覃禎員

(重慶車輛檢測研究院國家客車質量監(jiān)督檢驗中心，重慶 401122)

0 引言

相對于客車其它碰撞事故形式，客車側翻是一種最易造成乘員嚴重傷亡的事故類型，加強側翻過程中的車內剩余生存空間和減少乘員損傷尤為必要［1］。我國GB 7258－2012標準中明確要求客車的上部結構強度應具有足夠的強度和剛度，該標準適用于專用校車、公路客車、旅游客車和未設置乘客站立區(qū)的公告汽車等，試驗依據(jù)GB/T 17578中的試驗方法進行檢測，用于考核客車/校車上部結構的強度，評價其側翻結構安全性［2－3］。并將于2015年7月1日開始強制實施GB 17578－2013中的加載側翻試驗，對客車上部結構強度提出了更嚴格的要求。

筆者對近200款客車空載傾翻試驗結果進行分析，提出了客車側翻試驗中上部結構強度常見的共性問題及一般問題，并通過有限元仿真模擬，揭示側翻過程中客車側面立柱變形特性，并針對其共性問題提出了有效性的結構改進措施。對企業(yè)如何提高客車上部結構強度以便能符合更加嚴格的GB17578加載側翻試驗具有參考借鑒。

1 客車側翻試驗方法及評價

我國GB/T 17578－1998參照ECER 66制定客車側翻試驗標準，對客車上部結構強度的要求主要體現(xiàn)在以下兩點［4－5］:①生存空間外的車身任何部分的位移都不允許侵入生存空間;②生存空間內的任何部分都不能突出至變形的車身結構外。

上述規(guī)定適用于客車上的所有結構零件、部件、板件以及所有凸出的剛性零件如行李架、通風裝置等;但不適用車內的隔板、隔墻以及酒吧、廚房或洗手間等固定設施。

GB 17578［6］與 ECE R66/02 考核上述兩點要求可通過四種方法之一來考核:整車側翻試驗，車身斷側翻試驗、擺錘沖擊試驗、側翻仿真模擬計算。但目前公告檢測中只認可整車側翻試驗方法。

GB/T 17578試驗方法等效于ECE R66中的整車側翻試驗方法，目前新發(fā)布的GB 17578等效于ECE R66/02，其生存空間的定義差異如圖1所示。GB/T 17578與GB 17578整車試驗方法的差異主要體現(xiàn)在前者的試驗質量為整備質量，且懸架系統(tǒng)無需鎖死，而后者試驗質量為車輛總有效質量，并且懸架系統(tǒng)需鎖死。新舊標準的評價指標相同。

在試驗檢測過程中，主要在側翻側生存空間的前中后位置的側立柱傍邊安裝模擬生存空間的變形規(guī)測量裝置，試驗后通過變形規(guī)泡沫上鋼針的余量來評價側面結構是否侵入乘員生存空間，如圖2所示。此外可通過在車輛外側前后各放置一個高速攝像機，記錄側翻過程中整個車輛結構的變形情況，作為結果分析和判定的輔助依據(jù)。

圖1 生存空間示意圖

圖2 試驗檢測中生存空間模板

2 側翻試驗中上部結構強度常見問題分析

通過對客車檢測中心已進行的近200個按照GB/T17578進行的整車側翻試驗結果進行統(tǒng)計分析，結果表明幾乎所有車型上部結構強度均存在著結構強度分布不合理、前弱后強的問題，即在側翻過程中前部側面結構變形大而后部側面結構變形小是客車上部結構強度的一個共性問題。85%的車輛均能夠滿足標準上部結構強度評價的兩點要求，10%車輛因前部側面結構(前門之后的1、2立柱)侵入到生存空間而未滿足要求，另外5%車輛雖然未出現(xiàn)側面結構侵入乘員生存空間，但出現(xiàn)了車內零部件斷裂失效問題，這些上部結構強度有問題的車輛在經(jīng)過整改后均能滿足法規(guī)要求。試驗中結構強度常見問題可歸納為以下幾點:

(1)幾乎所有車型均存在前后部側面結構強度設計不合理，即前部弱后部強，這是一個共性問題。這主要是由于車輛前部開有車門，并且前圍結構的橫向強度及剛度比后圍結構要差，如圖3所示。

(2)發(fā)生非側翻側可滑動玻璃窗整體脫落，直接侵入乘員生存空間，對乘員造成傷害風險。這主要是由于窗框通常是通過粘膠粘接在立柱上，粘接強度不夠。

(3)座椅與車輛固定件的固定方式及強度設計不合理，在試驗中出現(xiàn)因座椅固定件或鏈接件失效導致座椅脫落，對車內乘員造成傷害風險。其失效原因主要在于固定件板厚較薄、材料強度不夠、連接螺栓等級強度較小等，這種失效情況較多地出現(xiàn)在加載側翻試驗中。

(4)對于前置發(fā)動機的平頭車輛，車內的發(fā)動機罩通常采用掛鉤鎖扣法，在試驗中因沖擊力的作用出現(xiàn)發(fā)動機蓋鎖扣脫鉤，對側面座位上的乘員構成傷害風險。

(5)非側翻側行李架支架出現(xiàn)斷裂脫離現(xiàn)象，主要是行李架支架材料易脆，強度不夠。

(6)乘員生存空間附近有剛性結構件，例如硬窗簾桿等，這種凸出結構件在傾翻試驗中直接侵入生存空間。

上述幾種失效形式中，(2)～(6)容易通過零部件整改而達到滿足要求，例如窗簾硬凸掛鉤改成布條系法，活動玻璃窗窗框可通過攻絲固定在骨架上等，而(1)則需通過對車身上部結構強度進行合理分析，提出合理改進措施，才能達到提高上部結構強度的目的。由于試驗為整車傾翻試驗，在考核上部結構強度時，試驗改進的投資及周轉費用將是巨大的，增加了企業(yè)的成本。而達到加強客車上部結構強度，同時降低試驗成本，其最有效的方法是采用有限元法進行客車側翻分析及改進設計［7－8］。

圖3 車輛前后部側面立柱侵入對比圖

3 側翻上部結構強度及改進設計分析

3.1 側翻有限元模型

依據(jù)側翻試驗要求，客車應從水平位置緩慢翻轉到不穩(wěn)定角，在這個翻轉過程中車輛不應出現(xiàn)擺動和受翻轉速度的影響。在側翻仿真模擬過程中，可以模擬車輛及翻轉平臺從水平位置翻轉到不穩(wěn)定角后車輛靠自身重力自由翻轉撞擊到剛性地面，但為了節(jié)省仿真計算時間，筆者將客車翻轉過程中與地面接觸時刻作為初始仿真時刻，并賦予車輛繞著旋轉平臺轉軸作旋轉，其初始翻轉角速度ω計算方式如下:

式中:m為車輛整備質量，mm;IXX為轉動慣量，kg mm2;ΔH為車輛從不穩(wěn)定角翻轉到接觸地面過程中其質心高度的變化量，mm;r為車輛在不穩(wěn)定角位置其質心到翻轉平臺旋轉軸的旋轉半徑，mm。

通過剛性單元模擬生存空間，生存空間與車身地板骨架剛性連接，生存空間與車輛結構件、地面之間無需定義接觸，目的是為了觀察側翻過程中側面結構請入情況。筆者建立了某12 m客車側翻有限元仿真模型，如圖4所示。

圖4 側翻仿真模型

定義了兩個安全系數(shù)，用于量化評價客車上部結構強度，如圖5所示。dfinal為點A、B在側翻過程中與側面結構的最小距離，安全系統(tǒng)N＜1，則表明側面結構發(fā)生侵入。

圖5 生存空間與立柱的相對位置

3.2 結構強度分析

對仿真模型進行模擬計算，模擬結束時間為300 ms。側翻過程某時刻車身變形圖、側面結構最大侵入生存空間的前后部截面圖分別如圖6、7所示。

從仿真結果可看出，客車在側翻撞地之后，車身側圍與車頂連接處首先接觸地面，產(chǎn)生極大的沖擊力，導致此處結構應力超過材料的屈服極限而發(fā)生塑性變形，吸收了部分的沖擊動能;隨著碰撞過程的繼續(xù)，側窗立柱發(fā)生彎曲消耗大部分碰撞能量，進而侵入生存空間;地板以下的車身結構變形基本不變形，地板之上的側面結構經(jīng)歷了變形回彈的過程，最大變形時刻發(fā)生在150 ms，之后側面結構進入回彈過程，其側面P1～P10立柱與生存空間A、B點的最小距離如表1所列。

圖6 側翻過程變形圖

圖7 前后部最大侵入對比圖

表1 最大變形時各立柱與生存空間的最小距離 /mm

從表1中可看出整個側面立柱變形特性為越靠車輛前部的側立柱，其變形量越大。車輛只有前車門之后的第1、第2根側立柱侵入了乘員生存空間，生存空間前部最小余量為－36 mm，后部最小余量為60 mm，前部 A、B 點的安全系數(shù)分別為0.91、0.84，后部安全系數(shù)分別為1.69、1.36，后部安全系數(shù)比前部高50%以上?？梢娷囕v上部結構強度分布呈現(xiàn)前部弱后部強的特點，與側翻試驗中客車上部結構強度暴露出的共性問題相吻合。

3.3 改進措施

由客車車身結構特性所決定，很難在客車側面及頂部設置緩沖吸能空間，所以一般只能夠通過加強客車骨架的框架結構強度和剛度，來提高抗側翻的安全性。但是同時也要考慮到目前車身設計和制造的輕量化趨勢，不能盲目通過增加質量來改進設計，要通過合理的改進方案達到提高上部結構強度的目的，常用的改進措施有以下幾種:

(1)加大側面立柱的橫截面、厚度。

(2)盡量采用貫通式立柱結構，提高所有立柱的整體強度和剛度。

(3)使用屈服強度更高的材料。通常車身結構為骨架型材焊接成型，常用型材材料一般為Q235或Q345，更高屈服強度的型材必導致車輛制造成本的增加。

針對客車上部結構強度存在前部弱后部強的共性問題，即前部變形大、后部變形小的特點，基于結構改進對原車輛結構及尺寸盡量變動小的原則，提出加強前部側面結構強度的三種結構改進方案。

方案1:增加生存空間前部側面立柱型材厚度達到加強前部強度的目的。前車門之后的第2、第3根立柱型材厚度由2 mm改為3 mm。

方案2:合理設計前排座椅擋板骨架，使其能夠起到支撐加強前側面立柱的作用。如圖8所示。

方案3:在前車門之后的第1、第2根立柱內穿入截面較小的型材，在第1根立柱40×40×2.0內穿入30×30×3.0型材，在第 2 根立柱 80×40×2.0 內穿入60×30×3.0 型材。

圖8 第1、2立柱加強示意圖

3.4 改進后強度分析

將三種方案進行仿真模擬分析，在側翻過程中生存空間前后部與側面結構變形的最小距離及安全系數(shù)如表2所列。

從生存空間前后部侵入情況來看，通過上述三種改進方案加強車輛前部立柱強度后，該車輛上部結構強度得到了明顯的改善，側面結構均未侵入乘員的生存空間，其改進后的安全系數(shù)均大于1，均能夠滿足標準要求。分析結果證明了改進方案是合理有效的，同時也證明了對于前弱后強的車輛，通過加強其前部側立柱強度，尤其是合理設計前檔板骨架使其起到加強支撐側立柱的作用，可以有效提高車輛的上部結構強度。

表2 改進后生存空間前后部最小余量及安全系數(shù)

從改進效果、燃油經(jīng)濟性及改進工藝上來看，最理想的改進方案是方案2，該方案不僅適用于新車型設計中，也適用于對現(xiàn)有車型和公路上運行車輛的改進，通過合理設計前擋板骨架結構，使其對前側立柱起到加強支撐作用，就能有效地提高整車的上部結構強度。

4 結語

通過對大量側翻試驗結果的統(tǒng)計分析，提出了客車側翻試驗中上部結構強度常見共性問題及一般問題，并通過有限元仿真模擬，揭示了在側翻過程中越靠近車輛前部的側面立柱，其變形量越大的特性;并針對客車上部結構強度存在的前弱后強的共性問題，提出了重點加強前門之后的1、2立柱強度可有效提高整車的上部結構強度的改進方案，對企業(yè)如何提高客車新產(chǎn)品及現(xiàn)有車型的上部結構強度提供了參考借鑒。

［1］ Chung，T.E.Rollover Analysis and Measurement of Large－sized Bus.Trans.KSAE，1997(5):148－154.

［2］ 王 欣，覃禎員.客車公告申報中被動安全項目現(xiàn)狀及發(fā)展［C］.2012年中國客車學術年會論文集［A］，2012.

［3］ GB 7258－2012，機動車運行安全技術條件［S］.

［4］ GB/T 17578－1998，客車上部結構強度的規(guī)定［S］.

［5］ ECE R66 Uniform Technical Prescriptions Concerning The Approval Of Large Passenger Vehicles With Regard To The Strength Of Their Superstructure［S］.

［6］ GB 17578－2013，客車上部結構強度要求及試驗方法［S］.

［7］ Kim H D，Song J H，Oh C Y.Development of a Finite Element Model for Crashworthiness Analysis of a Small－ sized Bus［J］.Trans.KSAE，2002(10):153－161.

［8］ S－J Park.W－S Yoo.Rollover Analysis for the Body Section Structure of a Large Bus Using Beam and Mon－linear Spring Elements［J］.IMechE ，2008(222):955－962.