何成　張斌　朱海濤　劉偉東　薄旭盛

摘 要：針對(duì)客車(chē)在正面碰撞中較高的駕駛員傷亡風(fēng)險(xiǎn)，本文對(duì)某型全承載客車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)及駕駛員約束系統(tǒng)的正面碰撞安全性進(jìn)行了研究。首先利用經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的客車(chē)有限元模型對(duì)其在50km/h碰撞速度下的車(chē)身結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行了分析及改進(jìn)設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了客車(chē)駕駛員約束系統(tǒng)有限元模型并對(duì)其保護(hù)效果進(jìn)行了分析。最后針對(duì)約束系統(tǒng)存在的問(wèn)題對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)及優(yōu)化匹配。仿真結(jié)果表明，通過(guò)對(duì)整車(chē)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)和駕駛員約束系統(tǒng)的匹配設(shè)計(jì)，駕駛員側(cè)假人頭部、胸部和腿部損傷值下降幅度明顯，較好地滿足了相關(guān)法規(guī)要求。

關(guān)鍵詞：全承載客車(chē)；駕駛員約束系統(tǒng)；正面碰撞安全性；優(yōu)化匹配

1 引言

近年來(lái)，頻發(fā)的客車(chē)安全事故，特別是由大、中型客車(chē)造成群死群傷的重特大交通事故，使得客車(chē)安全問(wèn)題越來(lái)越為人們所重視。據(jù)統(tǒng)計(jì)[1]，2011～2013年，我國(guó)發(fā)生與營(yíng)運(yùn)客車(chē)相關(guān)的一次死亡10人以上的重特大道路交通事故共49起，共造成752人死亡。在客車(chē)發(fā)生的各類(lèi)事故中，側(cè)翻和碰撞為其主要形態(tài)，其中由客車(chē)引發(fā)的正面碰撞事故約占整個(gè)客車(chē)事故的50%～60%[2]。由于客車(chē)質(zhì)量較大，在行駛中速度較高，一旦發(fā)生碰撞，將產(chǎn)生很大的碰撞動(dòng)能，又因大部分客車(chē)為發(fā)動(dòng)機(jī)后置平頭結(jié)構(gòu)，使得客車(chē)前端的變形吸能空間較小，在碰撞中易造成客車(chē)前端的駕駛艙區(qū)域發(fā)生較大變形甚至壓潰的情況?？蛙?chē)駕駛員直接處于客車(chē)前端易變形區(qū)，而目前客車(chē)上針對(duì)駕駛員的防護(hù)措施僅限于三點(diǎn)式安全帶，在碰撞中駕駛員很容易因生存空間被侵入而遭到致命傷害，因此提高客車(chē)駕駛員的安全性顯得尤其重要。

不少國(guó)內(nèi)外學(xué)者在客車(chē)的正面碰撞安全性研究中做出了有益的探索。Peter等[3]較早提出了提高客車(chē)駕駛員和導(dǎo)游安全性的概念設(shè)計(jì)方法。Matolcsy[4]為推進(jìn)公交客車(chē)碰撞安全法規(guī)的制定，對(duì)公交客車(chē)的事故類(lèi)型，駕駛員生存空間及試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和試驗(yàn)研究。Cerit等[11]參照ECER29法規(guī)要求，對(duì)客車(chē)前端結(jié)構(gòu)變形及方向盤(pán)侵入量進(jìn)行了研究。張毅等人[5-10]對(duì)大、中型客車(chē)在50km/h碰撞速度下的車(chē)身結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析與改進(jìn)設(shè)計(jì)。Li等[12，13]研究了客車(chē)在不同碰撞初速度下車(chē)身結(jié)構(gòu)的變形及中型客車(chē)在100%正面、40%偏置和30o斜角三種碰撞工況下的車(chē)身變形及乘員損傷。

上述研究在改善客車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)方面做了大量工作，對(duì)客車(chē)乘員在正面碰撞中的損傷也進(jìn)行了一定的分析，然而并沒(méi)有對(duì)提高乘員的損傷防護(hù)做進(jìn)一步研究。本文基于客車(chē)駕駛員在正面碰撞中存在較高的損傷風(fēng)險(xiǎn)，研究了某全承載客車(chē)50km/h碰撞速度下駕駛艙的變形，在對(duì)該客車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，分析了其駕駛員約束系統(tǒng)存在的問(wèn)題，為此提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施并進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，以使客車(chē)駕駛員側(cè)假人的各項(xiàng)損傷指標(biāo)滿足相關(guān)法規(guī)要求。

2 整車(chē)結(jié)構(gòu)改進(jìn)研究

2.1 整車(chē)有限元模型驗(yàn)證

本文利用某企業(yè)提供的一款全承載客車(chē)有限元模型對(duì)其車(chē)身結(jié)構(gòu)的正面碰撞安全性進(jìn)行仿真分析。該客車(chē)有限元模型在有限元前處理軟件HYPERMESH中建立，主要包括車(chē)身骨架、車(chē)輪、轉(zhuǎn)向系、外飾四個(gè)部分，總共有582959個(gè)單元，其中薄殼單元553462個(gè)，實(shí)體單元12573個(gè)，焊點(diǎn)單元16924個(gè)。圖1為客車(chē)在30km/h碰撞速度下試驗(yàn)與仿真縱向加速度曲線對(duì)比，試驗(yàn)加速度測(cè)量點(diǎn)選在駕駛員座椅下方骨架不易變形區(qū)，以測(cè)量駕駛員在碰撞過(guò)程中所受加速度。由于客車(chē)前端無(wú)吸能結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)加速度產(chǎn)生了一個(gè)較大的峰值，且持續(xù)時(shí)間較短。從圖1可以看出，仿真與試驗(yàn)加速度曲線峰值以及峰值出現(xiàn)時(shí)刻保持一致，整車(chē)有限元模型建模準(zhǔn)確可用于后續(xù)研究。

2.2 車(chē)身結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)

采用非線性有限元分析軟件LS-DYNA對(duì)客車(chē)在50km/h的碰撞速度下進(jìn)行了仿真分析。圖2為碰撞后客車(chē)駕駛艙及其前端底盤(pán)骨架變形，由于客車(chē)前端底盤(pán)骨架產(chǎn)生了很大變形，導(dǎo)致客車(chē)駕駛艙幾乎被壓潰，駕駛員生存空間被方向盤(pán)嚴(yán)重侵入。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)該客車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)存在以下問(wèn)題：（1）客車(chē)前端無(wú)吸能結(jié)構(gòu)，碰撞動(dòng)能只能全部通過(guò)車(chē)身骨架的變形來(lái)耗散；（2）客車(chē)前端底盤(pán)骨架強(qiáng)度不夠，在布局上沒(méi)有考慮碰撞工況下力的連續(xù)性傳導(dǎo)，導(dǎo)致碰撞力不能向后方骨架有效傳遞。

針對(duì)上述問(wèn)題，對(duì)客車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)。（1）根據(jù)文獻(xiàn)[14，15]中的研究，3×3多胞鋁合金吸能方管在軸向沖擊下的能量吸收效率比單胞方管和泡沫填充方管要高出50%～100%，本研究將其作為客車(chē)前端的碰撞吸能結(jié)構(gòu)，以盡可能多地吸收客車(chē)碰撞能量。利用臺(tái)車(chē)碰撞試驗(yàn)對(duì)該吸能管材料參數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比如圖3所示。由圖可知，試驗(yàn)與仿真中碰撞加速度峰值、各峰值出現(xiàn)時(shí)刻以及吸能管的變形模式都具有較好的一致性，該鋁合金材料參數(shù)準(zhǔn)確性較好，可用于本文的研究。（2）對(duì)客車(chē)前端底盤(pán)骨架起主要傳力作用的關(guān)鍵梁適當(dāng)增加厚度，對(duì)其薄弱或傳力路徑中斷處增加必要的支撐梁，如圖4中綠色部分所示，以確保碰撞力能向后方骨架有效傳遞。改進(jìn)后的客車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)如圖4所示。

為了使吸能管在吸收較多客車(chē)碰撞能量地同時(shí)有效降低碰撞加速度峰值，對(duì)其數(shù)目、厚度及長(zhǎng)度的不同組合進(jìn)行了大量的仿真分析，最終確定采用8根吸能管，厚度統(tǒng)一為1.6 mm，由于客車(chē)前端的空間限制，吸能管最大長(zhǎng)度為260mm，具體布置如圖4所示。此方案中由吸能管吸收的碰撞能量占到了客車(chē)總碰撞能量的41.2%，吸能效果顯著。改進(jìn)前后客車(chē)駕駛艙碰撞變形和縱向加速度對(duì)比分別如圖5、圖6所示，由圖可知，整車(chē)結(jié)構(gòu)改進(jìn)后駕駛艙變形得到了較好地控制，確保了駕駛員的有效生存空間，加速度脈寬由10 ms增加到40ms，其峰值由160g降為66g。因此，客車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)改進(jìn)效果明顯，改進(jìn)后的整車(chē)模型可作為下一步研究駕駛員約束系統(tǒng)防護(hù)性能的基礎(chǔ)模型。

3 駕駛員約束系統(tǒng)建模及分析

3.1 駕駛員約束系統(tǒng)有限元模型建立

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于駕駛員的損傷及其防護(hù)從車(chē)身結(jié)構(gòu)和駕駛員約束系統(tǒng)兩個(gè)方面對(duì)客車(chē)的正面碰撞安全性進(jìn)行了研究。在車(chē)身結(jié)構(gòu)方面，將一種多胞鋁合金薄壁吸能方管應(yīng)用于客車(chē)碰撞吸能，吸能管吸收能量占到了客車(chē)總能量的41.2%，有效解決了客車(chē)因吸收過(guò)多能量造成駕駛艙產(chǎn)生較大變形的問(wèn)題。結(jié)合對(duì)車(chē)身底盤(pán)骨架結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)，客車(chē)碰撞縱向加速度波形和駕駛艙變形都得到了較好的改善。

以改進(jìn)后的整車(chē)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，對(duì)客車(chē)駕駛員約束系統(tǒng)的保護(hù)效果、改進(jìn)措施和優(yōu)化策略進(jìn)行了探索性研究。結(jié)果表明，原有的駕駛員約束系統(tǒng)無(wú)法對(duì)假人形成有效保護(hù)，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)及優(yōu)化匹配，假人頭部、胸部和腿部損傷值下降幅度明顯，較好地滿足了相關(guān)法規(guī)要求。駕駛員約束系統(tǒng)優(yōu)化后假人的 WIC值較其改進(jìn)前下降了67.8%。這種基于駕駛員損傷防護(hù)的客車(chē)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法可對(duì)客車(chē)駕駛員在正面碰撞工況下提供較好的保護(hù)，為客車(chē)今后開(kāi)展更為嚴(yán)格的實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)提供了一定的指導(dǎo)。

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