范春海

（石家莊中博汽車有限公司，石家莊，050800）

1 引言

近年來，客車安全事故頻發(fā)，客車的安全性能日益受到各大生產(chǎn)廠家和客戶的重視。據(jù)統(tǒng)計分析在各種客車交通事故中，側(cè)翻是傷亡率最高的形式之一，常常造成群死群傷的結(jié)果。因此，對大型客車的側(cè)翻安全性能進(jìn)行分析研究，提高其抗側(cè)翻能力，具有重要的現(xiàn)實意義。

車身骨架中段結(jié)構(gòu)是客車車身結(jié)構(gòu)的基本組成單元之一，在側(cè)翻實驗認(rèn)證中是最危險的結(jié)構(gòu)單元，因此在整車開發(fā)初期的結(jié)構(gòu)方案階段，需要對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行充分的分析與優(yōu)化設(shè)計，使之滿足側(cè)翻法規(guī)要求，在設(shè)計階段完成對結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

本文依據(jù)國內(nèi)GB17578－1998及歐盟關(guān)于客車側(cè)翻安全性的ECER66-00法規(guī)，對某12m大型全承載客車中段進(jìn)行CAE建模和方案對比分析，在此基礎(chǔ)上調(diào)整優(yōu)化結(jié)構(gòu)，以滿足側(cè)翻認(rèn)證要求。

2 GB17578－1998側(cè)翻結(jié)構(gòu)的探討和仿真分析

本次分析選取某12m大型全承載客車中段，經(jīng)車型分析得到該分段吸收能量占整車的23%，故以整車整備重量為14t進(jìn)行計算，該中段配重為3.2t，重心高度根據(jù)實測為1440mm距離地面；若配置人的一半的重量則按照34kg/人進(jìn)行配重。

2.1 材料屬性

本項目所研究客車的骨架結(jié)構(gòu)方鋼采用20#、Q235、Q345鋼及W510L(單位選：t-s-mm-MPa)，下表為所用方鋼的材料特性。

表1 方鋼材料屬性

2.2 方案對比分析

結(jié)合目前國內(nèi)外常用客車車身結(jié)構(gòu)，選取其中4種典型結(jié)構(gòu)方案根據(jù)GB17578－1998進(jìn)行對比分析，而后從中選擇最佳方案。

2.2.1 方案A分析

說明：整體式腰梁，側(cè)圍上邊框斷開，頂蓋加小斜撐，窗立柱材料為Q345B口60*40*3.0mm。如圖所示：

圖1 方案A結(jié)構(gòu)形式

圖2 最大變形時刻（侵入42mm）

圖3 側(cè)圍大變形區(qū)域

圖4 分段實驗破壞情況

從上面分析結(jié)果可得出：方鋼與另一方鋼表面直接焊接，在抗側(cè)翻瞬時彎曲作用下，會發(fā)生焊接方鋼表面被撕裂的情況，故盡量避免彎曲的轉(zhuǎn)軸為焊接在方鋼表面的焊道。需要進(jìn)行焊道的轉(zhuǎn)移或是局部加強。

2.2.2 方案B分析

說明：整體式腰梁，側(cè)圍上邊框斷開，頂蓋加小斜撐，窗立柱根部加八角，窗立柱材料為Q345B口60*40*3.0mm。如圖所示（5-7）。

如下圖可得出：八角擴(kuò)大了焊縫的長度，提高了根部的強度，但是對于側(cè)翻的貢獻(xiàn)很有限。仍然侵入38.7mm。

圖5 方案B結(jié)構(gòu)形式

圖6 最大變形時刻（侵入38.7mm）

圖7 補強區(qū)域變形

2.2.3 方案C分析

說明：腰梁斷開，窗立柱延伸至下腰梁，窗立柱材料為Q345B口60*40*3.0mm，如下圖所示：

圖8 方案C結(jié)構(gòu)形式

9 最大變形時刻（侵入9mm）

圖10 補強區(qū)域變形

如圖可得出：腰梁打斷，貫通窗立柱，充分發(fā)揮立柱的整體抗彎性能，但是仍然侵入9mm。

2.2.4 方案D分析

說明：腰梁斷開，窗立柱延伸至下腰梁。窗立柱材料為Q345B口60*50*3.0mm

圖11 方案D結(jié)構(gòu)形式

圖12 最大變形時刻（仍有24mm間隙）

圖13 補強區(qū)域變形

生存空間沒有被侵入，并有24mm的距離。

2.2.5 小結(jié)

根據(jù)以上的各個方案分析與研究，總結(jié)出側(cè)圍立柱貫通，延伸至下腰梁，同時采用為Q345口60*50*3.0mm為側(cè)圍最佳結(jié)構(gòu)方案。

3 歐盟ECER66-00半載側(cè)翻結(jié)構(gòu)的探討和仿真分析

結(jié)合上述4種方案分析結(jié)果對方案D進(jìn)行加半載的歐盟ECER66-00分析并優(yōu)化。

3.1 方案D半載分析

座椅椅面離地高度取450mm，在該處建立乘員半載質(zhì)量單元進(jìn)行加載。整體重心高度提高至距離地面1567.6mm，如下圖所示。

圖14 初始設(shè)計半載有限元模型

圖15 結(jié)構(gòu)最大變形時刻a

圖16 結(jié)構(gòu)最大變形時刻b

圖17 側(cè)翻過程能量變化情況

從以上可看出：最大變形時刻侵入生存空間67mm，整個碰撞能量較未加載多出25%以上。從整體結(jié)構(gòu)的變形情況來看，頂蓋變形較大，側(cè)圍立柱腰梁上部內(nèi)凹，腰梁部分傾斜較大，無法完全抵抗變形，需要改進(jìn)提高頂蓋及腰梁部分的結(jié)構(gòu)強度。

3.2 加半載分析優(yōu)化設(shè)計方案

經(jīng)過十幾個方案的反復(fù)修改與分析驗證，最終得到可以通過半載的結(jié)構(gòu)方案，如下圖所示。主要正對頂蓋與腰梁進(jìn)行加強。

通過結(jié)構(gòu)改進(jìn)與優(yōu)化，結(jié)構(gòu)剛好通過半載側(cè)翻碰撞狀態(tài)，滿足生存空間需求。

圖18 頂蓋結(jié)構(gòu)加強方案

圖19 側(cè)圍結(jié)構(gòu)加強方案

圖20 加強后結(jié)構(gòu)變形最大時刻

圖21 加強后最大變形時刻的生存空間情況

4 結(jié)論

本文通過對客車典型分段結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析與研究，在客車前期設(shè)計方案選擇時期，可以較快實現(xiàn)結(jié)構(gòu)方案的對比與分析，確定最優(yōu)設(shè)計方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)定版，在設(shè)計階段消除一些結(jié)構(gòu)上的缺陷，提高了設(shè)計的科學(xué)性，并縮短了結(jié)構(gòu)優(yōu)化與開發(fā)的周期。通過有限元建模并進(jìn)行側(cè)翻碰撞分析，得出了車身上部結(jié)構(gòu)特別是側(cè)圍立柱和頂蓋的不足之處，據(jù)此提出優(yōu)化改進(jìn)方案，最后的仿真分析表明所提方案能保證生存空間在整個側(cè)翻過程中都不受到侵入，從而滿足ECER66-00側(cè)翻半載法規(guī)要求。