藍(lán)平輝，韓　勇，彭　倩，王　方，紀(jì)碧端

(1.廈門理工學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院，福建 廈門 361024；2.廈門金龍旅行車有限公司，福建 廈門 361006)

某校車頂部抗壓試驗(yàn)及仿真分析

藍(lán)平輝1，韓勇1，彭倩1，王方1，紀(jì)碧端2

(1.廈門理工學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院，福建 廈門 361024；2.廈門金龍旅行車有限公司，福建 廈門 361006)

為更好地評價(jià)專用校車頂部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，提高校車頂部抗壓性能，基于校車國家新標(biāo)準(zhǔn)GB24407—2012《專用校車安全技術(shù)條件》，建立整車有限元仿真模型.基于均勻加載方法定義頂部抗壓邊界條件，分析頂部結(jié)構(gòu)的能量吸收特性并與實(shí)車頂壓試驗(yàn)進(jìn)行對比，驗(yàn)證了模型的有效性.仿真分析表明：校車頂部結(jié)構(gòu)變形較小，應(yīng)力分布均勻，上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較好；各項(xiàng)法規(guī)評價(jià)指標(biāo)誤差在10%以內(nèi).仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致性較好，本研究可為校車后期安全性評價(jià)及結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供參考方法.

專用校車;頂部結(jié)構(gòu)；抗壓性能；有限元方法

隨著國家經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，城市化水平不斷提高，農(nóng)村人口“空心化”程度也在加劇[1-2]，伴隨而來的是城市兒童上下學(xué)道路擁擠問題及農(nóng)村學(xué)校合并問題，導(dǎo)致城市交通緊張和農(nóng)村學(xué)生上下學(xué)回家距離加大[3].校車成為了解決這些問題的關(guān)鍵，然而近年來“校車”事故頻繁發(fā)生[4-7]，校車安全問題日益突出.2012年，國家相關(guān)部門發(fā)布了我國校車領(lǐng)域的第一部強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)GB24407—2012《專用校車安全技術(shù)條件》[8](以下簡稱《條件》)，標(biāo)準(zhǔn)要求校車生產(chǎn)企業(yè)對校車進(jìn)行安全性評估并驗(yàn)收合格后方可允許上市.新標(biāo)準(zhǔn)頒布后，國內(nèi)各高校及科研機(jī)構(gòu)聯(lián)合校車生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行了各種安全性研究.張燕君等在傳統(tǒng)TTR側(cè)翻中利用T-S模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法得到了較為準(zhǔn)確的側(cè)翻預(yù)警方法，研究有利于改善校車的行駛安全性[9].宋佳等利用有限元軟件考慮側(cè)翻安全性對某校車上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，對校車制造具有一定的指導(dǎo)意義[10].黃登峰按照最新標(biāo)準(zhǔn)，利用有限元軟件研究了某長頭型校車的側(cè)翻安全性，然后優(yōu)化[11].目前，校車上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全性研究主要集中在側(cè)翻試驗(yàn)方面，較少有關(guān)于校車頂部抗壓強(qiáng)度方面研究的突破.多數(shù)情況下，校車直接頂部抗壓不足所導(dǎo)致的交通事故損失更為嚴(yán)重，抗壓結(jié)果更直接地反應(yīng)校車頂部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的優(yōu)劣.本文利用有限元方法對某校的車身骨架進(jìn)行詳細(xì)建模，基于最新校車的專用標(biāo)準(zhǔn)要求建立頂部抗壓強(qiáng)度的工況及邊界條件，然后進(jìn)行頂壓仿真試驗(yàn)及分析.通過對數(shù)據(jù)的分析處理及頂壓實(shí)車試驗(yàn)，驗(yàn)證模型的有效性，通過指出試驗(yàn)中出現(xiàn)的缺點(diǎn)，為后續(xù)研究、企業(yè)生產(chǎn)、法規(guī)修正提出參考意見.

1　校車仿真模型的建立

1.1校車模型的建立

利用三維幾何建模軟件建立校車外圍總體骨架模型．校車三維幾何模型車身外形長5 543mm，寬2 103mm，高2 831mm，主要包括車輪、車身封閉結(jié)構(gòu)及底盤總成等(如圖1所示).

有限元模型是在適當(dāng)?shù)貙π＼嚾S模型進(jìn)行簡化[12-13]處理后采用Hypermesh?模塊對整車骨架進(jìn)行網(wǎng)格劃分，同時(shí)，安裝有企業(yè)生產(chǎn)的配套校車安全座椅.網(wǎng)格劃分尺寸為10mm，模型車身骨架、座椅骨架、加強(qiáng)板支撐架和地板等構(gòu)件主要采用四邊形和少量的三角形單元模擬，座椅海綿座墊采用六面體及少量四面體模擬.模型總單元數(shù)為1 109 851，節(jié)點(diǎn)數(shù)為1 056 422.圖2為放置了校車專用座椅的整車有限元模型.

1.2 材料參數(shù)與校車頂壓工況建立

車身結(jié)構(gòu)為承載式，車身骨架桿件采用Q235和Q345普通彈塑結(jié)構(gòu)鋼，車身材料特性如表1所示.

表1　車身材料特性

1.3優(yōu)化變量的選取

根據(jù)《條件》[8]中校車頂部抗壓試驗(yàn)方法要求，在校車頂部仿真一長寬至少能夠覆蓋乘員區(qū)域的鋼性平板(如圖3所示).在試驗(yàn)中利用LS-DYNA模塊中*BOUNDARY_PRESCRIBED_MOTION關(guān)鍵字卡片定義剛性板以1mm/ms的速度垂直向下運(yùn)動(dòng)，給車身骨架施加均勻載荷[14-15]，直至達(dá)到校車整備質(zhì)量的1.5倍載荷，并保持至少5s變形穩(wěn)定時(shí)間[16-17].為保證剛性板向下運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的力完全作用于整車車身結(jié)構(gòu)和消除懸架及輪胎變形，對四個(gè)車輪剛性化后施加全自由度約束的同時(shí)在車身底盤縱梁多處進(jìn)行完全約束[18-19].給整個(gè)工況施加一重力場9.81m/s2，計(jì)算時(shí)間控制為100ms.文中所建立的頂部抗壓工況所涉及到的接觸如表2所示.

表2　仿真中的接觸

2　校車頂壓仿真分析

2.1頂壓法規(guī)評價(jià)

根據(jù)《條件》要求[9]，文中試驗(yàn)時(shí)，剛性板以1mm/ms的加載速度均勻垂直向下運(yùn)動(dòng)，隨著時(shí)間的推移，加載力不斷增加.從圖4可以得知，當(dāng)t=0.025s時(shí)校車頂部結(jié)構(gòu)受到整車準(zhǔn)備質(zhì)量的1.5倍載荷，t=0.09s時(shí)校車整車已經(jīng)在超過額定1.5倍整車準(zhǔn)備質(zhì)量載荷下維持了0.065s(折合標(biāo)準(zhǔn)要求13mm/s下穩(wěn)定5s要求).仿真結(jié)束后，將校車的各項(xiàng)指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)進(jìn)行對比，如表3所示.

表3　法規(guī)評價(jià)項(xiàng)

2.2 仿真吸能分析

在前期的頂部抗壓工況建模經(jīng)計(jì)算完成后，可以從有限元后處理軟件Hyperview模塊中導(dǎo)出計(jì)算仿真能量變化結(jié)果，如圖5所示.

從圖5可以看出：在均勻速度鋼性板作用下的車體骨架，內(nèi)能與總能量不斷增加，動(dòng)能基本保持恒定；沙漏能也隨鋼板的向下運(yùn)動(dòng)不斷增加，在t=0.1s時(shí)，沙漏能最大為1.49×105J/s，此時(shí)整車的總能量為2.46×107J/s；沙漏能占總能量的0.61%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于失真可能的5%要求[10]；各種能量變化趨勢基本保持穩(wěn)定狀態(tài)，仿真結(jié)果可信度較高.

2.3 頂壓動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析

校車頂壓工況的不同時(shí)刻變形云圖如圖6所示.觀察各時(shí)刻校車頂壓變形云圖發(fā)現(xiàn)，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，頂部首先受到不斷增大的外力作用，變形逐漸增加.隨后外力向車身側(cè)圍及前部結(jié)構(gòu)傳遞，形成了以上部頂蓋受力變形集中區(qū)向外圍均勻輻射的中心面形式.此外，從整車的最大位移量可以發(fā)現(xiàn)：在試驗(yàn)過程中，即使在變形較為嚴(yán)重的區(qū)域(頂部中前部結(jié)構(gòu)和車身側(cè)圍支撐立柱)，加載板給頂部施加的載荷并未造成上部結(jié)構(gòu)及側(cè)圍立柱嚴(yán)重塌陷、壓潰現(xiàn)象，乘客門、應(yīng)急門、應(yīng)急窗和撤離艙口保持完好.

2.4校車頂壓實(shí)車驗(yàn)證

將準(zhǔn)備試驗(yàn)的校車放置在頂壓試驗(yàn)臺(tái).為避免試驗(yàn)中車輪對試驗(yàn)結(jié)果的影響，試驗(yàn)前，在校車縱梁多處利用千斤頂支撐并固定.試驗(yàn)時(shí)，通過給上部承載板緩慢添加一定質(zhì)量的物件直至達(dá)到校車整備質(zhì)量的1.5倍載荷，并保持一定的穩(wěn)定變形時(shí)間(如圖7).試驗(yàn)后，對校車變形情況進(jìn)行測量.測量結(jié)果如文中表3所示，誤差范圍控制在10%左右.同時(shí)，車身結(jié)構(gòu)承受規(guī)定的載荷后，結(jié)構(gòu)完整，車門沒有開啟，車身與底架沒有分離.實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合，具有較好的車身上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度.

3　結(jié)論

本文利用有限元方法對某款專用校車，依據(jù)最新的校車專用標(biāo)準(zhǔn)條件進(jìn)行校車頂部抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和模擬，結(jié)果發(fā)現(xiàn)模擬的過程較好地反應(yīng)了真實(shí)的試驗(yàn)情況,并結(jié)合校車實(shí)車頂部抗壓試驗(yàn)的結(jié)果，驗(yàn)證了前期有限元模擬的準(zhǔn)確性.頂部抗壓仿真分析具有較好的工程適應(yīng)性和指導(dǎo)性，有利于縮短校車實(shí)車開發(fā)周期，降低研發(fā)成本.同時(shí)，通過此次研究結(jié)果可得知頂壓過程中在車身側(cè)圍立柱及車頂中前部結(jié)構(gòu)變形較為嚴(yán)重，可以作為對后續(xù)校車結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案的擬定提供參考及為校車頂部抗壓試驗(yàn)法規(guī)的各項(xiàng)試驗(yàn)條件及評價(jià)方案的修改完善提供意見和建議.

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(責(zé)任編輯李寧)

Compression Test on a Bus Top and Analysis of Simulation Experiments

LAN Ping-hui1，HAN Yong1，PENG Qian1，WANG Fang1，JI Bi-Duan2

(1.SchoolofMechanical&AutomotiveEngineering,XiamenUniversityofTechnology,Xiamen361024,China；2.XiamenGoldenDragonVanCo.Ltd.，Xiamen361006,China)

Inordertogiveagoodevaluationofthetopstructurestrengthofschoolbusandimprovethepassivesafetyperformanceofitstopcompressivestrength,afiniteelement(FE)modeloftheschoolbuswasdevelopedbasedontheRegulationGB24407—2012 “TechnicalSpecificationsforSafetyofSchoolBuses”.Thecompressiveboundaryconditionsoftheschoolbusweredefinedonuniformloadingapproach.Themodelwasvalidatedbycomparingthetopstructureenergyabsorptionfeatureswiththeexperimentalresultsoftheschoolbus.Thesimulationresultsshowsmalltopdeformation,uniformstressdistribution,goodstructuralstrengthonupperpart,evaluationerrorlessthan10%forregulations,andgoodagreementbetweentestresults.TheFEmodelcanbeusedforsafetyevaluationandstructureimprovementoftheschoolbus.

schoolbus;topstructure;compressiveproperties;finiteelementmethod

2014-12-23

2015-01-23

國家自然科學(xué)青年基金項(xiàng)目(31300784) ；廈門理工學(xué)院對外合作科技項(xiàng)目(DW12006)；廈門市科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目( 2014S0898)

藍(lán)平輝(1990-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)槠嚤粍?dòng)安全．通訊作者： 韓勇(1984-)，男，副教授，博士，研究方向?yàn)槠嚺鲎舶踩?、人體損傷生物力學(xué)、兒童乘員安全等．E-mail：yonghan@xmut.edu.cn

U461.91A

1673-4432(2015)01-0013-05