紀(jì)緒北，雷發(fā)榮，潘亞南，陳 龍

(比亞迪汽車工業(yè)有限公司，廣東深圳 518118)

客車已成為中短途的客運(yùn)主力，然而客車“群死群傷”的事故時(shí)有發(fā)生，給人民的生命財(cái)產(chǎn)帶來了巨大的隱患。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)［1－2］，側(cè)翻發(fā)生的事故率和死傷人數(shù)比例是最高的。歐洲和中國(guó)相繼出臺(tái)了客車側(cè)翻法規(guī) ECE R66［3］和 GB 17578—2013［4］，對(duì)客車側(cè)翻性能提出了明確的要求。為了提高客車設(shè)計(jì)水平，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在側(cè)翻分析中得到廣泛應(yīng)用［5－10］，由于仿真模型中關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)置對(duì)仿真的結(jié)果影響較大，所以仿真的精度和一致性應(yīng)與側(cè)翻試驗(yàn)對(duì)標(biāo)。

1 側(cè)翻有限元模型前處理

1.1 側(cè)翻模型的建立

根據(jù)某款客車的UG數(shù)模，應(yīng)用HyperMesh軟件進(jìn)行前處理，將模型離散成二維和三維單元網(wǎng)格。根據(jù)GB 17578—2013中網(wǎng)格質(zhì)量要求對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行質(zhì)量檢查，符合要求后賦予相應(yīng)的材料屬性和參數(shù)。仿真模型與實(shí)車的質(zhì)量、質(zhì)心數(shù)據(jù)見表1。

表1 質(zhì)量和質(zhì)心位置(x，y，z)對(duì)比

側(cè)翻試驗(yàn)是將整車置于800 mm高的翻轉(zhuǎn)平臺(tái)上，車輪側(cè)面用阻擋塊擋住，平臺(tái)繞轉(zhuǎn)軸緩慢抬升至車輛臨界失穩(wěn)狀態(tài)，在重力作用下，整車翻轉(zhuǎn)到水平的水泥地面上。此款車型側(cè)翻臨界的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為2.07 rad/s。

1.2 參數(shù)設(shè)置

在側(cè)翻過程中由于結(jié)構(gòu)變形比較嚴(yán)重，結(jié)構(gòu)件之間會(huì)出現(xiàn)接觸，因此在仿真模型中設(shè)置整車骨架結(jié)構(gòu)單元之間的自接觸，主要參數(shù):靜摩擦系數(shù)為0.35，動(dòng)摩擦系數(shù)為0.2。整車與剛性地面之間的接觸是本文的研究重點(diǎn)，其取值對(duì)仿真的結(jié)構(gòu)影響較大。在仿真模型中，取值分別為0.2、0.4、0.6、0.8和摩擦綁定(tie)。骨架的失效形式和取值對(duì)骨架的斷裂仿真影響較大，在仿真模型中，采用兩種失效形式:等效應(yīng)變失效值取0.12，等效拉伸塑性應(yīng)變失效值取0.04、0.05、0.06。

2 仿真分析

2.1 仿真結(jié)果的有效性驗(yàn)證

將建立的整車骨架有限元模型提交到LS_DYNA進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)計(jì)算資源，設(shè)置積分步長(zhǎng)，計(jì)算總時(shí)長(zhǎng)為0.3 s。圖1為整車側(cè)翻變形最大時(shí)刻的示意圖。從整個(gè)計(jì)算過程的內(nèi)能、動(dòng)能、沙漏能等隨時(shí)間變化曲線中可知:滑移能為 1 083.2 J，沙漏能為588.6 J，都在初始動(dòng)能51 489.1 J的5%之內(nèi);Massing Scaling質(zhì)量增加了0.234 t，不超過總質(zhì)量7.09 t的5%;整車的撞擊能Ec=M×g×Δh=4 813.13 J小于分析的初始最大動(dòng)能Ek=51 489.1 J，上部結(jié)構(gòu)的吸收能量Ea=3 895.7 J大于上部結(jié)構(gòu)需要吸收的總能量ET=0.75Ec=3 609.75 J，滿足仿真分析要求。

圖1 側(cè)翻仿真整車變形最大時(shí)刻

2.2 生存空間測(cè)量

在側(cè)翻試驗(yàn)中，為了檢測(cè)車身立柱是否侵入生存空間，通常在車架上固定變形規(guī)，位置與車身立柱位置對(duì)應(yīng)。在變形規(guī)上安裝針頭，測(cè)量試驗(yàn)前后針頭伸出的長(zhǎng)度，得到車身立柱在側(cè)翻過程中與生存空間的最小距離。在仿真分析中同樣測(cè)量仿真過程中生存空間的測(cè)點(diǎn)與立柱之間的最小間距。

2.3 材料失效斷裂

在側(cè)翻試驗(yàn)與仿真分析中，因碰撞沖擊力的作用，車身結(jié)構(gòu)材料發(fā)生大變形，在受力集中位置容易出現(xiàn)塑性鉸，從而發(fā)生折彎或斷裂。分析仿真斷裂的位置與試驗(yàn)斷裂位置的一致性。

3 數(shù)據(jù)分析

本文以材料的兩種失效形式、多組失效系數(shù)和多組摩擦系數(shù)進(jìn)行側(cè)翻仿真分析，測(cè)量生存空間與車身立柱之間的距離，以及統(tǒng)計(jì)車身骨架斷裂的位置，并與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)標(biāo)。

本文方案參數(shù)取值見表2。其中等效塑性應(yīng)變是材料在整個(gè)變形過程中塑性應(yīng)變的積累結(jié)果，取值范圍一般為0.08～0.12。Thining塑性應(yīng)變是塑性應(yīng)變的一種細(xì)化，是金屬材料拉伸變薄達(dá)到一定程度后失效，其取值0.04～0.06。摩擦系數(shù)是側(cè)翻客車車身與剛性地面的摩擦關(guān)系，其取值范圍一般在0～1之間，或者tie_weld綁定，tie_weld是將地面與車身接觸摩擦力設(shè)置無窮大，阻止車身與地面的滑動(dòng)摩擦。

表2 仿真方案參數(shù)設(shè)置

3.1 生存空間距離分析

在試驗(yàn)過程中，由于其他因素的干擾，變形規(guī)上的針頭變形折彎等，部分測(cè)點(diǎn)位置的針頭數(shù)據(jù)不可用。現(xiàn)以12種方案中的方案6、7、11數(shù)據(jù)為例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析。

在側(cè)翻試驗(yàn)中剔除異常數(shù)據(jù)，共獲得了23個(gè)可用的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，與對(duì)應(yīng)的仿真數(shù)據(jù)對(duì)標(biāo)進(jìn)行處理分析。將試驗(yàn)中得到的數(shù)據(jù)位置測(cè)點(diǎn)從分析點(diǎn)1到分析點(diǎn)6，再?gòu)淖冃我?guī)1到變形規(guī)6的位置，分別命名為分析點(diǎn)1至分析點(diǎn)23。生存空間與車身立柱的最小距離如圖2所示。

圖2 生存空間與立柱間的距離

從圖2中可以看出側(cè)翻試驗(yàn)值與3種仿真方案中的數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)有較好的一致性，如分析點(diǎn)1～13的距離都小于0，說明生存空間已與車身立柱發(fā)生干涉，仿真與試驗(yàn)結(jié)果接近。分析點(diǎn)14～23大于0，仿真方案中測(cè)點(diǎn)16～23大于0，生存空間與車身立柱之間有安全距離，但是仿真與試驗(yàn)之間存在一定的偏差。

對(duì)上述的12種仿真方案進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)減去仿真分析中的23個(gè)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，得到差值，以“0”為目標(biāo)值，進(jìn)行方差和標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算，分析仿真值與試驗(yàn)值的偏離程度。結(jié)果見表3。

表3 生存空間距離數(shù)據(jù)處理結(jié)果

從3表可知:1)從方案1到方案4可以看出，在失效形式和取值相同的情況下，摩擦系數(shù)越大，生存空間與立柱最小距離的仿真值與試驗(yàn)值越接近;2)從方案4到方案6可以看出，在失效形式和摩擦系數(shù)相同的情況下，失效取值越小，生存空間與立柱最小距離的仿真值與試驗(yàn)值越接近;3)從方案6到方案8可以看出，在摩擦綁定(tie)，失效為等效塑性應(yīng)變時(shí)，失效取值對(duì)結(jié)果的影響不大，生存空間與立柱最小距離的仿真值與試驗(yàn)值較接近;4)從方案10到方案12可以看出，在Thining失效，摩擦綁定(tie)時(shí)，失效取值越大，生存空間與立柱最小距離的仿真值與試驗(yàn)值越接近。

3.2 斷裂失效分析

將仿真結(jié)果進(jìn)行斷裂失效位置統(tǒng)計(jì)分析，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析研究。方案7至方案12仿真結(jié)果中骨架斷裂位置數(shù)量情況統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4，其中A代表仿真斷裂試驗(yàn)未斷裂位置數(shù)量，B代表仿真與試驗(yàn)斷裂情況一致位置數(shù)量，C代表仿真未斷裂試驗(yàn)斷裂位置數(shù)量，D代表仿真準(zhǔn)確度，計(jì)算公式如下:

表4 斷裂失效數(shù)據(jù)分析

從表4可知，方案7、8和9仿真與試驗(yàn)斷裂情況一致性較差;仿真中斷裂位置與方案10和11相比較多;方案10和11仿真斷裂情況與試驗(yàn)較為接近。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜合考慮生存空間與車身立柱距離和車身斷裂情況，在客車側(cè)翻仿真分析中，車身材料失效設(shè)置為Thininng塑性應(yīng)變，大小設(shè)置為0.06，車身與地面的摩擦設(shè)置為tie_weld即可獲得與試驗(yàn)較為接近的結(jié)果。采用此參數(shù)的客車側(cè)翻仿真分析有利于準(zhǔn)確、快速地改進(jìn)整車設(shè)計(jì)，節(jié)約時(shí)間和成本，提高客車側(cè)翻認(rèn)證通過的可能性。