王 煜， 汪中傳, 郭 悅

(安徽安凱汽車股份有限公司， 合肥 230051)

隨著公共交通出行和旅游業(yè)的快速發(fā)展，客車行業(yè)進(jìn)入到了高速發(fā)展階段，同時(shí)大家也越來(lái)越重視客車的安全性能[1]。由于其載客數(shù)量多，一旦發(fā)生嚴(yán)重車禍，就會(huì)出現(xiàn)群死群傷的后果。客標(biāo)委快速做出反應(yīng)，發(fā)布了《客車前部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求及試驗(yàn)方法》征求意見(jiàn)稿。本文通過(guò)對(duì)10.5 m公路客車進(jìn)行仿真分析，研究正面碰撞后假人各要求部位的傷害值，并進(jìn)行改進(jìn)。

1 整車有限元建模

基于該客車的三維模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，并根據(jù)CAE有限元分析模型簡(jiǎn)化原則[2-3]，對(duì)該車有限元模型進(jìn)行正確合理的簡(jiǎn)化處理。

客車底架、前后圍、側(cè)圍以及頂蓋主要由矩形管拼接而成，形狀較規(guī)則，故對(duì)其抽殼采用2D殼單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格。推力座、前后橋中的一些零部件由于其厚度較大，一般超過(guò)了10 mm，故采用3D實(shí)體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格。其余如發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、離合器等較復(fù)雜的零部件，對(duì)其表面劃分網(wǎng)格后進(jìn)行厚度偏置。整車骨架網(wǎng)格大小采用10 mm劃分，蒙皮、玻璃等形狀較規(guī)整的采用20 mm劃分。具體整車FE模型信息如下：滿載質(zhì)量15.6 t；質(zhì)心位置(X,Y,Z)3 480，-3，1 400；整車節(jié)點(diǎn)數(shù)4 120 568；整車單元數(shù)5 653 526。

在整車的連接中，矩形管或者鋼板連接主要采用節(jié)點(diǎn)融合，并管采用1D剛性單元RigidBody連接；整車玻璃采用膠粘方式連接，膠粘類型選擇adhesive(shell gap)；蒙皮與車身采用焊接方式連接，焊接類型選擇mat100(hexa)；各零部件之間的運(yùn)動(dòng)副采用與實(shí)際運(yùn)動(dòng)相符的鉸鏈連接；動(dòng)力總成、空調(diào)等零部件與車身骨架連接采用關(guān)鍵字*CONSTRAINED_RIGID_BODIES進(jìn)行連接[4]；為了能更真實(shí)地模擬輪胎內(nèi)部充氣的影響，需要在輪胎內(nèi)部建立一個(gè)airbag氣囊模型，該氣囊由其四周封閉單元組合定義一個(gè)contactsurfs[5]。整車有限元模型如圖1所示。

圖1 整車有限元模型

為了后續(xù)優(yōu)化的方便，將模型以不同零部件的形式分成各個(gè)子k文件，最終由master總文件利用關(guān)鍵字 *INCLUDE將其整合。

網(wǎng)格劃分完畢后，由于內(nèi)外飾、電器等未建模的部件以及底盤(pán)、動(dòng)力總成等較復(fù)雜的零部件采用表面劃分網(wǎng)格的均需對(duì)其進(jìn)行配重，最終使模型的質(zhì)心與整備車輛的質(zhì)心相同。其中內(nèi)外飾、電器等采用均布質(zhì)量點(diǎn)的配重方式，底盤(pán)和動(dòng)力總成等部件采用集中質(zhì)量點(diǎn)的方式進(jìn)行配重。

前述征求意見(jiàn)稿要求客車應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度，計(jì)算機(jī)模擬整車碰撞試驗(yàn)中采用的假人為Hybrid III 50%的假人模型。根據(jù)乘客座椅在車輛上的布置情況，規(guī)定在車輛緊鄰前部約束隔板的第一排乘客座椅的每個(gè)座位，第二排左側(cè)靠窗的座位，第三排更靠前的一側(cè)乘客座椅的每個(gè)座位，各安放一個(gè)假人。根據(jù)該車的座椅布置，放置假人后的人員布置如圖2所示。

圖2 假人放置情況

考慮到假人的實(shí)際重量會(huì)使得座椅面有一定凹陷變形，故下一步進(jìn)行座椅變形處理，最后對(duì)假人的其他部位進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得假人符合實(shí)際坐姿。

當(dāng)假人的位置調(diào)整完畢后，進(jìn)行安全帶的綁定。該車包括駕駛員在內(nèi)的前三排乘客均采用三點(diǎn)式安全帶，故仿真中假人全部利用Primer軟件進(jìn)行三點(diǎn)式安全帶的建模。

在安全帶建模過(guò)程中，為了防止在碰撞過(guò)程中卷軸器Retractor中的1D單元過(guò)短而導(dǎo)致計(jì)算終止，將卷軸器Sbelt rows inside參數(shù)調(diào)整為50，以便1D單元在碰撞中有足夠的伸長(zhǎng)量；同樣為了防止滑環(huán)Slipring的1D單元過(guò)短，將滑環(huán)兩邊的1D單元替換成2D單元，這樣在后續(xù)計(jì)算中避免因安全帶1D單元過(guò)短而導(dǎo)致計(jì)算終止。安全帶的其他參數(shù)均按供應(yīng)商提供的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。

2 正面碰撞仿真分析

根據(jù)征求意見(jiàn)稿要求，將在仿真系統(tǒng)中建立剛性墻，其方向與試驗(yàn)車輛行駛方向相對(duì)，一般仿真中的剛性墻類型選擇RWPlanar，此剛性墻在仿真中為無(wú)邊界剛性墻[6]?？紤]到仿真計(jì)算時(shí)間的問(wèn)題，將剛性墻建立在車輛前方5 mm左右即可，以此來(lái)縮短車輛行駛過(guò)程中的計(jì)算時(shí)間。利用關(guān)鍵字 *DEFINE_BOX將整車放置其中，賦予盒子速度為30 km/h即 8 333.333 mm/s，此狀態(tài)為正面碰撞仿真的初始狀態(tài)。設(shè)置碰撞持續(xù)時(shí)間為120 ms，2 ms輸出一個(gè)動(dòng)畫(huà)結(jié)果。此外需對(duì)整車和剛性墻作接觸定義，用關(guān)鍵字*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE對(duì)整車進(jìn)行自接觸定義，利用關(guān)鍵字*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE對(duì)整車與剛性墻作面對(duì)面的接觸定義[7]。碰撞仿真初始狀態(tài)如圖3 所示。

圖3 碰撞仿真初始狀態(tài)

設(shè)置完畢后，利用LS_DYNA進(jìn)行求解計(jì)算，將結(jié)果文件中的d3plot用后處理軟件HyperView打開(kāi)，查看整個(gè)碰撞的過(guò)程動(dòng)畫(huà)，120 ms時(shí)碰撞車輛的狀態(tài)如圖4所示。

圖4 120 ms時(shí)的碰撞狀態(tài)

查看仿真中的能量曲線圖，得到能量守恒，沙漏能、滑移能均小于總能量的5%，可判斷此仿真的有效性[8]。

仿真計(jì)算后，打開(kāi)編制好的tpl文件，導(dǎo)入結(jié)果文件中的binout文件可查看假人的各部位傷害值情況。具體各部位傷害值曲線圖見(jiàn)下文改進(jìn)前后對(duì)比圖，虛線為改進(jìn)前傷害值曲線。頭部傷害值HIC最大值達(dá)到962.398，超過(guò)“征求意見(jiàn)稿”中的最大允許指標(biāo)500；頸部剪切傷害符合“征求意見(jiàn)稿”中的要求，拉伸傷害大于限值曲線，不符合要求，頸部對(duì)Y軸彎矩在伸張方向最大達(dá)到60.43 kN，超過(guò)最大值要求；由于方向盤(pán)在碰撞過(guò)程中撞擊了胸部，故胸部3 ms加速度達(dá)到了134.7g[9-10]，遠(yuǎn)超“征求意見(jiàn)稿”要求值；左腿受力最大值為6.9 kN、右腿受力最大值為9.98 kN，小于10 kN的要求，且滿足持續(xù)作用時(shí)間大于20 ms時(shí)，受力均小于8 kN的要求，所以大腿受力符合“征求意見(jiàn)稿”規(guī)定的要求。

3 改進(jìn)

從仿真后的結(jié)果得到，客車正碰后頭部、頸部、胸部均不符合意見(jiàn)稿的要求，只有大腿的受力符合要求。通過(guò)仿真動(dòng)畫(huà)看出，方向盤(pán)在正面碰撞過(guò)程中撞擊人體胸部是導(dǎo)致傷害值不符合要求的主要原因，而客車正碰主要依靠前圍及底架前段進(jìn)行吸能。通過(guò)以上分析，改進(jìn)主要從以下兩個(gè)方面進(jìn)行考慮：

1) 結(jié)構(gòu)優(yōu)化。前圍部分縱梁和底架前段相對(duì)較為薄弱，導(dǎo)致前圍侵入過(guò)多，所以應(yīng)加強(qiáng)縱向結(jié)構(gòu)，減小方向盤(pán)的撞擊力度。在備胎支架的下端及兩側(cè)骨架增加縱梁，底架前段第一片梁增加縱梁結(jié)構(gòu)，縱梁桁架增加相應(yīng)斜撐。

2) 材料優(yōu)化。前圍碰撞件材料主要由Q345和Q235組成，Q345比Q235材料強(qiáng)度較強(qiáng)，所以主要縱梁吸能件盡量采用Q345材料。

改進(jìn)后再次進(jìn)行仿真計(jì)算，得到的各項(xiàng)指標(biāo)見(jiàn)表1，除胸部加速度稍高于要求外，其余均已達(dá)標(biāo)。改進(jìn)前后的結(jié)果對(duì)比如圖5到圖8所示。

表1 改進(jìn)后各項(xiàng)指標(biāo)結(jié)果

圖5 改進(jìn)前后頭部加速度曲線對(duì)比圖

(a) 改進(jìn)前后頸部伸張力對(duì)比

(b) 改進(jìn)前后頸部剪切力對(duì)比

(c) 改進(jìn)前后頸部對(duì)Y軸彎矩在伸張方向?qū)Ρ?/p>

圖7 改進(jìn)前后胸部合成加速度曲線對(duì)比圖

(a) 改進(jìn)前后左大腿受力對(duì)比

(b) 改進(jìn)前后右大腿受力對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于LS_DYNA對(duì)該車型依據(jù)《客車前部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求及試驗(yàn)方法》征求意見(jiàn)稿進(jìn)行正面碰撞仿真分析研究。由仿真結(jié)果分析得出頭部、頸部、胸部均不符合要求，對(duì)該車的前圍、底架前段結(jié)構(gòu)以及材料進(jìn)行改進(jìn)后基本達(dá)到意見(jiàn)稿要求。