］。因此，从图３看下方变化很缓的两条（总沙漏能 和总滑动界面能）曲线基本一致，图中显示重合。
为了驾驶员有良好的视野，我国大中型客车较多 地采用平头结构，驾驶室前部缺乏缓冲吸能装置，在 碰撞安全性方面存在很大隐患：当发生正面碰撞时， 客车驾驶室空间会变成吸能区，从而导致车内的乘员 尤其是驾驶员会受到严重的损伤。而我国尚未出台适 用于大客车的安全法规，因此，开展客车的正面碰撞 研究对于提高客车产品的碰撞安全性和减轻乘员的伤 害将有重要意义。
１ 大客车正面碰撞模型的建立
汽车碰撞问题是典型的非线性、大变形和大位移 问题［３］，它涉及到众多的学科和领域，尤其是有限元理
论、计算数学、计算力学、弹塑性力学、计算机图形 学等。汽车碰撞模拟在有限元方法应用领域里具有非 常重要的位置，近些年来发展非常迅速［３］。在世界范围 内，广泛应用的此类大型软件有ＬＳ－ＤＹＮＡ３Ｄ、ＰＡＭ－ ＣＲＡＳＨ和ＲＡＤＩＯＳＳ等。本文应用非线性显式有限元软 件ＬＳ－ＤＹＮＡ对某款客车的正面碰撞性能进行了分析和 改进研究。
DOI:10.15917/ki.1006-3331.2009.03.003
设计·计算·研究
２００９年 第３期 客 车 技 术 与 研 究
客车正面碰撞安全性仿真分析
张 建１，范体强２，何汉桥３
（１．郑州宇通客车股份有限公司，郑州 ４５００１６；２．中国汽车工程研究院 汽车产品研发中心， 重庆 ４０００３９；３．湖南大学 汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙 ４１００８２）
４ 结束语
通过建立某客车整车正面碰撞有限元模型，进行
了整车正面碰撞仿真模拟；根据仿真结果，分析了整
车的耐撞性能较低，在不改变整车造型风格和转向机
构工作性能的前提下，提出了在客车前部增加吸能模
块的方案。改进后的仿真分析表明，前部吸能模块变
形充分，吸能效果好，提高了整车的耐撞性能，降低
了乘员的损伤风险，表明所提出的改进方案是有效
２００９年 第３期 客 车 技 术 与 研 究