那景新，張?zhí)O蘋，楊志超，王 童

(吉林大學(xué)，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130022)

前言

隨著客車運輸業(yè)的迅猛發(fā)展，客車發(fā)生重特大交通事故的數(shù)量也呈上升趨勢，造成的生命財產(chǎn)損失非常巨大［1］。側(cè)翻是大客車的主要事故類型之一，客車載客量大，其側(cè)翻往往造成眾多人員傷亡，屬于大型交通事故［2］。因此改善客車側(cè)翻安全性已成為各生產(chǎn)廠商和研究單位亟待解決的關(guān)鍵問題之一［3－4］。

前期的研究發(fā)現(xiàn)，客車底架在側(cè)翻過程中基本是不變形的，側(cè)翻碰撞的能量主要依靠側(cè)圍結(jié)構(gòu)和頂蓋結(jié)構(gòu)的變形來吸收［5］。由于客車自身結(jié)構(gòu)的限制，無法像轎車一樣增加固定吸能元件(如增加吸能盒、采用壓潰結(jié)構(gòu)形式等)，因此客車目前采用的主流方法是增加側(cè)圍結(jié)構(gòu)、頂蓋結(jié)構(gòu)和接頭連接處結(jié)構(gòu)的強度，從而改善客車側(cè)翻安全性［6］，但這些方法都不同程度地增加了車身結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，與輕量化思想相矛盾［7］，因此須開拓新的思路來提高客車側(cè)翻安全性。

1 彈出式艙門方案的提出

針對上述問題，本文中考慮到客車發(fā)生側(cè)翻時側(cè)翻傾角到達臨界角位置時到車身與地面碰撞接觸時有1s左右的時間間隔。同時，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有客車的行李艙和檢修艙等的艙門都是分布在客車的兩側(cè)，所以在盡量不增加成本的前提下，將現(xiàn)有艙門設(shè)計成一種合理的活動吸能的彈出式艙門機構(gòu)。該機構(gòu)在車輛正常行駛時收起，不影響客車的外觀尺寸;在側(cè)翻將要發(fā)生時，利用這大約1s的時間迅速展開，先于車身結(jié)構(gòu)與地面碰撞接觸，來抵抗側(cè)翻過程中的碰撞載荷，并利用活動吸能結(jié)構(gòu)吸收碰撞能量［8］，從而保證乘員的生存空間?？蛙噺棾鍪脚撻T展開示意圖如圖1所示。

1.1 彈出式艙門機構(gòu)設(shè)計

彈出式艙門機構(gòu)由傾角傳感器、彈出裝置和彈出式艙門結(jié)構(gòu)等部分組成，其中彈出式艙門結(jié)構(gòu)包含艙門結(jié)構(gòu)(圖2)、拉板結(jié)構(gòu)和腰梁下立柱結(jié)構(gòu)。它們形成三角支撐結(jié)構(gòu)，先于車身結(jié)構(gòu)與地面碰撞接觸，發(fā)生塑形變形以吸收碰撞能量。圖3為彈出式艙門結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖和主視圖，其中1為腰梁下立柱，2為艙門立柱，3為拉板，4為艙門橫梁，5為鉸鏈結(jié)構(gòu)，圖中表示了各構(gòu)件的安裝位置。艙門立柱通過鉸鏈同時與腰梁下立柱的頂端和拉板的一端相鉸接，拉板的另一端與腰梁下立柱的底端相鉸接。圖4為客車封閉環(huán)正視圖，明確表示了彈出裝置、艙門結(jié)構(gòu)和拉板的連接關(guān)系。彈出裝置6的底部通過鉸鏈與行李艙地板橫梁相鉸接，上部通過鉸鏈與艙門立柱中上部相鏈接。彈出裝置的運動形式為可伸縮的往復(fù)運動，彈出時位于彈出裝置氣缸底部的氣體發(fā)生器急速產(chǎn)生大量氣體推動活塞沿著氣缸方向向外彈出，活塞頂部與艙門結(jié)構(gòu)相鉸接，由活塞的直線運動和氣缸底部鉸鏈的轉(zhuǎn)動帶動艙門結(jié)構(gòu)以與腰梁下立柱鉸接的鉸鏈為中心使艙門結(jié)構(gòu)向外翻轉(zhuǎn)，同時由于艙門立柱與兩段折疊式拉板相鉸接，通過艙門結(jié)構(gòu)的外翻帶動折疊式拉板展開，直至拉板被拉直，此時完成行李艙艙門的彈出，并達到設(shè)定的理想艙門外翻角。

1.2 彈出式艙門機構(gòu)的可行性分析

為驗證所設(shè)計的彈出艙門機構(gòu)的合理性，應(yīng)用CATIA軟件對該機構(gòu)進行了DMU運動分析和干涉分析。

截取客車一個車身段的腰梁下立柱和部分底架結(jié)構(gòu)來建立帶有彈出式艙門機構(gòu)的分析模型，如圖5所示，整個機構(gòu)共包含18個桿件。

對該機構(gòu)進行干涉分析，得到干涉分析結(jié)果矩陣如圖6所示，右上三角區(qū)域為接觸檢查區(qū)域，其中，有標記的方格表示兩桿件存在間隙，無標記的方格表示兩構(gòu)件相接觸。由此可以看出，所設(shè)計的機構(gòu)可行，該機構(gòu)各桿件不發(fā)生運動干涉。圖7為艙門機構(gòu)的展開運動過程示意圖。

2 側(cè)翻仿真方法的驗證

為驗證本文中側(cè)翻仿真方法的正確性，建立了普通艙門客車車身段側(cè)翻仿真模型，然后進行側(cè)翻仿真分析，并對該車身段進行側(cè)翻試驗。

2.1 車身段有限元模型

圖8為所建立的普通艙門客車車身段側(cè)翻仿真模型。試驗制定的車身段結(jié)構(gòu)如圖9所示。車身段側(cè)翻仿真模型的各桿件截面形狀、厚度、材料屬性和計算載荷與試驗完全一致，并將模型的整體質(zhì)量和質(zhì)心位置調(diào)整到與試驗相同。所建立的仿真模型共有303 849個單元，303 390個節(jié)點，其中單元的最小邊長為6mm，最大邊長為10mm。

2.2 仿真結(jié)果與試驗對比

2.2.1 測點選取

為確定側(cè)翻試驗車身結(jié)構(gòu)對生存空間的侵入量，在車身段乘員生存空間的外邊界上選取測量點，并在相應(yīng)測量點處安裝鋼針，將試驗過程中鋼針的剩余量，即生存空間試驗點到側(cè)窗立柱的最近距離作為驗證指標［9］。車身段前、后端各設(shè)置7個測量點，它們根據(jù)生存空間從上往下排列，第1測量點與生存空間頂部相距50mm，然后依次相隔100mm布置一個測量點，如圖10所示。

2.2.2 結(jié)果數(shù)據(jù)對比

對所建立的有限元模型進行側(cè)翻仿真分析。圖11為有限元車身段側(cè)翻仿真分析的最大變形圖與由高速攝影機拍攝到的車身段試驗的最大變形圖對比。由圖可見，車身段仿真模型變形形式和程度與試驗結(jié)果大致相同。

表1為車身段側(cè)翻試驗與仿真的結(jié)果數(shù)據(jù)及誤差分析。

表1 車身段側(cè)翻試驗與仿真結(jié)果數(shù)據(jù)及誤差分析

由表1可知，仿真中生存空間前端相對后端變形稍小的趨勢與試驗一致，且仿真結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)較為接近。前端測點7和后端測點1由于試驗過程中鋼針脫落，無法記錄試驗結(jié)果。對其余12個試驗點進行統(tǒng)計，得到仿真與試驗結(jié)果的平均誤差為6.47%，由此可以驗證本文中采用的側(cè)翻仿真方法的正確性。

3 彈出式艙門方案效果驗證

為更加準確直觀地說明彈出式艙門對客車側(cè)翻安全性的影響，驗證彈出式艙門方案的效果，將原艙門改為彈出式艙門，其余結(jié)構(gòu)不變，仍采用原艙門車身段模型結(jié)構(gòu)，仿真計算的條件也保持不變，進行有限元仿真分析［10］。圖12 為彈出式艙門車身段側(cè)翻仿真最大變形圖。

由圖11和圖12可以看出，兩車身段均未侵入生存空間，但彈出式艙門車身段側(cè)翻仿真的變形明顯比原艙門車身段的變形小。根據(jù)仿真結(jié)果和程序統(tǒng)計計算結(jié)果可知，原艙門車身段結(jié)構(gòu)生存空間未侵入的最小距離為245mm，而彈出式艙門車身段的生存空間未侵入的最小距離為657mm，安全性能提升顯著。

為更直觀地說明彈出式艙門在提高側(cè)翻安全性方面所起的作用，還統(tǒng)計了車身段模型最大變形時各構(gòu)件的吸能情況，其中艙門結(jié)構(gòu)吸收了12.6kJ的能量，拉板吸收了0.367kJ的能量，而車身段吸收的總能量為41.26kJ，可見彈出式艙門所吸收的能量占車身段吸收總能量的31.43%。由此可知增加彈出式艙門可明顯提高客車側(cè)翻安全性。

4 結(jié)構(gòu)輕量化效果分析

增加彈出式艙門后客車的上部結(jié)構(gòu)變形明顯減小，客車的抗側(cè)翻能力得到了有效改善，從而為結(jié)構(gòu)輕量化提供了改進空間，所以在側(cè)翻變形量相同的情況下，可以考慮對上述的彈出式艙門車身段結(jié)構(gòu)進行輕量化改進。

為滿足新法規(guī)ECER66要求［11］，原車身段結(jié)構(gòu)在已滿足結(jié)構(gòu)靜態(tài)性能要求的車身結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，專門針對側(cè)翻主要變形部位進行了加強，如圖13所示，加強了封閉環(huán)下腰梁接頭強度，加強了頂蓋并焊梁處的結(jié)構(gòu)強度，加強了窗腰梁下立柱并在地板上四邊形框架加了斜拉板等。

為保證車身結(jié)構(gòu)的強度剛度等靜態(tài)性能，只針對上述的局部加強處進行輕量化設(shè)計，即將封閉環(huán)下腰梁接頭處的厚度由4mm改為2mm，頂蓋并焊梁處加強結(jié)構(gòu)的厚度由3mm改為 2mm，窗腰梁下立柱的厚度由4mm改為2mm，并且去掉了地板上四邊形框架處所加的斜拉板等。

對輕量化后的彈出式艙門車身段結(jié)構(gòu)進行了側(cè)翻仿真分析，其側(cè)翻仿真最大變形圖如圖14所示。表2為兩種車身段結(jié)構(gòu)生存空間侵入量和車身結(jié)構(gòu)質(zhì)量的對比。結(jié)果表明，客車車體在滿足ECE R66法規(guī)對生存空間要求的前提下，彈出式艙門車身段結(jié)構(gòu)和原艙門車身段結(jié)構(gòu)的生存空間量大致相同，彈出式艙門車身段不僅保證了側(cè)翻安全性，還使車身段結(jié)構(gòu)件質(zhì)量減輕了12.27%，實現(xiàn)了車身結(jié)構(gòu)輕量化。

表2 兩種車身段結(jié)構(gòu)生存空間侵入量和結(jié)構(gòu)件質(zhì)量的對比

5 結(jié)論

根據(jù)現(xiàn)有客車特點，提出了一種彈出式艙門的方案，大大提高了客車的抗側(cè)翻性能，有效解決了客車側(cè)翻安全性與輕量化設(shè)計之間的矛盾。通過試驗驗證和仿真結(jié)果對比分析表明，如果保證客車的側(cè)翻安全性能相同，則可以通過增加彈出式艙門保護裝置來實現(xiàn)客車車身結(jié)構(gòu)輕量化的設(shè)計目標。

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