大客車正面碰撞結構耐撞性分析與改進

大客車正面碰撞結構耐撞性分析與改進

黎勇;吳長風;藍平輝;葉松奎;那景新

【摘 要】以某12m全承載式客車為研究對象,進行正面碰撞下的結構耐撞性分析.

針對駕駛員及上層前排乘客生存空間侵入嚴重的情況,在前端增加吸能盒,并采用正

交試驗設計的方法對其進行改進.結果表明,駕駛員及上層乘客的生存空間均得到保

證,兩處的碰撞加速度值分別降低18％和61％.

【期刊名稱】《客車技術與研究》

【年(卷),期】2017(039)001

【總頁數】4頁(P10-13)

【關鍵詞】全承載式客車;正面碰撞;生存空間;正交設計;結構改進

【作 者】黎勇;吳長風;藍平輝;葉松奎;那景新

【作者單位】廈門理工學院機械與汽車工程學院,福建廈門361024;廈門金龍聯合

汽車工業有限公司,福建廈門361023;廈門金龍聯合汽車工業有限公司,福建廈門

361023;吉林大學汽車仿真與控制國家重點實驗室,長春130022;廈門金龍聯合汽

車工業有限公司,福建廈門361023;廈門金龍聯合汽車工業有限公司,福建廈門

361023;吉林大學汽車仿真與控制國家重點實驗室,長春130022

【正文語種】中 文

【中圖分類】U461.91

據相關數據統計，我國客車肇事發生的交通事故占整個道路交通事故的40%～

50%，其中客車發生正面碰撞的事故占整個客車事故的50%～60%[1-2]。目前國

內汽車正面碰撞法規僅適用M1類汽車，對客車車身結構安全性的要求也局限在

上部結構強度方面[3]。因此開展對大客車正面碰撞研究，對加快客車碰撞試驗方

法的制定有著重要的意義。

國內已有學者對客車結構耐撞性方面做了深入的研究[4-6]，但在一層半客車正面

碰撞方面的研究較為缺乏。本文以某款12 m一層半大客車為對象，研究了客車在

30 km/h碰撞速度下的整車變形結果，對上層前排乘客生存空間無法得到保障的

問題提出改進方案，為以后客車車體安全性設計提供參考。

1.1 有限元模型的建立

為保證仿真分析的準確性并縮短計算時間，對模型進行合理的簡化處理。遵循

CAE分析簡化原則[7]，采用有限元軟件Hypermesh對該客車進行建模。

客車車身骨架采用Q235材料，車架采用Q345材料[8]，相關屬性可由相關資料

查得。客車模型整備質量為14.2 t，與該車實車相當。最終得到的有限元模型殼單

元總數為1 853 623個，節點數1 860 553個，三角單元16 621個，如圖1所

示。依據客車正面碰撞試驗方法研究[9]，在駕駛員及上層前排座椅處，采用符合

中國成年人尺寸的泡沫假人[10]，用以測量人體空間的侵入量，如圖2所示（L1

為駕駛員生存空間和上層乘客生存空間，主要測量方向盤盤幅與駕駛員的X方向

距離、前圍與上層乘客的X方向距離；L2為測量方向盤盤幅與駕駛員的Z方向距

離；L3為駕駛員腿部與方向盤轉向柱最小距離）。

1.2 模型的有效性驗證

CAE分析和整車試驗得到的整車變形對比如圖3所示。大客車前部變形很大，特

別是在前軸之前，使得駕駛員及上層前排乘客的生存空間變形嚴重，幾乎沒有生存

的可能，但頂蓋和中門基本上沒有變形，后排乘客可以從頂部的安全出口或中門逃

生。

試驗前在上層前圍立柱處安裝了加速度傳感器采集加速度曲線。圖4為其加速度

曲線對比，以前圍接觸剛性墻為0時刻，仿真分析的最大加速度值較試驗采集數

據大11.4%。

表1是對生存空間的仿真與試驗的數據對比分析。由于仿真分析中忽略了玻璃、

蒙皮等因素的影響，仿真值稍微偏小，誤差控制在10%～15%之間，加速度波形

變化趨勢基本一致，峰值的變化誤差相對較小。故可認為仿真模型是有效的，可進

行后續相關的整車改進分析。

2.1 改進方案

該車正面碰撞后存在的問題主要有：駕駛區變形嚴重，轉向盤隨著前圍的擠壓而向

后移動，駕駛員的生存空間變得很小；上層地板縱向骨架彎折變形，不能有效傳遞

碰撞力；客車為全承載式車身，客車前部骨架剛度較弱；缺乏合理有效的傳力途徑

和吸能結構。為了改善客車前部變形情況，改善駕駛員及乘客的生存空間，對客車

底架和上層地板骨架提出如下改進方案：

1）底架前部結構改進。在客車前部底架的格柵結構中增加斜撐和縱梁，同時設計

菱形結構梁以增加其抗變形能力，如圖5（圖中圓圈標記為增加結構）所示。

2）前排上層地板結構改進。在上層底板處增加傳力方鋼和斜撐，如圖6（圖中圓

圈標記為增加結構）所示。

3）底盤前端設計吸能結構。在客車前圍骨架與底盤骨架前端空隙之間設計2個吸

能盒，如圖7所示。

4）在上層前端設計吸能結構。在上層前排地板懸架橫梁與前圍之間設計3個吸能

盒，如圖8所示。

2.2 吸能盒結構的正交試驗設計

正交試驗設計（Orthogonal Experimental Design）是研究多因素、多水平的一

種試驗設計方法，它是根據正交性從全面試驗中挑選出部分有代表性的方案進行試

驗，這些有代表性的方案具備了“均勻分散，齊整可比”的特點。經過研究表明，

薄壁結構的吸能性與厚度、截面尺寸、材料等參數有關[11-13]。以吸能盒的厚度、

寬度、高度、開口位置（距離前端自由端的距離L）4個參數作為因子研究上下兩

層吸能盒結構的吸能特性，如圖9所示，每個因子各有3個水平。目前承載式車

身大客車吸能結構厚度一般為1.0～5.0 mm。具體見表2。

文中采用的是L9（34）的正交表，正交表及仿真結果如表3所示。其中A、E分

別為上下層吸能盒厚度，B、F分別為上下層吸能盒寬度，C、G分別為上下層吸

能盒高度，D、H分別為上下層吸能盒開口位置。

暫時不考慮開孔位置因子的顯著性水平，把上層第四列作為誤差項，得出方差分析

表4。對于顯著性水平α=0.10、0.05和0.01，查表得到臨界值分別為：F0.9（2，

2）=9，F0.95（2，2）=19，F0.99（2，2）=99。可以看出因子A顯著。

不考慮吸能盒的寬度和高度因子的顯著性水平，把上層第三、第四列作為誤差項，

得出方差分析表5。對于顯著性水平α=0.10、0.05和0.01，查表得到臨界值分別

為：F0.9（2，4）=4.32，F0.95（2，2）=6.94，F0.99（2，2）=18。可以看出

因子A顯著。下層吸能盒分析類似。

由主效應分析得到各個因素水平的主效應見圖10。從中可以看出，厚度因子對吸

能盒吸能效果影響最大，其它因子影響較小。綜上所述，上層吸能盒最優組合為

A3B3C2D1，下層吸能盒最優組合為E3F3G2H1。

2.3改進后結果分析

2.3.1 生存空間分析

改進后駕駛員和上層乘客的生存空間情況見表6，與表1對比可以看到兩者的生存

空間均得到了足夠的保證，大大降低了乘員損傷的風險。

2.3.2 加速度對比分析

加速度的變化是衡量車體的碰撞吸能性能好壞的重要指標[14-15]。改進前后的碰

撞加速度變化對比如圖11-圖13所示。

從圖11-圖13可以得出：

1）改進后整車碰撞質心加速度雖然在40 ms處有一個峰值，這是由于上層吸能盒

與剛性壁接觸時的沖擊造成的；而曲線后期峰值明顯降低，說明改進后整車的結構

更加合理，具有更好的緩沖吸能能力。

2）駕駛員座椅處的碰撞加速度峰值由改進前的50.2 g降為改進后的41.1 g。

3）上層前排右側座椅處加速度由改進前的17.9 g降為改進后的17.8 g，雖然變

化不大，但加速度峰值出現時刻延后，峰值過后加速度平穩下降。

4）上層前排左側座椅處加速度由改進前的47.7 g降為改進后的18.4 g，加速度

峰值變化明顯，且改進后的加速度變化平緩。

1）從仿真分析結果可以看出，30 km/h碰撞速度下該大客車耐撞性較差，駕駛艙

內生存空間很小，上層前排乘客生存空間受到擠壓，容易造成乘員傷亡。

2）改進后的大客車的前部變形、駕駛員及上排乘客生存空間和典型測點的加速度

都有所降低，說明改進后車身結構的緩沖吸能能力加強，提高了整車的耐撞性能，

降低了乘員的損傷風險，對大客車車身結構耐撞性設計及后續相關的研究具有參考

價值。

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