徐海瀾，張國慶，彭雙蓮

(1.重慶車輛檢測研究院有限公司，重慶 401122； 2.金龍聯(lián)合汽車工業(yè)(蘇州)有限公司,江蘇 蘇州 215000)

0 引 言

在客車傾翻事故中，經(jīng)常會出現(xiàn)客車座椅固定件失效脫落導(dǎo)致人員傷亡的情況，為了減少這種情況的發(fā)生，就必須對客車座椅及其固定件在客車傾翻時的強(qiáng)度進(jìn)行考核。目前客車企業(yè)都有眾多的座椅型號以及座椅供應(yīng)商，但根據(jù)JT/T1094-2016《營運(yùn)客車安全技術(shù)條件》[1]的客車上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度實(shí)施方案，每個傾翻試驗(yàn)最多只能安裝兩種配置的座椅進(jìn)行試驗(yàn)，如果有兩種以上的座椅配置，即多個供應(yīng)商或者多種座椅型號，企業(yè)則需要對同一個車型進(jìn)行多次整車傾翻試驗(yàn)才能將多出的座椅配置納入該車型的認(rèn)可中。這樣既增加了企業(yè)的負(fù)擔(dān)，又對該車型的上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了不必要的重復(fù)試驗(yàn)，導(dǎo)致試驗(yàn)資源的浪費(fèi)。因此，需要設(shè)計一種低成本的等效試驗(yàn)方法對傾翻時客車座椅及其車輛固定件的強(qiáng)度進(jìn)行考核。此前對于客車傾翻，大部分的研究主要集中在客車上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的優(yōu)化設(shè)計[2-3]、生存空間的評價方法[4-5]以及傾翻時車內(nèi)乘員損傷[6-7]，對于車內(nèi)的座椅及其車輛固定件強(qiáng)度考核方面的研究還比較缺乏。筆者基于LS-DYNA[8]對某型客車傾翻試驗(yàn)進(jìn)行仿真分析，通過對比座椅與車身連接處網(wǎng)格應(yīng)力分布的相似度，設(shè)計出能夠反映傾翻時客車座椅及其車輛固定件強(qiáng)度的等效臺車試驗(yàn)方法。

1 客車傾翻試驗(yàn)方法和等效臺車試驗(yàn)方案的分析

JT/T1094-2016中對客車上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求除了引用GB17578-2013《客車上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求及試驗(yàn)方法》[9]的試驗(yàn)方法以及要求之外，還增加了座椅與車輛固定件不應(yīng)失效的要求。大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在傾翻過程中有關(guān)座椅與車輛固定件的失效方式主要是傾翻外側(cè)座椅的車輛固定件失效，座椅本身以及傾翻內(nèi)側(cè)座椅不會失效，如圖1所示。所以此文主要針對傾翻車輛座椅側(cè)掛的應(yīng)力分布進(jìn)行研究。

圖1 傾翻時車輛固定件失效方式

GB17578-2013中客車傾翻試驗(yàn)如圖2所示，客車在總有效質(zhì)量下，從離地800 mm的高度翻落至水平地面。在客車接觸到地面時，其所受到的力有垂直方向上的力F1以及水平方向上的摩擦力F2，這兩個力的合力為F。由于客車座椅與客車骨架剛性連接在一起，所以其在客車傾翻時所受到的力與客車整體相同。

圖2 客車傾翻試驗(yàn)示意圖和受力情況

通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，在客車剛接觸地面到其上部結(jié)構(gòu)變形到最大這個時間段內(nèi)，客車在垂直方向上的速度變化量是水平方向上的速度變化量的約10倍，所以垂直方向上的力F1的大小也是水平方向上的力F2的10倍，所以合力F的大小和方向均非常接近F1。因此，我們可以近似的認(rèn)為在這段時間內(nèi)客車所受力的方向始終垂直向上，從而能夠進(jìn)一步認(rèn)為客車內(nèi)的座椅該時間區(qū)間內(nèi)所受的加速度的方向始終垂直向上。而臺車模擬碰撞試驗(yàn)系統(tǒng)正是能夠?qū)υ囼?yàn)物體提供所需的單一方向上的加速度，簡稱臺車試驗(yàn)，如圖3所示。

所以理論上完全可以將傾翻時客車上座椅及其車輛固定件所受到的載荷利用臺車試驗(yàn)的方法來實(shí)現(xiàn)，如圖4所示。座椅橫向安裝在臺面上，并且與臺面成θ角，臺車加速度方向與傾斜方向相反。用以模擬客車傾翻時座椅及其車輛固定件所處的載荷狀態(tài)。

圖3 加速型臺車模擬碰撞試驗(yàn)系統(tǒng) 圖4 等效臺車試驗(yàn)方案有限元仿真模型

2 有限元模型的建立

2.1 某型客車傾翻試驗(yàn)有限元仿真模型

以某車型傾翻試驗(yàn)為基礎(chǔ)，利用LS-DYNA建立有限元仿真模型，見圖5，該車型的長寬高尺寸分別為10 990 mm×2 500 mm×3 530 mm，傾翻試驗(yàn)時總有效質(zhì)量為13 688 kg，為了提高計算效率，單元格尺寸控制在20 mm，并且車輛底盤采用剛性體。為了簡化模型，只考慮車輛骨架以及座椅，至于座椅上的配重和車輛附件等均采用配重的方式添加進(jìn)模型中，保證最終模型中車輛的質(zhì)心與實(shí)際測試時車輛的質(zhì)心位置偏差在10%以內(nèi)，質(zhì)量偏差在5%以內(nèi)。

通過對比客車傾翻時不同時刻實(shí)際試驗(yàn)與有限元仿真模型的運(yùn)動狀態(tài)以及上部結(jié)構(gòu)的變形狀態(tài)，來對該有限元模型進(jìn)行對標(biāo)，見圖5。結(jié)果顯示該仿真模型能夠有效反映出實(shí)際試驗(yàn)的運(yùn)動狀態(tài)以及試驗(yàn)結(jié)果。所以該有限元仿真模型是可信的。

圖5 客車傾翻實(shí)際試驗(yàn)與仿真模型在不同時刻的運(yùn)動狀態(tài)對比

2.2 等效臺車試驗(yàn)有限元仿真模型

由于客車上有很多排座椅，為了方便對比，所討論的座椅及其車輛固定件為車輛質(zhì)心位置處傾翻側(cè)外側(cè)的那排座椅，如圖6中箭頭所示。

圖6 座椅所處位置示意圖

因此，等效臺車試驗(yàn)有限元仿真模型是通過將整車傾翻模型中質(zhì)心附近傾翻側(cè)外側(cè)座椅及其車輛固定件提取出來，橫向傾斜連接在剛性模擬臺車底座上形成的。其單元尺寸、材料屬性以及連接方式均和整車傾翻模型上保持一致，如圖4所示。等效臺車試驗(yàn)所使用的加速度是從整車傾翻模型中所提取的質(zhì)心位置的合成加速度，由于整個傾翻過程中座椅所受到的加速度出現(xiàn)在客車接觸地時刻到上部結(jié)構(gòu)發(fā)生最大變形量的時刻之間，所以只考慮這一時間區(qū)間的加速度，如圖7所示。

圖7 等效臺車試驗(yàn)所使用的加速度-時間曲線

3 等效臺車試驗(yàn)傾斜角度的確定

由于客車傾翻試驗(yàn)考核的是客車的上部結(jié)構(gòu)，所以在客車傾翻時，客車的地板及以下結(jié)構(gòu)基本上不會發(fā)生變形，但從圖8可知，客車的下部結(jié)構(gòu)在客車接觸地面到變形最大這一時間區(qū)間內(nèi)其相對于水平方向的角度在不斷發(fā)生變化，這一角度可以通過傾翻試驗(yàn)高速攝像視頻圖像測量出來，就本文所討論的情況，其角度從72°減小到62°。這就說明安裝在地板上的客車座椅在這期間其傾斜方向與受力方向的夾角從18°增加到了28°。即在圖4所示的臺車試驗(yàn)中傾斜角度θ需從18°變化到28°。但在實(shí)際的臺車試驗(yàn)中，每次試驗(yàn)其傾斜角度無法發(fā)生變化。所以需要找出最佳的傾斜角度。

由上述可知，傾翻時座椅失效主要出現(xiàn)在傾翻側(cè)外側(cè)的座椅側(cè)掛位置，故選定整車傾翻模型中質(zhì)心附近傾翻側(cè)外側(cè)座椅的側(cè)掛為應(yīng)力分布的研究對象。將其最大應(yīng)力出現(xiàn)時刻時的應(yīng)力分布與每種傾斜角度下等效臺車試驗(yàn)中座椅側(cè)掛的應(yīng)力分布進(jìn)行比較，如圖9所示。傾斜角度從18°變化到28°。

圖8 客車底盤與水平方向的夾角與對應(yīng)座椅傾斜角度

圖9 客車傾翻和臺車試驗(yàn)有限元仿真座椅側(cè)掛應(yīng)力分布圖

此分析引入相關(guān)性系數(shù)[10]來對其相似度進(jìn)行量化評價。將靠近質(zhì)心位置的車輛傾翻側(cè)外側(cè)的一排座椅與側(cè)身連接處的側(cè)掛作為研究對象，將其對應(yīng)的網(wǎng)格進(jìn)行排序，得出的應(yīng)力分布結(jié)果按照排序生成向量A，然后利用同樣的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，將其應(yīng)用到臺車CAE模型上，得出的結(jié)果按照相同的排序生成向量B，然后按照公式(1)計算向量A和向量B的相關(guān)系數(shù)。

(1)

表1列出了不同角度下的臺車CAE仿真結(jié)果與傾翻CAE仿真結(jié)果的相關(guān)系數(shù)，傾斜角度變化步長為1°。從表1可知，最高的相關(guān)系數(shù)出現(xiàn)在傾斜角度為24°的時候，并且其附近傾斜角度的相關(guān)系數(shù)都在0.7以上，而在傾斜角度的上限28°以及下限18°的相關(guān)系數(shù)都比較低。

表1 不同傾斜角度下臺車與整車上座椅側(cè)掛應(yīng)力分布相關(guān)系數(shù)

這里定義相關(guān)系數(shù)的百分?jǐn)?shù)為相似度，為了能夠更直觀的反映出變化規(guī)律，我們利用柱狀圖來呈現(xiàn)，見圖10。從圖可知，在角度的調(diào)整中，其座椅與車輛的連接位置應(yīng)力分布與車輛傾翻時的應(yīng)力分布的相似度的變化呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，在中間角度時達(dá)到最大值，兩邊較小，特別是當(dāng)角度越接近上限時，下降得越明顯。經(jīng)過分析，主要是由于在傾翻過程中，座椅相對于加速度方向的角度是從18°持續(xù)變化到28°的，而在臺車上，傾斜角度是在整個沖擊過程中是固定不變的，所以當(dāng)傾斜角度處于中間的值時會相對兩邊與實(shí)際的最大應(yīng)力分布更為接近一些。由此可知臺車試驗(yàn)的時候座椅與臺面的傾斜角度取中間值會更接近于實(shí)際傾翻時的狀態(tài)，這也進(jìn)一步要求進(jìn)行該項(xiàng)等效臺車試驗(yàn)的前提是已經(jīng)針對相應(yīng)車型進(jìn)行了傾翻試驗(yàn)，這樣才能通過高速攝像視頻獲取到最大和最小傾斜角度并得到臺車試所需的座椅傾斜角度。

圖10 不同傾斜角度相似度柱狀圖

4 等效臺車臺車試驗(yàn)方法要點(diǎn)總結(jié)

通過前文的研究，我們可以得到一個能夠反映傾翻時客車座椅及其車輛固定件強(qiáng)度的等效臺車試驗(yàn)方法，其關(guān)鍵要求如下：

(1) 該車型必須已經(jīng)進(jìn)行過傾翻試驗(yàn)，并且試驗(yàn)時采集了質(zhì)心位置的合成加速度以及正前方的高速攝像視頻。

(2) 通過分析高速攝像，找出客車剛接觸地面的時刻t1以及其底盤與垂直方向的夾角θ1和客車上部結(jié)構(gòu)達(dá)到最大變形量的時刻t2以及其底盤與垂直方向的夾角θ2。

(3) 截取t1到t2這個時間區(qū)間內(nèi)的合成加速度，作為臺車試驗(yàn)加速度。

(4) 將座椅及其車輛固定件工裝橫向傾斜安裝在加速臺車上，其傾斜角度為(θ2+θ1)/2,進(jìn)行臺車試驗(yàn)。

5 結(jié) 語

基于LS-DYNA對某型客車傾翻試驗(yàn)進(jìn)行仿真分析，并建立了臺車試驗(yàn)有限元模型。通過對比整車與臺車上座椅側(cè)掛處網(wǎng)格應(yīng)力分布的相似度，設(shè)計出了能夠有效反映傾翻時客車座椅及其車輛固定件強(qiáng)度的等效臺車試驗(yàn)方法。為考核座椅及其車輛固定件在客車傾翻狀態(tài)下的強(qiáng)度提供了一種低成本的試驗(yàn)方法，若該方法得以實(shí)施，可以有效的減少對于客車上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的重復(fù)試驗(yàn)，降低企業(yè)負(fù)擔(dān)。