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廈門金龍聯(lián)合汽車工業(yè)有限公司 福建省廈門市 361023

1 引言

客車作為大眾出行的一種交通工具，其結(jié)構(gòu)安全一直倍受關(guān)注，客車側(cè)翻安全性能是客車被動(dòng)安全的重要部分。本文利用客車整車側(cè)翻試驗(yàn)、分段側(cè)翻試驗(yàn)和CAE 仿真分析手段，提出了基于客車側(cè)翻安全的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，為客車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

2 建立客車側(cè)翻數(shù)據(jù)庫

根據(jù)多款不同車型樣車的側(cè)翻試驗(yàn)結(jié)果，建立客車側(cè)翻數(shù)據(jù)庫，針對(duì)其中4 款車型，收集的數(shù)據(jù)如表1 所示。B 柱和C 柱的生存余量為車輛側(cè)翻后立柱內(nèi)側(cè)與生存量規(guī)的最近點(diǎn)距離，如圖1 所示。

表1 車型側(cè)翻數(shù)據(jù)

圖1 某車型B柱與C柱生存余量示意

通過對(duì)比車型的側(cè)翻數(shù)據(jù)分析，得出在車輛質(zhì)量和質(zhì)心相近的情況下，車輛骨架關(guān)鍵部件的材質(zhì)和規(guī)格是影響側(cè)翻結(jié)果的重要因素。需要對(duì)骨架關(guān)鍵部件的材料和規(guī)格對(duì)車輛的側(cè)翻性能影響進(jìn)行研究。

3 分段側(cè)翻試驗(yàn)

選取某款車型進(jìn)行分段側(cè)翻試驗(yàn)，設(shè)計(jì)了三個(gè)側(cè)翻樣件，采用等強(qiáng)度替代原則，分別對(duì)窗立柱和頂蓋橫梁采用Q700 和Q345兩種材質(zhì)，同時(shí)分為地板和窗立柱之間有無加強(qiáng)斜撐的不同狀態(tài)。試驗(yàn)的主要目的是：對(duì)比CAE 仿真分析與實(shí)際側(cè)翻結(jié)果，驗(yàn)證CAE 分析的準(zhǔn)確性；對(duì)比等強(qiáng)度Q700 與Q345 套管材料側(cè)翻應(yīng)用結(jié)果，分析材料剛度對(duì)側(cè)翻的影響；對(duì)比地板有無加強(qiáng)斜撐的側(cè)翻結(jié)果，分析結(jié)構(gòu)剛度對(duì)側(cè)翻的影響。

通過高速攝像及試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集，測(cè)量不同點(diǎn)位處側(cè)立柱的變形數(shù)據(jù)，并與CAE 仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，圖2 為分段側(cè)翻樣件1 的側(cè)翻過程，圖3 為分段側(cè)翻樣件1 的CAE 仿真生存空間余量變化曲線。

圖2 分段側(cè)翻樣件1的側(cè)翻過程

圖3 分段側(cè)翻樣件1的CAE仿真生存空間余量變化曲線

通過分段側(cè)翻試驗(yàn)結(jié)果與CAE 仿真分析的對(duì)比，如表2 所示，可得出以下結(jié)論：CAE 仿真與試驗(yàn)結(jié)果的趨勢(shì)基本吻合，CAE分析可以作為側(cè)翻性能檢驗(yàn)的重要工具；生存空間截面的抗彎剛度和抗彎強(qiáng)度是影響側(cè)翻的決定性因素。

表2 分段側(cè)翻試驗(yàn)與仿真數(shù)據(jù)

4 整車側(cè)翻試驗(yàn)

通過分段側(cè)翻試驗(yàn)的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)積累，選取某車型樣車進(jìn)行整車側(cè)翻研究分析，整車側(cè)翻運(yùn)動(dòng)仿真過程如圖4 所示，整車側(cè)翻從T=0.00S 時(shí)開始，變形量約在T=0.15s 時(shí)達(dá)到最大，此后開始回彈直至側(cè)翻結(jié)束。對(duì)樣車實(shí)車進(jìn)行整車側(cè)翻試驗(yàn)，圖5為側(cè)翻樣車。對(duì)側(cè)翻車的前段、中段和后段的變形量進(jìn)行檢測(cè)，并與仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)標(biāo)，數(shù)據(jù)如表3 所示。通過數(shù)據(jù)對(duì)比，中段的仿真變形量與試驗(yàn)吻合度較高；通過高速錄像發(fā)現(xiàn)，因側(cè)翻試驗(yàn)中車輛觸地點(diǎn)不同步，后部先觸地發(fā)生鞭打效應(yīng)導(dǎo)致仿真變形量與試驗(yàn)變形量有差異。

表3 側(cè)翻試驗(yàn)變形數(shù)據(jù)與仿真變形數(shù)據(jù)

圖4 整車側(cè)翻運(yùn)動(dòng)仿真過程

圖5 整車側(cè)翻試驗(yàn)樣車

5 提高客車側(cè)翻性能設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

通過系列的側(cè)翻試驗(yàn)和仿真分析研究，得出了提高客車側(cè)翻性能的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。車輛的上部結(jié)構(gòu)應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度，以確保在整車側(cè)翻試驗(yàn)中和側(cè)翻后生存空間沒有受到侵入。通過系列的側(cè)翻試驗(yàn)和仿真分析研究，為提高車輛的上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，需綜合考量以下幾點(diǎn)設(shè)計(jì)因素：

（1）保證整車力傳遞的連續(xù)性，從而使側(cè)翻時(shí)整車受到的沖擊能量可以通過骨架的各個(gè)桿件有效、流暢地分散到車身各個(gè)受力部件上。整體結(jié)構(gòu)上，采用“封閉環(huán)”設(shè)計(jì)，頂蓋主橫梁與側(cè)窗立柱嚴(yán)格對(duì)齊，側(cè)窗立柱直通側(cè)圍下腰梁，側(cè)窗立柱與側(cè)艙立柱需盡可能對(duì)齊，頂蓋主橫梁、側(cè)窗立柱和地板橫梁形成一個(gè)封閉的“小環(huán)”，頂蓋主橫梁、側(cè)窗立柱、艙門立柱和行李艙地板骨架橫梁形成一個(gè)封閉的“大環(huán)”。具體結(jié)構(gòu)上，應(yīng)避免力傳遞路徑的“突變”，造成局部受力過大，傳遞效率低下。

（2）保證車身骨架與車架的連接強(qiáng)度，避免使用類似扣車身的拼裝工藝。車身與車架的連接強(qiáng)度是整車上部強(qiáng)度的基礎(chǔ)，二者可靠的剛性連接可使上部結(jié)構(gòu)在側(cè)翻時(shí)不會(huì)產(chǎn)生多余的線性位移，從而滿足生存空間的要求。

（3）提高各個(gè)關(guān)鍵截面的抗彎剛度，最有效的辦法是增加側(cè)圍和頂蓋厚度方向方鋼的規(guī)格，但這樣會(huì)減小車內(nèi)空間。也可通過增加斜撐、扒角或者并管的辦法來增加截面的抗彎剛度。

（4）用側(cè)窗R 弧半徑更大的龍門框曲線，R 弧半徑越大，骨架變形的空間越大，達(dá)到生存空間截面前會(huì)吸收更多的能量，越有利于通過側(cè)翻檢驗(yàn)。

（5）輕量化設(shè)計(jì)原則，側(cè)翻時(shí)上部結(jié)構(gòu)所吸收的能量與整車的重力勢(shì)能成正比，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)去除冗余結(jié)構(gòu)，同時(shí)選用剛強(qiáng)度性能更好的鋼材，以降低鋼管壁厚，降低骨架重量。

6 結(jié)語

客車的側(cè)翻安全性能作為客車被動(dòng)安全的重要組成部分，在出現(xiàn)側(cè)翻事故時(shí)，直接影響到乘客的生命安全。本文通過收集樣車側(cè)翻數(shù)據(jù)，建立了側(cè)翻數(shù)據(jù)庫；通過分段側(cè)翻試驗(yàn)和整車側(cè)翻試驗(yàn)，與CAE 仿真分析進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了CAE 仿真手段的可使用性；最后根據(jù)系列的側(cè)翻試驗(yàn)和仿真分析，提出了提高客車側(cè)翻性能設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。