某客車側翻安全性吸能結構的設計*

姜 勇，那景新，王 童

(吉林大學，汽車動態模擬國家重點實驗室，長春 130022)

前言

大客車是城市客運的重要組成部分，隨著保有量的增加，其交通事故數量呈上升趨勢，大客車的安全性逐漸受到廣泛關注。大客車和一般乘用車相比質心較高，其主要交通事故形式多為側翻，因此，多年來國內外各研究機構通過實車試驗和仿真分析等手段對大客車側翻安全性開展了廣泛的研究［1－4］。

在客車側翻中，由頂蓋和側圍組成的上部結構是承受碰撞沖擊的主要區域，其變形較大，是主要的吸能位置，其結構特點直接影響客車的側翻安全性能。它和正面碰撞等無重力做功的水平碰撞能量轉換方式不同，客車側翻碰撞從質心最高的位置到上部結構接觸地面之前，重力勢能轉化為動能;在接觸地面之后到變形完成，動能轉化為車身結構塑性變形能和一部分摩擦熱能，剩余的能量將由車內乘員所吸收而導致損傷。因此，為提高客車側翻安全性，在減小結構變形的同時，必須控制碰撞能量向乘員艙的傳遞［5－8］。

本文中從某型全承載客車截取車身段封閉環結構進行側翻碰撞仿真分析，參考乘用車正面碰撞中采用的緩沖吸能方式，建立一種新型的客車側翻碰撞緩沖吸能結構，并驗證其側翻安全性的改進效果。同時，也為大客車的側翻安全性研究提供新的思路。

1 客車車身封閉環側翻吸能結構的改進

傳統的客車側翻安全性研究方法，是通過增加封閉環剛度的方法，減小側翻引起的車身結構變形還不能完全滿足客車內部乘員安全性的要求。過大的車身結構剛度會導致結構變形減小，其吸收的能量隨之降低，多余的碰撞能量向車內傳遞，被乘員所吸收，此時車內乘員所受到加速度峰值、碰撞持續時間和碰撞沖擊會非常大。因此，大客車側翻安全性的評價必須考慮乘員所受到的二次碰撞傷害情況。據此，本文中決定在車身首先與地面發生接觸碰撞的頂蓋和側圍的連接處加入吸能結構，并對側圍和頂蓋結構進行改進。

采用的吸能結構材料為泡沫鋁。它是一種多功能材料，可用于熱量交換、熱量阻隔、隔音、吸音和屏蔽電磁等，泡沫鋁的密度較小，質量較輕，具有較強的吸收撞擊能量的特性［9－10］。在碰撞壓縮變形中，泡沫鋁通過內部泡孔的逐層壓縮和密實而引起應力的不斷增加，通過塑性變形迅速吸收撞擊能量。其吸能能力主要由其應力—應變曲線下的面積決定，面積越大單位質量吸收能量越多。

客車車身封閉環吸能結構改進如圖1所示，為留出吸能結構安裝位置，將側圍窗框豎梁向車身內側彎曲，增加其曲率半徑，并將頂蓋兩側一段彎曲邊梁設計成直梁，在蒙皮和車身骨架結構之間安裝吸能結構，并通過托板進行支撐固定。

2 客車車身封閉環有限元模型的建立

封閉環側翻碰撞仿真模型須施加的各項計算條件包括:重力加速度、模型自重與外載、碰撞瞬時初速度、位移約束、接觸設置和材料參數。

(1)重力加速度

側翻碰撞與正面、側面和追尾等水平碰撞不同，是豎直方向接地碰撞，受重力影響較大，側翻碰撞能量是在內能、動能和重力勢能之間進行變換，本文中通過施加重力場的方式賦予仿真模型重力加速度。

(2)模型自重和外載

模型質量包括車身結構自重、車身附件質量和乘員質量等。本文中的車身封閉環模型外載根據每個封閉環所承載的整車質量計算得出。同時載荷的施加應使車身段封閉環結構在仿真側翻中受沖擊變形的特點與整車側翻試驗基本相同。

(3)碰撞瞬時初速度和位移約束

側翻碰撞計算開始時間是車身結構翻倒接觸地面的瞬間。在翻倒過程中客車的運動方式是繞一側車輪接地點的轉動。由于采用車身段模型仿真計算只須進行定性的結構性能對比分析，無須定量地考察生存空間的侵入情況，因此，對于輪胎高度予以忽略，在車身段模型最下部一側縱梁外沿節點約束其3個方向平動自由度，并定義模型繞此軸轉動，轉動角速度通過能量轉換計算得出。

(4)接觸設置

為防止在碰撞變形中整體模型的各單元之間相互侵入應根據實際情況設置接觸。仿真計算設置的接觸有兩種:防止車身結構自身零部件相互侵入的自接觸;防止車身結構穿過碰撞地面的點面接觸。其中由于車身和地面碰撞的部分并非車身全部結構，因此，只對有可能發生碰撞的部分設置接觸。定義的所有接觸都采用自動搜索接觸方向的方式。

(5)材料參數

車身結構材料為20號碳素結構鋼，密度為7.8×103kg/m3，泊 松 比 為 0.25，彈 性 模 量 為2.06×1011Pa，屈服極限為2.45×108Pa，強度極限為4.10×108Pa。泡沫鋁材料模型采用可壓縮泡沫模型，密度為2.5×102kg/m3，彈性模量為1.37×109Pa，泊松比為0.25，拉伸截斷應力為1.44×106Pa。

最終建立的原結構和改進后結構有限元模型如圖2所示。

3 封閉環結構改進前后仿真結果的對比

原結構和吸能結構封閉環側翻碰撞最大變形如圖3所示。

由于客車車身結構變形是否侵入乘員生存空間，是大客車車身結構側翻安全性最主要的指標。為定量研究車身封閉環結構的變形情況，并分析改進結構和原結構的側翻特性，本文中定義了乘員艙空間對角線，如圖4所示。在側翻中受到壓縮的為對角線1，受到拉伸的為對角線2。測量對角線原始長度和封閉環最大變形時刻的長度，并計算對角線側翻最大變形量(最大變形量=|最大變形時長度－原長度|)，改進前后封閉環對象線變形見表1。改進后封閉環結構對角線1最大變形量比原結構減少0.189m，對角線2最大變形量比原結構減少0.139m，變形分別減少26.6%和25.3%?？煽闯龈倪M后的封閉環新結構在側翻碰撞中側圍變形對生存空間的侵入明顯減少。

表1 改進前后對角線變形表

改進前后封閉環結構側翻能量曲線見圖5。

從圖5可看出，原封閉環結構內能最高值為2.106kJ，總能量最高值為2.379kJ;改進后封閉環結構內能最高值為2.041kJ，總能量最高值為2.201kJ，吸能結構吸收碰撞能量值為0.2kJ，占最高內能值的9.8%。由于側翻碰撞完成后的內能主要是結構的塑性變形能，若車內有乘客則碰撞能量會被乘客所吸收，對乘客造成傷害。在車身外部安裝吸能結構后，在碰撞開始時首先吸收了一部分能量，在一定程度上阻隔了部分碰撞能量向車身內部的傳遞，對保證乘員在碰撞事故中的安全性起到了積極的作用。與改進前相比，吸能結構封閉環內能最高值下降65J，總能量最高值下降178J，主要是由于加裝吸能結構后封閉環側翻完成時質心高度降低量減少，重力做功減少。

根據以往學者研究表明，車輛碰撞過程中產生的加速度是造成人體損傷的主要原因。因此，本文中測量了碰撞發生時車身結構內表面和乘員頭部撞擊點的加速度變化情況，如圖6所示。

從圖6可看出，結構改進后，頭部撞擊點的加速度峰值和平均值有非常明顯的下降，其中峰值下降到原結構的29%，加速度波動更加平穩。改進結構使乘員側翻安全性得到明顯的提高。

4 結論

通過以上分析可看出，安裝吸能結構后的車身封閉環和原結構相比，側翻碰撞變形量減小，加速度峰值和平均值降低，其側翻安全性提高，乘員的生命安全得到保證。

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