接头设计对客车侧翻仿真的影响

林圣存

(广西科技大学 汽车工程研究所,广西 柳州 545006)

摘 要:接头是车身结构的重要组成部分,起着过渡作用,接头结构的合理性是保障汽车安全性能的重要因素.通过对某车型的翻车模拟仿真,结果发现由于接头设计不当,刚度不足,使接头多处发生屈服,导致整车侧面翻车而变形严重,使司乘人员受伤严重.文章通过对接头结构进行改进,重新设计,建立仿真模型,经仿真分析、有限元计算,结果能满足现行法规的要求,由此证明合理的接头设计能够在整车侧翻时使司乘人员的安全性得到提高,减轻其受伤害程度,为今后的客车结构设计提供参考.

关键词:接头设计;侧面翻车;仿真模型;有限元计算

0 引言

如今,随着世界汽车保有量的持续增长,汽车的交通事故也在频繁发生.从交通事故的统计数据来看,其中车辆翻车导致的乘员受伤非常严重;因此,研究并提高车辆的翻车安全性十分必要[1].

接头、板和梁这三大部件是车身结构的主要部分.其中,接头是车身结构的一个重要部分,在车身结构中起着过渡的作用.车身接头刚度的大小,对整个车身的刚度、强度和模态产生直接的影响.车身的结构受到载荷时,结构的连接过渡处即接头处受力较大,一般来讲,车辆的骨架断裂等问题,都可以追溯到接头部分[2].在车辆侧面翻车的过程中,着地初始阶段的主要部件是接头,如果这个阶段接头因为刚度不足等设计原因,会导致整车在翻车时发生严重变形;因此,车身接头模型建立对整个汽车骨架的计算分析产生影响.

文中对某承载式客车进行建模,建立车身骨架的侧翻碰撞模型,利用Ls-dyna进行求解计算,证明接头结构设计对侧翻仿真分析结果的影响程度.

1 建立原方案的侧翻仿真模型

1.1 相关法规

各国都发布了关于客车侧翻的安全法规,比如美国发布了FMSVV216的车顶抗压强度与FMSVV208的乘客安全保护,欧洲发布了CECR66的客车车身上部结构强度安全要求.国内也制定了相应的法规《GB/T17578客车上部结构强度的规定》(文中简称GB/T17578).法规中对翻转台的建立和乘员空间的布置进行了详细的说明.

对于翻转平台的设计(图1),法规要求:客车停放在一个水平的翻转平台上,翻转轴平行于客车纵轴线,初始水平面和碰撞水平面的高度差为800 mm.

图1 GB17578的侧翻原理图
Fig.1 Principle of GB17578 rollover

图2 生存空间(横截面)(单位:mm)
Fig.2 Living space(cross section)(unit:mm)

对于生存空间的设计(图2—图3),GB/T17578要求:车身任何部分的位移都不允许侵入生存空间,生存空间内的任何部分都不能突出到变形的车身结构外.

图3 生存空间(纵截面)(单位:mm)
Fig.3 Living space(longitudinal section)(unit:mm)

1.2 仿真模型的建立

在客车侧碰模型的建立过程中,进行了如下细节的处理[3].

1)发动机总成、油箱采用体单元来模拟,轮胎和前后桥采用50 mm的壳单元划分.前后桥与轮圈的连接用CONSTRAINED_RIGID_BODIES来定义.发动机总成、油箱跟底盘的连接用CONSTRAINED_EXTRA_NODE_NODE来定义.

2)客车侧翻过程中,在未触及地面之前,客车上部结构基本没有变形,为了提高计算效率节约计算成本,对客车即将触地时刻到变形结束的阶段进行模拟.根据侧翻临界角和该车的重心位置,运用能量守恒公式计算出客车即将触地时刻的角速度为 1.82 rad/s.整个过程中考虑重力加速度,取 9.8 m/s2.

3)模型中的车身部件的接触类型为单面自动接触;轮胎与侧倾平台的接触、车身骨架与地面的接触为自动面面接触.图4为需要建立的侧翻有限元模型.

图4 侧翻CAE模型
Fig.4 CAE rollover model

2 原方案的计算结果及分析

2.1 计算结果

计算结果如图5所示,图中可知,生存空间明显侵入到地面(红色圈),侵入量约212 mm.明显地,原方案的侧翻达不到法规的要求.进一步查看计算结果,发现碰地侧的车身接头,大部分都产生了严重的屈服(图 6—图 7)[4].

图5 侧翻结果
Fig.5 Rollover results

图6 顶部接头
Fig.6 Top joint

图7 尾门框接头
Fig.7 Tail frame joint

2.2 结果分析与改进

之所以碰地侧的大部分接头都发生了屈服,是因为现有结构的设计,导致接头刚度不足.在触地的时刻,顶部与侧围的接头,以及窗下纵梁与司机门框搭接的接头,最先着地,承受很大的冲击载荷.如果刚度不足,很容易发生失稳,进而导致整车变形严重,翻车结果不合法规要求;因此,必须对现有的接头结构进行改进.改进方案为:接头处的相关钣金件使用的材料由Q235更改为Q345,此时钣金件的屈服极限由235 MPa提高到345 MPa;在工艺限定的范围内,扩大接头相关处的钣金件的截面尺寸;在关键接头(如侧围立柱)处增加2 mm后的加强板;同时对一些不连续的接头进行搭接使其有效传递载荷(图8).

图8 侧翻CAE模型
Fig.8 CAE rollover model

3 接头的有限元计算

3.1 接头刚度的计算原理

截取接头及其附近的部分结构:从接头处开始,向外延伸至少150mm部分的结构.除加力端外,其余各端约束1~6自由度,在加力端剪心处引一长度为L的刚性梁,在刚性梁外端点加载,计算接头的刚度值.

表1 接头计算公式表
Tab.1 Calculation formula of joint

运用剪心法,如表1为某一接头的刚度计算示例[5],其中刚度Kx和Kz通过在加载点施加一定大小的力获得.对于刚度Ky,通过施加一定大小的扭矩获得.

3.2 改进前后的接头刚度对比

运用剪心法,在HyperWorks前处理中进行刚度计算[6].分别对原方案和改进方案中的7处接头(图9)进行计算,结果如表2.从表2的数据可知,改进后的接头刚度均明显大于原方案的.其中,位置1、2、7处的接头刚度改善更为明显,这3处为原方案中发生严重屈服的位置.

图9 接头位置图
Fig.9 Joint position map

表2 更改前后接头刚度对比(单位:kN·m/(。))
Tab.2 Comparison of joint stiffness before and after change(unit:kN·m/(。))

4 改进方案的翻车结果

改进后的侧翻结果如图10所示,碰撞后的生存空间与侧围立柱最小距离为43.2 mm.生存空间没有侵入到侧围立柱和地面.

图10 撞后的生存空间与侧立柱的距离
Fig.10 The survival space of the collision and the distance of the side column

整个仿真时间为1.4 s,如图11所示为改进后的客车侧翻中能量变化情况.包括骨架总能量(Total Energy)、动能(Kinetic Energy)、内能(Internal Energy)、滑移界面能(Interface Energy)、沙漏能(Hourglass Energy).整个侧翻过程中能量是守恒的,从临界位置开始,势能转变为动能,着地(1.1 s)后动能逐渐减少,内能增加,沙漏能(0.6 kJ)在整个变形中占总能量(34.1 kJ)的 1.7%,满足小于5%的要求[7],滑移界面能极小,生存空间未侵入到侧围立柱和地板,能量曲线符合逻辑,因此本次侧翻满足法规要求.

图11 能量曲线图
Fig.11 Energy diagram

5 结语

文中通过改进接头结构的设计,以增强其刚度.其中前挡窗下横梁处接头(位置1)的Kx刚度提高了344%,前挡窗上横梁与司机门框相交处接头(位置2)的Kx刚度提高了385%,尾门框上部接头(位置7)的Kx刚度提高了57.5%.这些接头刚度的提高,避免了碰撞后生存空间侵入到侧立柱或地板,使改进后的侧翻结果满足法规要求,加强了客车侧翻的安全性,说明了接头结构设计的恰当与否对客车的侧翻结果产生重要影响,为今后的客车结构设计工作提供参考.

参考文献:

[1]周鑫美.基于侧翻安全性的客车骨架设计研究[D].广州:华南理工大学,2010.

[2]邹素平.承载式客车车身骨架接头CAE建模方法研究[D].吉林:吉林大学,2007.

[3]胡远志,曾必强,谢书港.基于LS-DYNA和HyperWorks的汽车安全仿真与分析[M].北京:清华大学出版社,2011.

[4]廖金深,沈光烈,林圣存.对某微型客车车身结构的有限元分析[J].广西科技大学学报,2016,27(1):58-61.

[5]聂毓琴,孟广伟.材料力学[M].2 版.北京:机械工业出版社,2009.

[6]廖君.基于有限元法的汽车接头刚度仿真分析[J].现代零部件,2008(10):82-84.

[7]韦志林,黄昶春,李波,等.基于 LS-DYNA 的两种客车侧翻模型比较[J].广西科技大学学报,2014,25(1):59-62.

Effect of joint design on bus rollover simulation

LIN Sheng-cun
(Research Institute of Automotive Engineering,Guangxi University of Science and Technology,Liuzhou 545006,China)

Abstract:The joint is an important part of the body structure and plays the role of transition.So the rationality of joint structure design is an important factor to ensure the safety performance of the car.Through the simulation of a vehicle rollover,it was found that improper joint design and insufficient stiffness caused the yield of joints,rollover and deformation of vehicle,and the injury of the passengers.The paper improved and redesigned the structure of the joints by establishing simulation model.Through finite element simulation and calculation,it showed that the result could meet the requirements of current laws and regulations,thus proving that the reasonable design of joint can improve the safety in rollover and reduce the injury of the passengers,which provides a reference for the structural design of the vehicle in the future.

Key words:joint structure;vehicle rollover;simulation model;finite element calculation

中图分类号:U462.35

文献标志码:A

(学科编辑:黎 娅)

文章编号:2095-7335(2017)03-0072-05

DOI:10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2017.03.011

收稿日期:2017-02-26

基金项目:广西科学研究与技术开发计划项目(桂科攻1598007-29);柳州市科技攻关及新产品试制项目(2015A030101)资助.

作者简介:林圣存,硕士,助理工程师,研究方向:车辆结构设计与仿真,E-mail:836551249@qq.com.