摘要：文章主要从客车侧翻有限元模型的建立及仿真出发，并且简述了客车上部结构改进，以期为行业提供有效的参考与借鉴。
关键词：客车；上部结构；侧翻安全性
一、客车侧翻有限元模型的建立及仿真
1.客车侧翻的概念
客车侧翻是指客车在行驶的过程中由于某些原因导致客车绕其纵轴线旋转 90°或者更大的角度时，客车车身和地面接触而发生碰撞冲击的一种危险的侧向运动。客车内侧车轮受到的垂直反力为零导致的侧翻；绊倒侧翻是指客车在行驶过程中出现侧向滑移，与路面的障碍物发生碰撞而被绊倒的侧翻导致客车发生侧翻的因素有很多，主要包括：（1）高速行驶的客车，因为轮胎安装问题或轮胎爆裂等故障，引起的车辆运动出现失控，使整车出现侧翻或倾倒现象；（2）在紧急转向或者突然急刹车工况下，车速仍较高且客车在满载情况下质心位置较高时，更容易出现客车侧翻的现象；（3）在湿滑行驶路面，客车轮胎与路面的附着系数较小，转向或紧急制动的工况下也容易发生侧翻；（4）在凹凸不平的路面或急弯的山路路况，车辆行进过程中容易产生较大的离心力，从而导致行驶的客车发生单侧倾倒性侧翻。（5）客车行驶过程中个，由于发生侧面碰撞、追尾、剐蹭等紧急情况，出现车辆侧向翻转情况。
2.三维模型的简化与建立
笔者以国产车型6119，总长10700，总宽2500，总高3460，轴距5700，整备质量11800，满载质量16500，前轮距2060，后轮距1860，前轴荷（空/满）4000/5500，后轴荷（空/满）7800/11000，前悬2350，后悬2650。
对客车侧翻来说，碰撞部位的矩形管件和钣金件是侧翻过程中容易变形的主要吸能部件，如车身侧围骨架中的窗立柱、侧围纵向腰梁、顶骨架纵梁和横梁等，在建立计算机几何模型时，必须准确反映这些关键部件的几何特征，不能对其进行过于简化的处理，以免影响分析的准确性。因此，根据样车结构特点和实际计算需要，在建立模型时进行如下简化工作：
（1）建模过程中去除结构件上的小孔、倒角、圆角；省略一些质量小、吸能少的部件，如扶手、地板角钢等（2）前后悬架、轮胎等对车身上部结构强度没有影响，但是对整车初始势能有影响，所以用梁单元和壳单元建立等高、等质量的部件连接于车架相应节点上；（3）构件表面要保证光顺化，如安装上的安装孔、工艺孔、凹槽、台阶、翻边等对车身骨架截面影响不大的工艺特征予以忽略。
3.有限元模型的建立
（1）选择网格种类及定义分析类型（共有静态、热传导、频率等八种类别）；（2）添加材料属性：材料属性通常从材料库中选择，它不并考虑缺陷和表面条件等因素，与几何模型相比，它有更多的不确定性。（3）施加约束：定义约束是最容易产生误差的地方。通常的误差来自于过约束模型，其后果是：结构过于刚硬并低估了实际变形量和应力值。对装配体而言，还要定义“接触/间隙”这种特殊的“约束”。约束的目的是禁止模型的刚体位移。（4）定义载荷：在现实中，只能大概地知道载荷的大小、分布、时间依赖关系。所以，必须在FEA分析中通过简化的假设做出近似的估计。因此，定义载荷会产生较大的建模误差（理想化误差）。（5）网格划分。
4.客车侧翻仿真分析
从仿真模拟侧翻发生的过程，可以将整个侧翻碰撞划分为两个过程。在车身结构发生最大变形的时刻，车身的腰梁部位开始接触地面，然后，发生最大变形后的车身结构开始慢慢回弹、恢复部分弹性变形，碰撞产生的能量急剧衰减，最后车体沿着地面滑动直到静止。侧翻结束后，车身发生了很大的变形，如图 1所示。
图1 侧翻碰撞过程中车身最大变形示意图
二、客车上部结构改进
客车侧翻事故中客车上部结构对乘客的安全起到关键作用，为了降低侧翻事故造成的严重损失以及对乘车人员的伤害，一般可采用以下措施：
1.侧围骨架立柱部位结构改进
立柱和腰梁之间存在多种连接关系，一般客车上多常用以下两种连接方式，即立柱贯通式和腰梁贯通式。贯通式窗立柱结构，是指侧围骨架中的窗立柱不分段，做为一根整体梁，而侧侧窗下沿的横梁则采用分段结构，焊接在上下贯通的窗立柱上；腰梁贯通式结构是将分段的立柱连接在腰梁及侧窗横梁上，立柱不是一个整体。
2.顶盖骨架部位结构改进
计算机仿真分析和前期试验结果表明，导致乘客生存空间被侵入的主要原因，是立柱的塑形变形，侧翻时，顶骨架与支柱连接的部位，最先承受侧翻时的撞击力，受力最严重，发生变形量较大，对生存空间的影响也很大，是最先需要结构优化的部位。从碰撞吸能的角度讲，车身骨架拓扑结构形状设计的核心是让尽可能多的结构杆件参与变形和载荷传递。客车侧翻情况下，尽可能让车身左右侧围都参与变形，使碰撞的动能较多地传递到对侧侧围。因此，顶盖骨架的结构就显得尤为重要，尤其是顶盖横梁两端的弯梁过渡部分，在侧窗立柱与顶横梁之间增加了连接斜撑，使碰撞时产生的冲击力，从窗立柱很好的过渡到顶横梁上，减小顶骨架端部的变形。
3.腰梁部位结构改进
大量侧翻仿真试验和实车试验表明，底架横梁和侧围立柱的连接处，如果发生大的角度位移或弯折变形，使车身立柱向车内倾斜，是造成侧围立柱侵入车内乘客生存空间的另一个重要原因。根据前期车辆的研究和试验可知，对侧围立柱与底架横梁连接部位的连接方式，进区域局部加强处理，能够明显改善侧翻碰撞试验产生的车身立柱变形情况。该车车身上部骨架结构是通过腰梁与底架连接的，其在仿真计算中产生了较大的塑性变形，是侧翻能否通过的关键因素。在该位置的车架格栅立柱向上加长，与侧围立柱搭接焊，局部增加了横截面的规格和刚度，在受到侧翻产生的侧向力时，可以给上部结构提供足够的强度，减小侧围立柱在侧翻时产生的塑性变形，以保证乘客的生存空间。
如果为了达到整车结构安全性要求，只是一味地使用加大规格的材料结构，不仅不利于整车的轻量化，与我们的设计初衷也不符合，也是不可取的。最理想的方法是用优化的结构来替代使用加大规格的材料结构，从而达到整车的安全性要求。
客车侧翻时，其侧围尤其是侧围立柱主要承受的是弯力和扭力，通过合理的结构设计，保证车身骨架有足够的刚度，使在客车侧翻过程中产生的弯曲力和扭转力尽量的沿着杆件方向递，有效的提高客车骨架的整体刚度，从而使客车的侧翻安全性满足法规要求。
参考文献：
［1］张维刚．高床大客车侧翻结构安全性仿真研究［Ｊ］．机械科学与技术，2007（7）
［2］夏德伟.客车车身骨架准静态侧翻仿真分析［Ｊ］．机械研究与应用，2018（2）
论文作者:林伟民
论文发表刊物:《基层建设》2019年第7期
论文发表时间:2019/6/24
标签：客车论文; 立柱论文; 结构论文; 骨架论文; 车身论文; 横梁论文; 发生论文; 《基层建设》2019年第7期论文;