客車側(cè)翻的結(jié)構(gòu)安全性仿真研究

1、客車側(cè)翻的結(jié)構(gòu)安全性仿真研究     客車側(cè)翻的結(jié)構(gòu)安全性仿真研究摘要：側(cè)翻是客車道路交通事故的主要形態(tài)之一，車頂塌陷、解體等侵入性變形能夠造成嚴(yán)重的人員傷亡。利用有限元仿真的方法研究客車側(cè)翻的結(jié)構(gòu)安全性，對影響因素進(jìn)行分析，并提出改進(jìn)意見。研究的結(jié)果對客車的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)以及安全性評價(jià)具有指導(dǎo)作用。關(guān)鍵詞：客車；側(cè)翻；有限元仿真中圖分類號：U46191文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：100060006(2008)050007002 SiltouyonCocrcueSfto-ovrmuainStdahStutraeyfrRollleLChni，S in-n

2、ae，ZHOUWeIrgpig，ZHAOK n (1ShoonrrnoeEgneigInnnrnoinvriyoehooyHuht1000，hn；colfEeadPwrniern，. eMoglaUiestfTcnlg，. ho051Cia2eerhIsiueogwyMiityoomuiain，ejn，hn)RsacntttfHihansrfCmnctosBiig10000888CiaAbsrtollloesoeohiricietfrorcahivsveortouhauesrcuetac：R vrinftemantafffcacdnomsfoc，naiedfmainscssprtutrdisa

3、sssemblyorsinkislikelytOcauseseverepasssengerscasualtyThepaperresearchesrollloverusingFE simulation，analyzes inluecatrfocrmereuitnrpssirvblpnonwhcaeoudnetfoceinngfnefcoocahfawokscryadpooempoaeoii，. ihrfgiigefffcorcahdsgi，. manfcueadscitetmainuatrneurysito. Keywords：Cah；Rol lloe；F iltoocvrESmuain據(jù)歷年道

4、路交通事故統(tǒng)計(jì)分析.，客車的碰撞、側(cè)翻和墜落(墜崖、墜河)是造成“群死群傷”重大交通事故的主要原因。提高客車車身結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度，確保最大生存空間以保護(hù)乘客生命安全，具有重要意義?？蛙噦?cè)翻試驗(yàn)是從總體上對客車車身結(jié)構(gòu)安全做評價(jià)，是檢驗(yàn)客車上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和被動安全性的最直接、最有效的方法。由于客車實(shí)車側(cè)翻試驗(yàn)成本高、工作量和難度較大等原因，“客車上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的規(guī)定”(GBT1757819998)(以下簡稱“規(guī)定”)尚未強(qiáng)制執(zhí)一，仃.。圖1客車側(cè)翻示意圖 計(jì)算機(jī)模擬仿真試驗(yàn)可以在客車產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)過程中減少試制Fig. ecahRollloe1SkthMapofCoc-vr和實(shí)車試驗(yàn)次數(shù)，且費(fèi)用較低、

5、重復(fù)性好。本文在建立客車有限元模圖中CG，CG，CG分別是客車不同位置時(shí)的重心位置。如果按型的基礎(chǔ)上對客車側(cè)翻進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，并從車身結(jié)構(gòu)變形、碰撞加照“規(guī)定”介紹的方法進(jìn)行設(shè)置，從CG到CG期間，將花費(fèi)大量的時(shí)速度方面進(jìn)行了分析，針對暴露的問題提出了改進(jìn)意見。間，而這些時(shí)間對后續(xù)車身結(jié)構(gòu)安全性分析貢獻(xiàn)不大。為了節(jié)約計(jì)1有限元建模算時(shí)間，提高精度，設(shè)置初始速度時(shí)，采用了如下簡化方法：. 客車車身外部尺寸為1030nnX2400mmX330mm。客車I)計(jì)算客車臨界側(cè)翻時(shí)的初始能量5lll5發(fā)生側(cè)翻時(shí)，一些附件對承受沖擊載荷、吸能并不起明顯作用，在建ER=Mgh1=Mg(O8+(B±t

6、) (1)立模型時(shí)需要進(jìn)行簡化和設(shè)置：. 式中，為客車總質(zhì)量；l為客車臨界側(cè)翻時(shí)重心高度；曰為旋轉(zhuǎn)軸1)車身附件、備胎、電瓶等用質(zhì)量單元直接創(chuàng)建在相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上。. 到客車縱向垂直中心平面的距離；為客車重心到縱向垂直中心平面2)前橋、后橋等對整車轉(zhuǎn)動慣量影響較大的部件，用梁單元創(chuàng)建。的距離；0為客車在翻轉(zhuǎn)平臺上的重心初始位置；g為重力加速度3)輪胎對車身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度沒有影響，將輪胎設(shè)置成剛性材料，以減常數(shù)，取為9810mms。. 少計(jì)算機(jī)運(yùn)算時(shí)間。. 2)利用能量守恒原理，計(jì)算出客車轉(zhuǎn)到水平位置時(shí)的速度V。. 4)車身骨架等主要變形部件，采用多線段彈塑性材料模型來定3)利用速度、角速度轉(zhuǎn)化公式計(jì)算初

7、始角速度義，通過輸入一系列點(diǎn)坐標(biāo)的方式來定義材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線。材：_= = (2) 料的密度為78×10 k牟Dim，彈性模量為2×10MPa，泊松比為. +(B+)03，屈服極限為207MPa?？蛙囌噭澐滞昃W(wǎng)格后，共有87866個(gè)計(jì)算出初始角速度為262rads。節(jié)點(diǎn)和91045個(gè)單元?？蛙噦?cè)翻示意圖，如圖1所示。單面接觸在處理接觸區(qū)域不能提前預(yù)知的自接觸或大變形問題收稿日期：20070929基金項(xiàng)目：交通部西部交通建設(shè)科技資助項(xiàng)目(20050318222322) ··70 李臣等：客車側(cè)翻的結(jié)構(gòu)安全性仿真研究時(shí)非常有效，所以本文用它來定義模擬中所

8、有部件間的接觸，由于在碰撞中很難人工判斷殼單元發(fā)生接觸的方向，因而采用自動接觸方式，使用關(guān)鍵字. DEFINEBOX設(shè)定接觸檢查區(qū)域以節(jié)約計(jì)算時(shí)間。設(shè)置剛性墻的摩擦系數(shù)為03，計(jì)算時(shí)間步長由計(jì)算機(jī)自動設(shè)置控制。為了控制沙漏模態(tài)，設(shè)置沙漏粘性阻尼控制因數(shù)為012_4J。2車身骨架變形分析檢驗(yàn)仿真精度的重要指標(biāo)是能量守恒，要求非物理能量如沙漏能不能超過總能量的5. 5?？蛙噦?cè)翻仿真過程中沙漏能和總能量_的變化曲線如圖2所示。圖2側(cè)翻過程中沙漏能和總能量的變化曲線 Fig. anreorasEegyAnalErydrne2ChgeCuvfHouglsnrdTotneguigRolllovr由曲線可以

9、看出，沙漏能只占總能量的4，計(jì)算仿真結(jié)果精度滿足要求。客車側(cè)翻后的應(yīng)力云圖，如圖3所示。. Oonou(alsitrAnys器盛-2253E+02鐾一12S7E+029655E+01一. +。，靜. 圖3客車骨架應(yīng)力云圖. Fi. rseoamoahFawokg3StesNphgrfCocrmer可以看出，骨架上最大應(yīng)力為. 2896MPa，大于材料的屈服應(yīng)力. 207MPa，最大應(yīng)力發(fā)生在側(cè)窗立柱上部，材料進(jìn)入屈服階段，但未到達(dá)屈服極限，沒有斷裂點(diǎn)出現(xiàn)。根據(jù)“規(guī)定”要求，檢查客車側(cè)翻安全性能的一項(xiàng)主要指標(biāo)就是乘客生存空間的完整性，法規(guī)要求側(cè)翻后車身任何部分的位移都不允許侵入生存空間，生存空間

10、內(nèi)的任何部分都不能突出至變形的車身結(jié)構(gòu)外l。為方便觀察生存空間的侵入情況，截取一段完整的客車截面，并等效出這個(gè)截面內(nèi)的剩余空間(圖中虛線所示)，以查看變形后是否有車身其它部件結(jié)構(gòu)伸入到生存空間中E。. ?？蛙噦?cè)翻前后生存空間對比示意圖如圖4所示。a變形前狀態(tài)b變形后狀態(tài)圖4窨車側(cè)翻生存空間對比示意圖 Fi. nrsecosdaaeoahRolllg4CotatSkthMapfrReiulSpcfCoc從變形后的狀態(tài)可以看出，側(cè)翻后客車車身有一定程度的變形，車身立柱上部某點(diǎn)的最大變形量為. 2454mm，客車規(guī)定的乘客生存空間沒有受到侵害，表明車身結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度滿足“規(guī)定”的要求。3速度和加速

11、度分析分別計(jì)算了客車側(cè)面立柱上端某點(diǎn)的速度和加速度，其隨時(shí)間的變化曲線如圖5所示。列問sb加速度曲線圖5立柱上端某點(diǎn)的速度和加速度曲線. FieociyandAeeratinCuveoonnPolperEdg5VltcclorfSomePitieUpn對圖5所示曲線進(jìn)行分析，可得出以下結(jié)論：. 1)在00901】s期間，速度迅速下降，加速度達(dá)到最大值。說明此時(shí)客車與地面發(fā)生第一次碰撞，碰撞加速度最大值為1036g(g為重力加速度)，會對人體造成極大的傷害。這說明車體的剛度較大，立柱上部缺少足夠的吸能元件，車身上部受到的撞擊，沖擊能量很大，在極短的時(shí)間內(nèi)動量變化迅速，形成瞬時(shí)數(shù)值極高的沖擊力，車

12、身上部受此沖擊力作用在碰撞時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力超過材料的屈服應(yīng)力而發(fā)生塑性變形。. 2)在011102555s，025503S兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)，速度出現(xiàn)了兩個(gè)峰值。說明客車在第一次與地面接觸后又發(fā)生了兩次彈起，彈起后碰撞速度和加速度值較之第一次碰撞大大減小。. 3)碰撞時(shí)，車身立柱頂部的加速度值偏大，對乘客的瞬時(shí)沖擊較大，建議在車身立柱頂端適當(dāng)增加碰撞緩沖區(qū)或者選用吸收能量較好的材料以降低碰撞的沖擊力峰值。. 4)在建立客車側(cè)翻的有限元模型時(shí)做了許多簡化，車身附件以及其它一些部件或部件總成直接用質(zhì)量單元加在相應(yīng)位置的節(jié)點(diǎn)上，沒有考慮它們在碰撞過程中的吸能情況，因此可能導(dǎo)致碰撞的加速度值比實(shí)際結(jié)果大一些。4結(jié)論如果對客車全面考慮車身附件以及其它一些部件或部件總成對吸能結(jié)構(gòu)的貢獻(xiàn)，將導(dǎo)致計(jì)算規(guī)模過大甚至不能計(jì)算。因此從客車的車身骨架人手分析客車在側(cè)翻時(shí)的安全性容易實(shí)現(xiàn)其計(jì)算精度、計(jì)算規(guī)模和計(jì)算時(shí)間的協(xié)調(diào)，實(shí)際仿真也證明這是可行的。利用計(jì)算機(jī)仿真研究客車側(cè)翻，可以縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、節(jié)約試驗(yàn)費(fèi)用，在仿真精度滿足要求的情況下，可以對客車的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)以及安全性評價(jià)具有指導(dǎo)作用。參考文獻(xiàn)：. 1公安部交通管理局中華人民共和國道路交通事故統(tǒng)計(jì)年報(bào)(20005年度)R北京：公安部交通管理局，20006. 2 GBT1757819998，客車上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的規(guī)定S. 3Ce