李仕鋒 丁良旭 黃雪嬌 覃國周

摘要：根據(jù)客車交通事故統(tǒng)計分析，參考我國客車側翻試驗與仿真研究的現(xiàn)狀，結合國內外相關法規(guī)差異，對國內客車側翻試驗、仿真及其評價方法進行了分析，并對存在的問題進行探討。

關鍵詞：客車；側翻；上部結構

中圖分類號：U469.1 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2550（2012）02-0031-05

Test and Simulation Study on Strength of Coach Superstructure

LI Shi-feng1，DING Liang-xu2，HUANG Xue-jiao1，QING Guo-zhou2

（1. School of Mechatronics and Automotive Engineering， Chongqing Jiaotong University， Chongqing 400074，China；

2. National Coach Quality Supervision & Testing Center， Chongqing 401122， China）

Abstract: On the basis of statistical analysis of traffic accidents， refering to the status of study on test and simulation of coach rollover in China. According to the relative rules of domestic and international law，this paper analyses the test and simulation and evalution method of coach rollover and discusses related problems.

Key words: coach； rollover； superstructure

在我國，客車是絕對的客運運輸主力，公路客運量和客運周轉量遠遠大于其他客運運輸方式的總和。據(jù)統(tǒng)計，2008年我國公路旅客運輸量為220.7億人，占各類運輸方式旅客運輸量的92.07%；公路旅客運輸周轉量為12 636億人·公里，占各類運輸方式旅客運輸周轉量的54%；全國公路、公交、旅游營運客車高達160多萬輛，加上眾多的微型和小型面包車，客車總量接近汽車保有量的1/4。

隨著客車保有量的急劇增加，客車交通安全事故發(fā)生的頻次也越來越高。據(jù)公安部交管局數(shù)據(jù)統(tǒng)計：2009年上半年，全國共發(fā)生道路交通事故107 193起，造成29 866人死亡、128 336人受傷，直接財產(chǎn)損失4.1億元。其中，發(fā)生一次死亡10人以上特大道路交通事故12起，營運客車共肇事6起，占事故總數(shù)的50%，是特大交通事故肇事主要車輛。2010年上半年，全國共發(fā)生道路交通事故99 282起，造成27 270人死亡、116 982人受傷，直接財產(chǎn)損失4.1億元。其中，發(fā)生一次死亡10人以上特大道路交通事故15起，同比增加3起，營運客車肇事10起，同比增加4起，占事故總數(shù)66.7%。

經(jīng)統(tǒng)計分析，在這些事故中客車側翻事故的死亡率是前、后碰撞事故死亡率的6倍，并且客車事故往往是造成群死群傷的特大交通安全事故，帶來許多不良的社會影響。從2011年6月開始，我國對II級和III級客車中的單層客車的上部結構強度要求成為公告強制性檢測項目，并且國內正在修訂客車側翻試驗方法標準GB/T 17578，以確?？蛙噦确踩浴?/p>

1 國內外法規(guī)標準

1.1 國外法規(guī)標準

目前，涉及到客車上部結構強度的國外法規(guī)主要有：歐洲ECE R52、ECE R66、ECER107、2001/85/EC，美國FMVSS 208、FMVSS 216、FMVSS 220，澳大利亞ADR 59/00，南非SANS 1563，印度AIS-031等。由于歐洲是最早研究和實施客車上部結構強度要求的，相對來講歐洲的法規(guī)比較全面和完善，許多國家（澳大利亞、南非、印度、中國等）對客車上部結構強度的法規(guī)都是在ECE R66的基礎上修改制定的，因此ECE R66在國際上影響最大，適用范圍也最廣泛。

ECE R66法規(guī)經(jīng)過不斷修訂，現(xiàn)在已有3個系列版本，R66-00系列于1986年12月1日發(fā)布實施，現(xiàn)在使用得較少，我國的GB/T 17578-1998《客車上部結構強度的規(guī)定》就是等效采用該系列中整車側翻試驗部分，現(xiàn)在正在按照R66-01系列修訂為GB 17578；R66-01系列于2005年11月9日開始實施，現(xiàn)在使用最多，占出口認證的絕大部分；R66-02系列于2010年8月19日開始實施，該系列僅在01系列的基礎上，增加了16座以上的B級客車對上部結構強度的要求，技術要求和試驗方法上沒有變化。

1.2 國內法規(guī)標準

國內涉及對客車上部結構強度規(guī)定的法規(guī)主要有：GB/T 17578-1998《客車上部結構強度的規(guī)定》、GB 13094-2007《客車結構安全要求》、GB 18986-2003《輕型客車結構安全要求》和GB 24407-2009《專用小學生校車安全技術條件》等。其中，GB 18986-2003主要是對客車頂部強度的要求；GB 13094-2007雖然增加了對客車上部結構強度的要求，但是主要是引用GB/T 17578-1998的相關規(guī)定，而GB/T 17578-1998主要參照ECE R66-00版本制定，只認同整車側翻試驗一種形式，鑒于試驗成本高、認證方法單一、不可重復操作等原因，現(xiàn)正完全按照ECE R66-01進行修訂；GB 24407-2009里面明確規(guī)定專用小學生校車要滿足上部結構強度的要求，此部分規(guī)定于2012年1月1日起正式實施。這些法規(guī)的修訂和實施，能很好地反映我國在客車上部結構安全性方面的重視程度，并且正在不斷地加大執(zhí)行力度，為我國客車被動安全性的提高起到很大的推動作用。

2 側翻試驗技術分析

客車側翻試驗是檢驗客車側翻時上部結構安全性能最直觀、有效的方法，歐美等汽車發(fā)達國家早在1986年就強制性要求，我國只在1998年制訂的GB /T 17578標準中定為推薦性要求。相比較而言，我國在這方面的研究要滯后發(fā)達國家20多年。隨著我國客車近幾年出口率的增加，國內各大型客車企業(yè)紛紛開展了客車側翻試驗和出口認證方面的研究。到目前為止，國內開展的客車側翻出口認證試驗大多是按照ECE R66-00和ECE R66-01要求進行。而GB 13094-2007中規(guī)定自2011年2月1日開始強制執(zhí)行對客車上部結構強度要求，因此今年國內開始按照GB/T 17578-1998《客車上部結構強度的規(guī)定》進行客車側翻公告試驗的數(shù)量驟然增加。

重慶車輛檢測研究院國家客車質量監(jiān)督檢驗中心按照GB 13094-2007《客車結構安全要求》和GB/T 17578-1998對客車上部結構強度的要求，僅在2011年6月份就順利完成了16款國產(chǎn)客車側翻公告檢測試驗（見圖1）。

通過對比ECE R66（前者）和GB/T 17578-1998（后者），可以發(fā)現(xiàn)兩者在試驗方法上存在著明顯區(qū)別：

1）前者要求在有安全帶的座位上加載和鎖止懸架，而后者對此沒有要求；

2）前者要求對客車質心加以測量，后者沒有要求；

3）前者除了整車側翻試驗的基本認證方法外，還有車身段側翻試驗、車身段準靜態(tài)負荷試驗、根據(jù)測試部件進行的準靜態(tài)計算和整車計算機模擬側翻試驗等4種等效認證方法，而后者只有整車側翻試驗一種認證方法。

據(jù)國家客車質量監(jiān)督檢驗中心所做過的幾十例出口認證試驗與國內公告試驗統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，前者通過率約為90%，而后者通過率約為98%。正是由于試驗方法的差異導致了不同的試驗結果，主要原因有以下兩點：

1）前者要求測試車輛為有效質量（整備質量與有安全帶座椅上的配重之和），車輛基準能量比未加載的車輛更大，同時懸架鎖止使車身和底盤成為整體，加大了側翻后車輛上部結構的變形量。

2）后者僅要求測試的車輛為整備質量，沒有加載，而且懸架不鎖止。不加載可以保證車輛有較小的基準能量，懸架不鎖止可以保證車輛側翻過程中車身有一定程度的傾斜（未完全垂直試驗臺），從而使車輛質心降低，車輛的基準能量減小，進而減小了翻倒后車輛變形量。

為了與國際接軌，制定出可行性較強的法規(guī)早已是行業(yè)的大勢所趨。對此，國家客標委聯(lián)合國內客車企業(yè)、高等院校、研究院所和檢測機構等18家單位，正完全按照ECE R66-01版本要求，對GB/T 17578-1998進行修訂，預計修訂工作在2011年底完成，屆時認證方法增至5種，與ECE R66-01完全相同。

正是由于目前國標只有整車側翻試驗一種認證方法，使得國內開展整車側翻試驗的雖逐漸增多，但是開展ECE R66中規(guī)定的其他四種等效認證研究的相對很少。從國內某些客車企業(yè)和研究機構依據(jù)ECE R66完成的客車車身截段試驗來看，較多出現(xiàn)焊縫開裂、立柱變形較大，生存空間侵入量過大等現(xiàn)象。國外在這方面已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗，開展的試驗較為成功，如圖２、圖3所示，并在提高客車上部結構安全性方面提供了強有力的輔助分析手段和方法。

3 側翻仿真技術分析

客車側翻試驗的結果能直觀和客觀反映車身在側翻過程中是否具有足夠的強度和剛度，以驗證乘員是否有足夠的生存空間，從而確定是否能有效保護乘員的生命安全。由于客車整車側翻試驗存在費用昂貴、試驗周期長、不可重復等缺點，許多廠家在沒有十足的把握下不會輕易做整車側翻試驗。利用計算機仿真研究客車側翻，不僅可以縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，節(jié)約試驗費用，而且在仿真精度滿足要求的情況下，對客車的設計、生產(chǎn)以及安全性評價等起到了很好的指導作用，正好彌補了整車試驗的不足，成為眾多企業(yè)和研究機構使用最多的研究方法。

目前我國在客車側翻的計算機仿真研究方面越來越成熟，仿真模型越來越接近實際，分析結果與試驗數(shù)據(jù)的一致性也越來越好。但是，從公開發(fā)表的文獻資料來看，國內對客車側翻的仿真研究大多數(shù)都是按照法規(guī)進行整車側翻分析，對客車車體截段的仿真研究較少，研究的對象主要集中在上部結構強度、剛度等方面，對放置假人模型的客車側翻乘員損傷研究尚不多見。國外在有限元模型的建立、模型的驗證、假人模型的安放、試驗與仿真的結合、評價方法的選取等方面進行了較深入的研究，取得了豐富的經(jīng)驗。尤其在客車車身截段側翻的試驗和仿真方面，如圖4所示，相比整車的試驗和仿真具有較好的可操作性和經(jīng)濟性。

仿真必然要驗證數(shù)學模型的準確性，在最新的GB 17578報批稿中規(guī)定要在實際車輛結構上進行試驗以證明數(shù)學模型的有效性和驗證該模型中的假設。選取用于測試的部位主要是車身骨架的連接部位，包括焊接、螺栓連接以及角支撐部位等。試驗方法是截取連接部位，對其施加靜態(tài)或動態(tài)載荷，使構件發(fā)生彎折或斷裂等破壞，測試連接部位的變形或破壞模式，數(shù)學模型采用同樣的工況進行比較，驗證部件模型的有效性或模型中的假設。

所以，盡管仿真研究較試驗研究有明顯的優(yōu)勢，但是采用計算機仿真分析并不意味著放棄試驗技術。模擬計算階段得到的結果只是對客車結構安全性的預先估計，只有最終的產(chǎn)品試驗才能真實反映客車發(fā)生側翻時的變形過程，并且模型中的有些參數(shù)要根據(jù)相關的試驗才能獲得，模型的正確性還要通過實車試驗來驗證。因此，試驗與仿真的關系是相輔相成的，在今后相當長一段時期內，以仿真分析和試驗驗證相結合的研究方法仍將會是我國客車側翻安全性研究的主要方法。

4 存在的問題探討

通過上述分析發(fā)現(xiàn)，我國對客車上部結構強度及側翻安全性的研究緊跟國際最新的法規(guī)標準和先進的試驗仿真技術，針對我國的具體情況作了相應的修改和創(chuàng)新，相關法規(guī)逐步得到健全完善，試驗和仿真技術水平逐步提高，但是仍然存在一些問題，現(xiàn)對這些問題進行初步探討。

1）試驗研究方面

GB 17578報批稿中已將車身截段側翻試驗確定為等效認證方法之一，相比整車側翻試驗而言，這種試驗方法有更多的時間和成本優(yōu)勢，不久將會是客車側翻安全性試驗研究的重點。另外，許多歐洲國家（如英國、法國、西班牙、比利時、匈牙利、捷克等）制造商在選擇ECE R66認證方法上主要為準靜態(tài)計算，只有德國、荷蘭主要采用整車側翻的計算機仿真分析，這對我國客車制造商今后選擇和研究認證方法方面提供了重要參考。

2）仿真研究方面

我國開展的客車側翻安全性的仿真研究，在客車模型上多數(shù)為車身骨架的簡化模型，略去了許多的附屬部件，這樣就忽略了車身薄殼對整體車身結構的加強作用，計算出的車身結構強度和剛度是偏于保守的，同時對分析車身結構的動態(tài)性能也帶來一定的誤差。因此，我們還應加大力度建立客車的精細化模型，使得仿真結果更加接近試驗數(shù)據(jù)，更好地指導試驗研究和產(chǎn)品開發(fā)。另外，我們在車身截段側翻仿真研究方面尚不深入，缺乏更多試驗數(shù)據(jù)的驗證和指導。為了研究客車側翻時的乘員損傷情況和運動軌跡，在車內放置假人模型的側翻試驗及仿真研究在國內尚未見到，這些都是我國目前面臨和急需解決的問題。

3）評價方法方面

在試驗評價方面，為了在試驗結束后具體評價車輛結構的安全性能，現(xiàn)在檢測機構使用最多的就是變形規(guī)和高速攝像機。套筒式變形規(guī)利用中間桿的位移量的多少來確定變形量，但不能測量立柱對應點的最大變形情況，無法提供其他點的變形信息。框架式變形規(guī)能夠直觀看出對應立柱發(fā)生最大變形時的生存空間的距離，但是安裝較復雜。國家客車質量監(jiān)督檢驗中心自行設計并且目前使用最多的單側式變形規(guī)，只在翻倒側安裝，不僅安裝方便，也能直接顯示出對應主柱間的變形量，得到國外多個認證專家的認可和贊揚，值得推廣和借鑒。

在仿真評價方面，生存空間評估角法難以準確反映生存空間受到入侵的情況，接觸力式評價法只能從整體上判斷生存空間被侵入的程度，穿透式評價法能定量分析生存空間受入侵程度，但不能反映頂部的變形情況，基于截斷數(shù)字模型各PH的上部結構強度評價方法能定量分析上部結構的變形量，且能依據(jù)結構強度變形指數(shù)給出星級等級評價，更便于了解車輛上部結構強度，值得推廣使用。

5 結束語

為了更好地滿足即將發(fā)布的GB 17578對客車上部結構強度的要求，國內各大客車企業(yè)早已加強了對客車上部結構強度的研究力度。盡管現(xiàn)在還有較多尚未解決的問題，但是隨著各類側翻試驗與仿真的廣泛開展，相關法規(guī)標準的健全和完善，以及相關技術水平的提升，客車側翻導致的乘員傷亡率必將顯著降低，國內客車被動安全性也定會顯著提升。

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