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大客車車身結構側翻試驗仿真與安全研究

文檔作者：查官飛		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年05月09日
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Σ
萋
事
分類號墮壘魚!曼2
密級
單位代碼10618
墨麼交通戈謦
碩士學位論文
論文題目： 大客車車身結構側翻試驗仿真與安全研究
Study on Sim ulation of Coach Body Structure Rollover
Test and Rollover Safety
導師姓名、職稱： 邵毅明教授
申請學位門類：
專業(yè)名稱：
論文答辯日期：
j 學位授予單位：
工學
車輛工程
201 1年6月

重慶交通大學學位論文原創(chuàng)性聲明
本人鄭重聲明：所呈交的學位論文，是本人在導師的指導下，獨立進行研究
工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內容外，本論文不包含任何其他個人
或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，
均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律結果由本人承擔。
學位論文作者簽名：夕爭留影日期：硇，／年石月／口日
重慶交通大學學位論文版權使用授權書
本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保
留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。
本人授權重慶交通大學可以將本學位論文的全部內容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，
可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。同時授權中國科
學技術信息研究所將本人學位論文收錄到《中國學位論文全文數(shù)據(jù)庫》，并進行信
息服務(包括但不限于匯編、復制、發(fā)行、信息網(wǎng)絡傳播等)，同時本人保留在其
他媒體發(fā)表論文的權利。
學位論文作者簽名：葛帽U
-’
日期：_，，年石月／o El
學位論文作者簽名：李‰ 指導教師簽名：鯽極毋
日期：汐，，{年6月乃日日期：沙I『年6月I勺E1

摘要
摘要
客車行業(yè)的飛速發(fā)展，大客車保有量增長較快。由于大客車載客量大，“群死
群傷’’特大事故時有發(fā)生。側翻碰撞事故數(shù)量雖然只占各類事故總量的4．2％，事
故死亡人數(shù)卻占各類事故總死亡人數(shù)的33％。在大客車側翻事故中，乘客的傷亡
很多是由于客車骨架的嚴重變形或者斷裂甚至解體坍塌，沒有足夠的生存空間，
使乘客遭受“二次碰撞"造成的。目前，新版GBfI"17578《客車上部結構強度的
規(guī)定》完全按照新版ECE R66進行修訂，預計新法規(guī)將于今年開始強制性實施，
除了實車傾翻試驗，還將納入包括上部結構強度計算機模擬驗證等在內的四種等
效的認證方法。而目前國內大客車側翻安全性仿真研究較少，尤其是對側翻結構
安全性的研究才剛剛起步。因此，加深對大客車側翻車身結構安全性的研究具有
十分重要的意義。
本文對大客車側翻安全性仿真方法與車身結構側翻安全性及評價方法展開研
究。以某大客車為研究對象，通過對客車結構特點分析，提出基于側翻碰撞性能
研究的大客車車身建模方法，利用OptiStruet模擬各常用工況以校核其剛度強度，
分析其自由模態(tài)，驗證模型的可靠性和有效性?；谀芰渴睾銓Ψ抡嬖囼炦^程進
行有效簡化，利用LS．DYNA求解計算，利用HyperView與LS．PREPOST對結果
進行后處理。根據(jù)仿真結果對車體變形、能量變化、碰撞力、生存空間進行研究，
得到該大客車頂部結構及車身立柱腰部強度偏弱，尤其是立柱腰部處出現(xiàn)了較大
的塑性變形，導致了客車上部結構侵入量較大，第二根風窗立柱侵入量達
40．606mm。通過對蒙皮在側翻碰撞試驗中影響程度的研究，得到蒙皮吸能占吸收
總能量的4．1％，可使侵入量減少2．816mm，蒙皮對側翻車身結構有一定的加強作
用；針對大客車車身結構側翻安全性薄弱部位變形量較大的問題，初步對頂蓋、
側圍、腰梁、斜撐的材料和厚度進行改進，仿真結果表明改進效果明顯，達到側
翻安全性法規(guī)要求。針對仿真結果的評價，本文分析了現(xiàn)有的評價方法，并借鑒
一種國外客車上部結構強度的評價方法，經(jīng)計算該大客車的優(yōu)。值為1．03，星級評
價結果為★，改進后腳。=0．65，星級評價結果為★★★，該評價方法可行有效。
本文的大客車側翻安全性仿真試驗方法對同類客車進行側翻安全性仿真研究
有一定參考價值。對車身結構側翻安全性及評價方法的研究結果，為即將實施的
國家強制性標準和企業(yè)進行大客車開發(fā)設計及結構改進提供一定的借鑒和參考。
關鍵詞：大客車；側翻安全性；車身結構；側翻試驗仿真；安全性評價

ABSTRACT
ABSTRACT
With the rapid development of coach industries，the amount of coaches increase
rapidly．ne massive death and injured tra筋c accidents had occurred sometimes owing
to large passenger capacity of the coach．Although the accidents of the rollover crash
take the percent of 4．2 of the total accidents while the mortality is the percent of 33．
During the accidents of rollover crash,many passengers deaths眥caused by serious
distortions of passage coaches skeletons，break and even the ruins．Lacking of enough
residual space，the passengers faced”the second crash”，SO the security of coach mllover
body structural to be solved urgently．At present,the new edition of GB／T1 7578
{Provisions of strength for the superstructure of bus))，according to the provisions new
version of amendment ECE R66 totally．New regulations will be carried out
compellingly this year,except for the test about the crash of the side-rolling whole
coach,the law validates four equivalent certification methods including the computer
simulations on the strength of superstructure．But the researches of security simulation
study less in Our country,especially the research on the security of coaches rollover
body structure starts newly．Therefore，to enhaQce the further study of coach rollover
security of structure is of great significance．
This paper is mainly about the study of the simulative methods on coach rollover
security,the security of coach rollover body structure along with the evaluation．As a
coach for example，by the analysis of the structural characteristics on coach,thus all
idea of the simulative methods on coach based on the study on the function of the
capsizing and collision is had．Using OptiStruct to simulate common conditions，check
its stiffness and intensity,analysis the freedom of the modal condition，and check the
reliability and effectiveness of the model．The study to the process of the simulative
methods has putting forward to a simplified method based on the process of the law of
energy conservation security．Finite element model is calculated、杭tll LS—DYNA and the
post outcome of it is got、Ⅳim HyperView and LS—PREPOST．With the simulation
results，through further study of coach’S distortions，energy’S change，crash force and
residual space，the less strong insensitive structure is the upper and the vertical waist of
the coach．Especially it has a big plastic shapes on the waist of the coach,a large
invasion of the top structure and the invasion of the second windshield pillar is 40．

ABSTRACT
606mm．By the further study of the body skin impact in the rollover crash tests，the
absorption by body skin take a total number of 4．1％，making the intrusion reduce to
2．8 1 6ram．Body skin has a certain strengthened role to rollover body structure．
According to the serious distortions on the weak part of coach body stnlcmre，an initial
improvement have been putting forward to on the upper cover,side panels，waists，
braces the thickness slanting materials and the thickness．The results show that it has an
evident effect and it gets to the demands of rollover security regulations．Intending for
the evaluation of the simulation results，this paper will analysis the present evaluative
methods and use for reference謝ttl廿地forei印evaluative methods on t11e upper
structure intensity and evaluate the rollover test results．The DI t
value of the coach
isl．03；the result ofhigh class evaluation is★，after the improvement the譏=0．65，
lligh class evaluation is★★★，that shows the evaluation is feasible．
This paper towards onto the study on the simulation methods of rollover security
and put a reference to the same kind of coach experiments on rollover simulation．The
result of the study builds a certain foundation to further study of the rollover crash
security and offers references to the national mandatory regulations that will be implemented，
to the design and improvement of coach in large enterprise．
KEY WORDS：Coach；Rollover safety；Body structure；Rollover test simulation；
Safety Evaluation

———————————————————————————————————————————一一
目錄
第一章緒論??????．
目錄
1．1大客車側翻安全性研究背景?????????????????????l
1．2國內外客車側翻安全研究的現(xiàn)狀??????????????????。4
1．2．1國外客車側翻研究現(xiàn)狀?????????????????????4
1．2．2國內客車側翻研究現(xiàn)狀?????????????????????。5
1．3研究意義與主要內容???????????????????????．．7
1．3．1研究意義???????????????????????????7
1．3．2主要研究內容??????????????????????????8
第二章客車側翻碰撞安全性仿真試驗基礎??????????????．9
2．1客車側翻碰撞事故特點??????????????????????．．9
2．2客車側翻碰撞安全法規(guī)介紹????????????????????l O
2．2．1國外客車側翻碰撞安全法規(guī)??????????????????．10
2．2．2我國客車側翻碰撞安全法規(guī)??????????????????。11
2．3客車側翻被動安全性研究方法???????????????????．13
2．3．1客車側翻試驗????????????????????????．14
2．3．2計算機仿真模擬側翻試驗???????????????????．．15
2．4客車側翻碰撞有限元仿真算法理論?????????????????16
2．4．1基本力學模型與控制方程????????????????????17
2．4．2時間積分算法及穩(wěn)定性控制??????????????????．．19
2．4．3接觸——碰撞截面算法?????????????????????21
2．4．4客車側翻碰撞模擬結構單元??????????????????．22
2．4．5沙漏現(xiàn)象及其控制???????????????????????23
2．5工程軟件相關介紹及選用依據(jù)???????????????????．23
2．5．1 HyperWorks介紹??????????????????????????????。24
2．5．2 LS．DYNA介紹???????????????????????????????．．25
2．6本章小結????????????????????????????26
第三章大客車車身建模及模型驗證?????????????????．．27
3．1客車側翻碰撞仿真研究流程????????????????????．27
、
目錄
3．2某大客車有限元模型的建立????????????????????29
3．2．1大客車車身結構特點概述???????????????????．．29
3．2．2大客車幾何模型建立與簡化過程????????????????．30
3．2．3大客車有限元網(wǎng)格模型建立??????????????????．．32
3．2．4大客車有限元網(wǎng)格模型檢查???????????????????．34
3．2．5大客車有限元模型的建立????????????????????36
3．3模型工況驗證??????????????????????????．38
3．3．1彎曲工況??????????????????????????．．38
3．3．2扭轉工況??????????????????????????．40
3．3．3制動工況??????????????????????????。41
3．3．4轉彎工況??????????????????????????．．42
3．4模型模態(tài)驗證???????????????????????????43
3．4．1大客車車身模態(tài)仿真計算????????????????????43
3．4．2大客車車身模態(tài)評價?????????????????????．．45
3．5本章小結????????????????????????????．46
第四章大客車側翻碰撞試驗仿真研究????????????????47
4．1大客車側翻安全性的試驗概述???????????????????47
4．1．1客車側翻安全性標準ECE R66簡介???????????????．47
4．1．2翻轉平臺與試驗過程的規(guī)定??????????????????一48
4．1．3生存空間的規(guī)定和要求?????????????????????49
4．2大客車側翻試驗臺有限元模型的建立????????????????50
4．2．1大客車臨界側翻角的計算????????????????????50
4．2．2翻轉平臺與生存空間有限元模型的建立?????????????．52
4．3大客車側翻動態(tài)模擬有限元模型的建立???????????????54
4．3．1單元類型選擇與積分點的選取?????????????????．54
4．3．2材料屬性定義????????????????????????．55
4．3．3接觸定義??????????????????????????一56
4．4大客車側翻碰撞仿真過程參數(shù)設置與控制??????????????．58
4．4．1基于能量守恒的側翻安全性仿真試驗過程簡化??????????．58
4．4．2邊界及約束條件設置?????????????????????。59
4．4．3計算及輸出參數(shù)設置??????????????????????60
4．5仿真過程及結果分析???????????????????????62
4．5．1整車結構變形分析???????????????????????62

目錄
4．5．2立柱變形分析????????????????????????．．63
4．5．3碰撞能量分析????????????????????????．65
4．5．4速度響應與碰撞力分析????????????????????．．67
4．5．5乘員生存空間評價???????????????????????69
4．6本章小結????????????????????????????．．70
第五章大客車側翻碰撞安全性研究與模型改進??????????．．71
5．1側翻試驗評價方法?????????????????????????71
5．1．1現(xiàn)有試驗評價方法???????????????????????71
5．1．2現(xiàn)有仿真評價方法??????????????????????．72
5．1．3基于截斷數(shù)字模型各PH的上部結構強度評價方法????????．．73
5．2蒙皮對客車側翻結構安全性的影響分析???????????????75
5．2．1整車模型的建立???????????????????????．．75
5．2．2仿真結果分析????????????????????????．76
5．2．3整車上部結構強度評價????????????????????．78
5．3結構改進與建議?????????????????????????78
5．3．1改進方法與措施????????????????????????79
5．3．2改進前后結果分析???????????????????????79
5．4本章小結?????????????????????????????????????．81
第六章結論與展望?????????????????????????．82
6．1結論????????????????????????????????????????82
6．2展望????????????????????????????????????????83
致謝???．???。。?．．．．???．．．．。???．??。．。。。?．．．???．．．??。。．．．84
參考文獻?????????????????????????????????。85
在學期間發(fā)表的論著及取得的科研成果???????????????．88

第一章緒論
第一章緒論
1．1大客車側翻安全性研究背景
隨著我國經(jīng)濟和社會的快速發(fā)展，人民生活水平不斷提高，汽車已經(jīng)成為人
們生活生產(chǎn)中不可或缺的一部分。其中，客車作為現(xiàn)代社會的主要公共交通工具
之一，以其特有的靈活性和方便性，在公共交通事業(yè)中扮演著非常重要的角色。
與轎車、載貨汽車一樣是眾多工業(yè)產(chǎn)品和科學技術的結晶，它不僅給人類社會帶
來了巨大的經(jīng)濟效益，也推動了人類社會的向前發(fā)展。在我國，轎車還不能完全
普及，客車是客運周轉的主要交通工具，隨著公路交通系統(tǒng)的不斷發(fā)展和完善，
公路客運量和客運周轉量均遙遙領先于其他客運運輸方式的總和。
據(jù)國家統(tǒng)計局公布數(shù)據(jù)Ⅲ，截止2009年底，我國公路旅客運輸量為277．9億
人次，同比增長3．6％，占各類運輸方式旅客運輸量的93．35％；公路旅客運輸周轉
量為13511．4億A／km，同比增長8．3％，占各類旅客運輸周轉總量的54．4％，從圖
1．1中可以看出近五年道路運輸行業(yè)的發(fā)展概況，公路客運保持較快增長的勢頭。
其中，客車行業(yè)更是發(fā)展迅猛，2009年客車產(chǎn)量達202．87萬輛，目前我國客車產(chǎn)
量己占世界客車總量的1／3，客車制造業(yè)開始融入國際市場，并逐步發(fā)展成為全球
客車制造中心瞳3。2009年底，我國公路、公交、旅游營運客車保有量已達180．79
萬輛，客位數(shù)達2799．71萬，從圖1．1也可以看出大客車保有量增長較快且占營運
車輛比例逐步升高。
2∞5年2006年2∞7年瑚8年2009年200s年2006年2∞7年2001埠2009年
圖1．1近五年道路運輸行業(yè)與客車行業(yè)發(fā)展
Fig．1．1 Development of road transport industry and bus industry t in r∞ent five years
大客車以其在旅客運輸方面的特點和優(yōu)勢，在公共交通事業(yè)中扮演非常重要
的角色?？蛙囆袠I(yè)的飛速發(fā)展，隨之而來的與營運客車相關的交通事故，卻給人
類的生命和財產(chǎn)安全帶來了嚴重威脅。由于大客車通常載客量大，容易造成“群
死群傷’’，其造成的生命和財產(chǎn)損失往往更大，造成惡劣的社會影響。相比于轎車
∞
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1
1
2 第一章緒論
而言，由于客車乘員較多，且主動安全性和被動安全性都要低于轎車。據(jù)統(tǒng)計，
近幾年超過一半的特大交通事故(公安部規(guī)定一次死亡20人以上)由大中型客車
引起。以下是近幾年來，特大事故數(shù)據(jù)如表1．1所示n1。
表1．1近五年來特大事故統(tǒng)計
Tab．1．1 Statics of Scdous accident in nearly five years
年份發(fā)生數(shù)(起) 死亡人數(shù)受傷人數(shù)損失(JY元)
2005 1924 7639 5627 7811．9
2006 167l 66ll 5024 6689
2007 1469 5713 4508 5441．0
2008 1290 5222 3359 4083．0
2009 1276 5058 3530 4604．4
在客車事故中，雖然發(fā)生正碰、側碰、追尾等幾種碰撞事故形式的發(fā)生機率
要大于側翻，由于客車自身的特點前幾種往往對乘員的傷害程度遠小于客車側翻
事故。根據(jù)美國公路交通安全局的統(tǒng)計，客車側翻事故死亡率是前、后碰撞事故
死亡率的6倍口3。近十年的交通事故統(tǒng)計表明，如圖1．2所示的是不同碰撞形式事
故所占的比例與人員死亡率對比H兒5J。正面碰撞占總數(shù)的65．7％，但由于正面碰撞
可以采用很多吸能結構和裝置，以此來減少對乘員的傷害，所以導致人員死亡數(shù)
只占碰撞事故死亡總人數(shù)的3l％；側翻碰撞事故雖然數(shù)量只占4．2％，卻占事故總
死亡人數(shù)的33％。這是由于側翻碰撞事故中對乘員的保護相對比較困難，很多都
是車身結構解體甚至坍塌，沒有足夠的生存空間，因此導致了較高的死亡率。
圖1．2不同事故形式發(fā)生比例與人員死亡率
Fig．1．2 The proportion of coUisions occurring and mortality of collision in different forms
2011年2月11日，一輛由吐魯番市大河沿鎮(zhèn)發(fā)往和田地區(qū)的大客車行至新和
縣尤魯都斯巴格鎮(zhèn)境內時，發(fā)生側翻，事故造成5人死亡，19人受傷。
201 1年4月2日，湖北省恩施州宣恩縣長潭河侗族鄉(xiāng)發(fā)生一輛客車側翻事故，
事故目Ij{『可能已造成7人死亡，具體傷亡情況不清楚。
第一章緒論3
2011年4月3日，一輛從武義開往衢州的公交大巴車，突然失控側翻，當場
造成3人死亡，20余人受到不同程度的傷害。
圖1．3大客車側翻事故現(xiàn)場
Fig．1．3 The scene of a eoaeh rollover accident
2011年4月5日晚，一輛由西安開往荊門的旅游客車，行至二廣高速襄城段
時發(fā)生交通事故，致1人死亡，3人重傷，其余乘客均不同程度受傷。
2011年4月6日19時55分許，一輛車牌號為粵B93472的大型客車，核載
45人實載18人，行駛至惠州市轄區(qū)沈海高速公路2836km+600m時，客車碰撞一
行人后側翻至路外水溝，造成2入死亡，4人輕傷。
2011年4月7日16點51分，314國道烏魯木齊至庫爾勒方向甘溝段56km處
一客車發(fā)生側翻，事故造成2死46傷。
圖1．3為大客車側翻事故現(xiàn)場，以上僅列舉近段時間的幾個事故，如此密集的
客車側翻事故，足已讓我們看到問題的嚴重性。
在歐洲和美國等地區(qū)和國家，客車是人們外出旅行的主要交通工具之一。由
于相對健全的客車安全法規(guī)和高水準的客車產(chǎn)品，再加上良好的道路條件和駕駛
人員素質等因素，使得客車在歐美國家各種運輸方式中安全性最好。2002年美國
年僅270人死于客車車禍，占所有交通事故死亡人數(shù)的0．5％；德國死于客車交通
事故的人數(shù)為12人，僅占當年交通事故死亡人數(shù)的0．18％№1；而我國在2004年，
客車事故導致11740人死亡，占總數(shù)的10．03％，兩者有數(shù)十倍之差。
綜上所述，近年來我國客車行業(yè)快速發(fā)展，客車事故發(fā)生率的不斷提高，嚴
峻的現(xiàn)實使客車的安全性也越來越被人們所重視；客車交通事故造成的大量人員
傷亡所導致的一系列社會、經(jīng)濟問題嚴重影響了人們的正常生活；即將出臺的
GB7258《機動車運行安全技術條件》明確將提高客車安全性，減少“群死群傷”
作為修訂的一個重點；在相當長歷史時期內，仍是出行最重要的交通工具之一，
提高客車安全性不僅可以減少污染降低能耗，而且對構建和諧社會有著十分重要
的意義。鑒于我國特殊國情，客車保有量大，但是客車研發(fā)技術實力較弱、客車
零部件配套體系不完善、客車各種性能試驗不全面、缺少完備健全的法規(guī)體系，
以及很多性能等都與發(fā)達國家有一定的差距，尤其是安全性能方面，客車安全問
4 第一章緒論
題亟待解決。在客車各種形式交通事故中，尤其以側翻事故造成的損失、傷害是
最為嚴重的事故之一。
因此，大力提高大中型客車的結構安全性，加快對客車側翻事故的被動安全
性能的研究，可有效降低側翻事故所造成的傷亡人數(shù)，減少“群死群傷’’重大交
通事故的數(shù)量，對整體提高我國道路交通的安全性具有迫切的現(xiàn)實意義，同時對
提高我國客車企業(yè)自主研發(fā)能力，推動客車產(chǎn)品進入國際市場有極大的促進作用。
1．2國內外客車側翻安全研究的現(xiàn)狀
1．2．1國外客車側翻研究現(xiàn)狀
歐洲的客車技術水平和科研能力位居世界的首位，他們對客車的側翻安全性
問題，無論是在計算機模擬，還是在試驗驗證方面，都有了非常深入的研究。早
在70年代初，大客車被動安全問題的研究在歐洲即被關注，現(xiàn)在各國對這個問題
的研究更加深入和廣泛H1。在衡量客車側翻安全性方面，歐洲和美國還特別制定了
各自的安全法規(guī)ECE R66和FMVSS系列法規(guī)，其中ECE R66對客車頂部結構安
全性試驗及評價指標作了詳盡的介紹，經(jīng)過近幾年的不斷修訂和推廣，目前這一
法規(guī)已被世界各國廣泛采納。
在計算機仿真模擬方面，國外發(fā)達國家開展得更是比較深入。國外先進客車
廠組建了高性能的CAE系統(tǒng)，其隊伍與產(chǎn)品開發(fā)(CAD)同步，在指導設計、提
高質量、降低開發(fā)成本和縮短開發(fā)周期上發(fā)揮著顯著的作用。CAE成熟應用于客
車車身開發(fā)上，包括剛度分析、強度分析、NVH分析、機構運動仿真分析等，而
車輛碰撞模擬、金屬構件沖壓成型模擬、疲勞分析和空氣動力學分析等的精度有
待進一步提高，但己投入實際使用，可以用于定性分析和改進設計，大大減少了
這些費用高、周期長的試驗次數(shù)。這些研究工作極大地優(yōu)化了客車結構、提高客
車的可靠性以及最大程度地提高了客車的安全性能。對于側翻仿真試驗，不僅局
限于企業(yè)，很多研究機構、高校等更是進行了深入研究，呈現(xiàn)的特點有：研究領
域廣闊、研究對象細微、研究方法多樣化、研究精度同益提高。
國際上從20世紀70年代起，就開發(fā)客車側翻動態(tài)模擬程序，其中主要有匈
牙利的AUTOKUT程序、英國克倫菲爾德碰撞中心的CICCRASHD程序和德國戴
姆勒．奔馳的FEM程序哺1。
歐洲ECBOS研究小組通過三年半的調查、仿真和試驗研究，比較全面地研究
了歐洲各國的客車安全狀況，系統(tǒng)地評估了歐洲客車的安全性能，并通過深入實
際的研究和試驗所得出的成果，為進一步提高歐洲客車的安全狀況提供了寶貴的
經(jīng)驗和現(xiàn)實可行的建議舊1。Pontus Albertsson和Alan Kirk等人通過對多起客車側翻
事故進行調研和總結，分析并概括了客車側翻事故中乘員的損傷原因和損傷機理
第一章緒論5
n們。Newberry、Wen—Hsian Chang、Pontus Albertsson等人分別通過不同的方式研究
分析n郵2¨131，得出同樣的結論，安全帶的預緊功能可以將乘員更好地約束在座椅
上，減小著地時身體各部位二次碰撞受傷的機率。Hu等人使用帶加權回歸分析方
法的分析結果認為，車頂側面變形是影響頭部面部傷害的顯著因素，車頂垂向對
頸部傷害顯著，從而得出乘員傷害必然和車身結構變形的某一特性密切相關的結
論‘141。
McCoy等人通過對幾個常見的子系統(tǒng)層次滾翻試驗方法的比較，發(fā)現(xiàn)許多滾
翻事故是由車輛的側向平動運動引起的，已有的試驗方法未能考慮在側向平動時
乘員的運動姿態(tài)，只考慮了車輛翻轉過程中的乘員運動姿態(tài)，而翻轉前乘員在車輛
側向平動過程中的姿態(tài)往往影響滾翻過程中的姿態(tài)。在此基礎上，開發(fā)了一種新
的滾翻試驗方法n副。Chou等人對翻滾仿真模型的綜述中，把模型分為四類，即二
維剛體模型、車輛多剛體模型、車輛．人體一約束系統(tǒng)多剛體模型和有限元模型u們。
Thomas等人設計了模擬汽車側向撞擊路肩的翻滾形式的試驗(Curb-Trip)。德國
汽車俱樂部(ADAC)設計了翻轉試驗程序，具體是讓被試車輪以一定速度單側通
過一段螺旋上升路面后翻轉，來研究模擬Trip．Over翻轉試驗n"。
Hee．YoungKo和Kwang．Bok Shin等人對客車框架應用蜂窩鋁結構以后的側翻
安全性做了仿真分析，結果表明蜂窩鋁結構的使用可以在很大程度上減小模型的
碰撞加速度大小n引。Magnus G：H．Cruz和Alexandre Viecelli對不同材料模型對客車
的側翻安全性做了對比分析，結果表明，材料的屈服強度、抗拉強度等力學性能
對客車側翻安全性有很大影響，車體上部結構的材料屈服極限越大，其安全性越
好n9】。Leslaw Kwasniewski和Cezary Bojanowski等人參照ECE R66法規(guī)，對一客
車模型進行了側翻仿真分析，并綜合運用多種方法對該模型做了改進設計啪1。美
國Hwai．Chung Wu，Bin Mu，Kraig Warnemuende采用有限元法對客車的儀表盤夾
層材料進行了疲勞分析，并提供能同時考慮翻車和疲勞的夾層板模型，取得了相
當好的效果曙¨。
1．2．2國內客車側翻研究現(xiàn)狀
對于車輛翻滾研究，尤其客車側翻國內所進行的研究還很少。我國對車輛側
翻的研究尤其是客車側翻，無論是理論還是試驗方面，均處于初級階段。法規(guī)現(xiàn)
行的為GB／T17578．1998只非等效采用ECE R66的第1、2、5、7章及附件3，作
為推薦性國家標準，并且沒有提及等效認證方法。國內，大部分客車生產(chǎn)廠商剛
剛普及CAD技術，對CAE技術的應用正處在大力推廣的階段上，但大多都集中
在客車剛度和強度分析、客車模態(tài)分析和路面譜響應分析等領域。
近年來，我國也生產(chǎn)建造了一些側翻試驗臺裝置，如上海消防科學研究所和
6 第一章緒論
上海交通大學聯(lián)合研制的消防車靜態(tài)穩(wěn)定試驗裝置與武漢理工大學的側翻試驗
臺，清華大學研制了一種實用新型大客車車身段側翻試驗臺并申請專利。在實車
側翻試驗方面，我國也進行了嘗試，在客車側翻領域取得了一些初步成果。自2005
年6月14日，安凱HFF6850客車側翻試驗取得成功后，國內多家大型客車企業(yè)為
滿足產(chǎn)品出口認證的需要，紛紛作出了客車側翻安全性方面的實車試驗。此次試
驗檢測了該車的上部結構強度是否滿足我國安全法規(guī)要求，被稱為中國客車“第
一翻"，同時為以后的CAE開發(fā)研究提供了大量的試驗數(shù)據(jù)。在計算機模擬仿真
方面，國內許多高校和研究機構也開始進行初步的嘗試。
清華大學汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室祝軍等人使用計算機輔助事故再
現(xiàn)，再現(xiàn)分析滾翻事故中汽車運動過程及瞬時速度和空間姿態(tài)，能夠為事故處理
和責任認定提供科學依據(jù)，并有助于改進車身機構和車內被動安全裝置的設計陴】。
合肥工業(yè)大學杜吉祥等人對側翻事故進行初步研究，推導并建立汽車的側翻模型，
分析導致側翻的影響因素和確定事故車輛側向速度的范圍。針對側翻后事故車輛
的運動過程建立翻滾模型，通過果與試驗資料的比較說明模型的正確性。在此基
礎上，開發(fā)汽車碰撞事故模擬分析與再現(xiàn)軟件嘲。吉林大學楊健博士等，對汽車
翻滾事故再現(xiàn)分析的理論和方法進行研究，制定了應用于汽車翻滾事故的一般算
法和流程，開發(fā)出針對汽車翻滾事故的三維再現(xiàn)模塊(CARRAR-3D)嘲1。
中國農(nóng)業(yè)大學邰永剛等人首先依據(jù)歐洲安全法規(guī)ECE R66研究翻滾碰撞，利
用通用顯式動力分析軟件LS—DⅥ、IA對大客車的翻滾車的翻滾碰撞進行計算機數(shù)
值模擬計算，然后通過對國內一次具體事故模擬來看大客車的翻滾碰撞性能，為
今后的汽車設計工作提供有力數(shù)據(jù)嘲。長沙理工大學周宇等人在美國FMVSS208
平臺翻車試驗臺上，利用有限元模型對某大型豪華客車進行了動態(tài)翻滾仿真模擬
試驗，結合試驗結果證明該方法合理正確，能夠在一定程度上指導客車企業(yè)改進
技術，提高安全性能嗍。合肥工業(yè)大學周革、盧強等人本文在客車側翻試驗的基
礎上，研究了客車側翻碰撞的加速度評價指標。從最大加速度、平均加速度和加
速度均方根三個方面對客車側翻碰撞加速度進行了評價嘲。吉林大學龔磊等，通
過多款客車骨架模型腰梁接頭部位的連接方式的考察，提取一系列具有典型代表
性的接頭結構形式，通過接頭側翻模型的仿真分析，總結該關鍵部位在側翻安全
性方面的影響規(guī)律洶1。吉林大學楊昆等，首次使用梁殼混合單元建模，通過客車
側翻中能夠反應計算精度的幾個重要的參數(shù)“生存空間"、加速度、內能等對混合
模型的計算精度進行了詳細的對比分析，驗證了混合模型應用于客車側翻仿真的
可行性及精度的有效性例。
但是總的來說，國內客車結構安全性研究存在以下問題：
①目前對客車的側翻結構安全性的研究都對客車幾何模型進行一定程度的簡
第一章緒論7
化，很少考慮蒙皮及車身附件對側翻結構安全性的影響。
②基于全板殼單元的客車車身骨架模型，進行客車結構優(yōu)化的研究分析還很
少，較多的是基于梁單元模型的研究分析，或者是局部采用板殼單元進行改進設
計，而全板殼單元的優(yōu)化計算會更精確更符合實際。
③國內較少用全板殼單元進行大客車整體車身骨架建模，用全板殼客車模型
進行靜態(tài)和動態(tài)分析的較少，多采用梁單元以及梁和殼單元的混合，而且網(wǎng)格還
不夠細密，計算結果精度不高。
④目前國內有較多的基于全板殼單元的轎車前、側碰撞仿真分析，但是基于
全板殼單元的全承載和半承載客車模型進行前碰、側翻和墜落的碰撞仿真研究較
少。對在側翻事故中，如何有效保護大客車乘員安全的研究更少。
⑤目前，在計算機模擬客車側翻的評價方法有多種，但基本都是從整體反映
變形趨勢，如何科學、合理、量化評價仿真結果還沒有深入研究，同時還沒有出
現(xiàn)轎車一樣的星級評價方法。
1-3研究意義與主要內容
1．3．1研究意義
目前國內客車的市場競爭非常激烈，很多廠家已將目光投向海外市場，據(jù)不
完全統(tǒng)計，2006年以來，我國大、中、輕型客車出口量連續(xù)兩年突破2．6萬輛，
客車開始融入國際市場。而客車產(chǎn)品要進入海外市場，最基本條件就是需要達到
進口國的有關技術要求，發(fā)達國家都明確要求進行側翻試驗。我國新版GB
13094—2007《客車結構安全》，已過36個月過渡期，于2011年2月1日開始強制
執(zhí)行客車上部結構強度的試驗，新版GB／T 17578《客車上部結構強度的規(guī)定》也
即將推出并納入了等效認證方法在內的四種試驗方法，包括車體部分進行的側翻
試驗、車體部分進行的準靜態(tài)負荷試驗、根據(jù)測試部件進行的準靜態(tài)計算和在整
車上進行的計算機模擬側翻試驗。
在客車的設計過程中，各大客車企業(yè)更多停留在剛度、強度等理論與試驗的
研究，而側翻結構碰撞安全性的研究還很少。由于側翻試驗時破壞性試驗，就開
發(fā)經(jīng)費來而言，客車的價格一般都在十萬以上，高檔大型豪華客車甚至超過百萬，
如果側翻試驗失敗，將給設計制造廠商帶來相當大的經(jīng)濟損失。尤其是新版法規(guī)
強制實施，而計算機模擬等效認證將是更多企業(yè)認證手段的首選。
同時，進行客車實車側翻試驗準備周期長、試驗費用高、工作量大、技術要
求復雜，而我國客車企業(yè)多為小批量多品種生產(chǎn)，因此應用計算機仿真模擬，對
大客車車身結構進行分析并進行側翻動態(tài)模擬，能夠有效縮短客車的研發(fā)周期，
并能夠降低車型研發(fā)成本。通過計算機模擬結果，可以對側翻試驗結果進行預測，
8 第一章緒論
避免在進行實車試驗時進行不必要的步驟并造成浪費；根據(jù)模擬計算結果，針對
車身結構的不足，可以有效地指導車型的改進優(yōu)化工作，方便設計工程人員的操
作，提供相應的理論依據(jù)，具有重要的實際意義。
因此，開展計算機模擬側翻試驗，加深對客車車身結構側翻碰撞安全性的研
究，可為國內客車生產(chǎn)廠家側翻試驗有限元分析提供參考，為進一步進行大客車
側翻碰撞安全性改進設計提供思路；對新版GB／T 17578《客車上部結構強度的規(guī)
定》法規(guī)的制定也有一定的借鑒意義。因此，開展此研究非常有必要。
1．3．2主要研究內容
本文以某6127型旅游大客車為研究對象，運用HyperMesh前處理軟件，建立
車身骨架的有限元模型，依照ECE R66標準建立客車側翻試驗臺，闡述基于大客
車側翻車身結構安全性仿真流程。通過對客車的側翻過程有限元仿真模擬，得到
客車側翻碰撞的車身結構響應、能量吸收、速度、接觸力等參數(shù)。研究蒙皮對側
翻安全性的影響程度，提出一種新的上部結構評價指標，通過對仿真結果的分析
評價，找出客車結構的薄弱部位，并提出改善客車側翻安全性的措施。主要研究
內容如下：
①對國內外有關客車側翻安全性現(xiàn)狀、法規(guī)體系、側翻安全性的研究現(xiàn)狀和
方法以及仿真軟件進行分析和總結。
②根據(jù)實際客車車型建立整車分析的有限元模型，對如何合理建立并簡化大
客車車身模型進行研究，包括截面簡化、彎曲桿件的直化、載荷的合理分配等。
研究如何提高建模精度并保證經(jīng)濟性，提出基于側翻碰撞性能研究的大客車車身
建模方法，使仿真分析更接近于實際情況。
③通過結構靜力學仿真分析和自由模態(tài)分析對客車有限元模型進行驗證，充
分考慮了彎曲、扭轉、緊急制動、轉彎等幾種常用工況，并進行自由模態(tài)計算，
保證建立模型的可靠性和有效性。
④參考ECE R66法規(guī)建立側翻試驗臺模型，建立基于HyperWorks、LS—DYNA
分析計算的客車側翻試驗仿真系統(tǒng)。通過對計算得到吸能特性、變形及速度、碰
撞力、生存空間等數(shù)據(jù)的分析對比，找出客車結構的薄弱部位。
⑤分析對比現(xiàn)有的生存空間指標的評價方法，借鑒引進一種新的上部結構強
度評價指標。研究分析蒙皮在客車側翻中的影響程度，建立更接近實車試驗的側
翻碰撞有限元模型，并嘗試進行星級評價。
⑥探討提高客車側翻結構安全性的對策，對側翻結構中薄弱的部位進行結構
改進，通過對比分析，驗證改進后客車側翻車身結構的合理性。
第二章客乍側翻碰撞安全性仿真試驗基礎9
第二章客車側翻碰撞安全性仿真試驗基礎
2．1客車側翻碰撞事故特點
所謂側翻，是指汽車在行駛過程中繞其縱軸線轉動90度或更大的角度，汽車
一側的車輪離開地面，整個汽車繞另一側車輪接地線發(fā)生不可恢復的轉動，以至
車身與地面相接觸的一種極其危險的側向運動。汽車側翻大體上可分為兩大類：
①絆倒側翻。指汽車行駛時產(chǎn)生側向滑移，與路面上凸凹的障礙物側向碰撞
或者附著系數(shù)不同路面的跤絆，而將其“絆倒"。
②曲線運動引起的側翻。指汽車在道路(包括側向坡道)上行駛時，由于側向加
速度超過一定限值，使得汽車內側車輪的垂直反力為零而引起的側翻。
圖2．1側滑后側翻
Fig．2．1 After sliding rollover
圖2．2直接側翻
Fig．2．2 Direct Rollovar
對于第一類側翻，如圖2．1所示，當汽車的側向速度■大于■一啪1就可能發(fā)
生側翻。其中： ‰咄噍[1+(蠆B)][跨一·] 蛔，
式中：g為重力加速度；hg為質心高度，B為輪距。
對于第二類側翻，如圖2．2所示，在不計汽車懸架彈簧變形時，其側翻條件為
口y>擊．g 式(2．2)
式中：a，，為側向加速度；S為汽車左右車輛接地點連線在質心處的寬度。
對于大客車，由于車身高度一般較高，有的雙層客車車身高度接近4米?？?
車車項通常裝有空調裝置，乘客位置也較高，因而整車的重心位置偏高，側面面
積大，如有側向風的擾動或者高速急轉彎行駛產(chǎn)生的離心力，側翻的可能性就非
常大。在高速公路上高速行駛時，無論是由于駕駛者過失，還是因為車輛狀況和
10 第二章客乍側翻碰撞安全性仿真試驗基礎
道路環(huán)境所導致的失控，客車一般都會與護欄發(fā)生碰撞很容易造成；如果行駛車
速過大，加上護欄的阻擋作用，產(chǎn)生的慣性矩可能會導致客車沖翻護欄而側翻。
在低等級公路(如國道和鄉(xiāng)村公路等)上行駛時，路況相對高速公路較差，有些
道路狹窄多彎，路邊護欄較少，行駛稍有不慎也很容易發(fā)生大客車側翻。
圖2．3側翻事故后嚴重變形的客車車體
Fig．2．3 Severe deformation of the coach body after the rollover accident
當客車發(fā)生側翻事故時，客車骨架作為主要承載件將承受大部分載荷，能否
給司乘人員提供必要的逃生空間是一個很重要的因素口¨。如圖2．3為側翻事故后嚴
重變形的客車車體。從大多數(shù)事故資料來看，客車發(fā)生側翻事故后，很多乘客的
傷亡都是因為客車骨架的嚴重變形或者斷裂，乘客遭受“二次碰撞”造成的。所
以提高客車的被動安全性，對客車的側翻碰撞安全性進行分析改進顯的尤為重要，
尤其對于提高我國客車企業(yè)自主研發(fā)能力有極大的促進作用。
2．2客車側翻碰撞安全法規(guī)介紹
大客車側翻是一種較為常見、且傷亡人數(shù)較多的惡性交通事故，造成的經(jīng)濟
損失也相對較大。因此，大客車的安全性設計正成為各汽車設計和生產(chǎn)廠商關注
的熱點。在國外，大客車的被動安全性早已得到行業(yè)的共識。為了減少大客車碰
撞事故所帶來的巨大損失與人身傷害，世界各汽車工業(yè)發(fā)達國家都對客車碰撞安
全性做出強制性要求。
2．2．1國外客車側翻碰撞安全法規(guī)
目前，世界上著名的實車碰撞安全法規(guī)主要有歐、美兩大體系，主要有歐洲
的ECE(聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟委員會)、EEC／EC(歐洲經(jīng)濟共同體)汽車法規(guī)(也稱為指
令)、美國的FMVSS(美國聯(lián)邦機動車安全法規(guī))。在評價客車側翻安全性方面，
歐洲和美國也特別制定了各自的安全系列法規(guī)。
其中，ECE法規(guī)近年來已有了長足的進展，也最具有國際性的法規(guī)體系。從
發(fā)展和應用情況來看，世界車輛法規(guī)協(xié)調論壇(WP29)一般安全性專家工作組
第二章客車側翻碰撞安全性仿真試驗基礎
GRSG制定的ECE R36、52、66、107等法規(guī)是成功的，其中ECE R66為客車側
翻法規(guī)中最權威的，已被世界各國廣泛采納。一般而言，安全法規(guī)只規(guī)定保證安
全的最低要求，不干預部件或整車結構的具體設計，特別是不限制車型的發(fā)展和
新技術的采用，像客車法規(guī)這樣細致的規(guī)定，是眾多安全法規(guī)中少有的。
EEC／EC汽車技術規(guī)范稱之為指令，由歐洲經(jīng)濟共同體組織EEC制定，EEC
指令又稱EC指令。隨著客車工業(yè)的發(fā)展，EC的整車形式認證也向客車發(fā)展，客
車認證中醞釀已久，于2001年11月20日正式批準，指令號為2001／85／EC，即《對
除駕駛員座位外座位數(shù)超過8個的載客車輛的特殊規(guī)定》。它適用于M2、M3、雙
層客車(I、II、Ⅲ、A、B各級)等各類客車。車身上部結構強度要求同ECE R66，
試驗方法和要求同R66的老版本一致，但指令中試驗需考核的項目較多。歐盟客
車指令可以說它是歐洲汽車技術法規(guī)界多年討論和工作的總結。在當今統(tǒng)一全球
汽車法規(guī)之際，這項指令是極其重要的，是客車法規(guī)的集大成。
盡管兩大法規(guī)由不同機構發(fā)布，但兩大機構彼此有密切聯(lián)系。幾乎所有EC國
家都是ECE核心國。66項EC指令中有46項完全等同于ECE法規(guī)。但與ECE在
締約國中自愿采用不同，EC指令在所有成員國內強制執(zhí)行。
FMVSS為美國聯(lián)邦機動車安全法規(guī)，共有60項，F(xiàn)MVSS配套的管理性汽車
技術法規(guī)共有29個部分。其中，涉及車輛側翻結構安全法規(guī)，主要有主要包括：
FMVSS 208、FMVSS 216和FMVSS 220。FMVSS 208為乘員碰撞保護標準，對翻
滾試驗部分有詳細規(guī)定。FMVSS 216為車頂抗壓強度，主要驗證汽車車身上部結
構強度，F(xiàn)MVSS 220為校車翻滾保護法規(guī)。
除此以外，其他國家如日本、加拿大、澳大利亞、南非等也都先后參照上述
兩個法規(guī)體系制定了適合本國國情的碰撞安全法規(guī)，如澳大利亞以ECE R66老版
本為基礎制定的《公共汽車上部結構強度》即ADR 59／001南非標準以ECE R66
老版本為基礎制定的SANS 1 563《大客車上部結構強度》；加拿大的汽車安全標準
(CMvSS)；日本1951年頒布的《道路運輸車輛法》；印度2008年以ECE R66老
版本為基礎頒布的標準AIS．031《客車結構強度》等。更有一些實力雄厚的汽車
制造廠商為提高自身的市場競爭力，制定了自己一套比國家汽車安全法規(guī)更為嚴
格的標準。在積極開展被動安全性研究與認真貫徹各項安全法規(guī)的作用下，使得
這些國家的汽車事故發(fā)生率和事故死傷人數(shù)大為減少，取得的效果也極為明顯。
2．2．2我國客車側翻碰撞安全法規(guī)
我國客車發(fā)展于50年代初期，客車由幾個部門生產(chǎn)，建設部生產(chǎn)城市客車、
交通部生產(chǎn)長途客車。1986年，國家標準總局組織6個部(中汽、交通、建設、
航空、司法、公安)成立客車標準聯(lián)合工作組，負責制定統(tǒng)一成套的客車標準。
90年代初，又確定以歐洲ECE汽車法規(guī)為基礎，部分參照美國聯(lián)邦，研究建立了
12 第二章客車側翻碰撞安全性仿真試驗基礎
我國的強制性安全標準法規(guī)體系。
近年來，我國的客車技術和客車產(chǎn)品在使用性能和產(chǎn)品質量上有了很大的提
高，客車標準也在逐漸與國際先進水平接軌，尤其是客車安全方面的技術標準，
大部分或等同或等效采用了國際先進標準。我國機動車強制性標準對客車的主動
安全、被動安全、一般安全、環(huán)保節(jié)能的技術要求都有規(guī)定。國內直接與客車相
關的國家標準和行業(yè)標準主要有105項，強制檢驗共涉及42項國家標準，其中，
有關客車車身結構的安全標準主要有標準見表2．1。
表2．1中國客車結構安全標準
Tab．2．1 Safety standards for coach Structure in China
序號標準序號標準名稱采標情況
技術內容主要參考
2001，85／EC， 以及
ECRIU6、1152、R107和
1 GB廠r1 2428．2005 客車裝載質量計算方法歐美十國國家標準中的有
關內容，并綜合考慮了中
國人體特點和相關標準的
規(guī)定作了適當調整
2 GB 1 3057—2003 客車座椅以及車輛同定件的強度修改ECERS0(1998版本)
GBl3094—1997 客車結構安全要求非等效采用1t36(03版)
非等效采用2001／85／EC，
3
GB1 3094-2007 客車結構安全要求參：考ECER36、
ECEI乇52Amend．2
非等效采用ECER66的第
4 GB廠r17578．1998 客車上部結構強度的規(guī)定
1、2、5、7章及附件3
修改采用ECER52(1997
5 GB廠n 8986—2003 輕型客車機構安全要求
版本)及2000年修訂版
6 GB廠r19950-2005 雙層客車結構安全要求修改采用ECERl 07
7 GB廠n 6887．2008 臥鋪客車結構安全要求
8 GB廠r1 9260．2003 低地板及低入口城市客車結構要求等效采用ECERl07
對于客車側翻試驗，我國的GB／T 17578．1998《客車上部結構強度的規(guī)定》采
用ECE R66．1986中關于客車整車側翻的試驗部分，由于試驗是破壞性試驗，試驗
成本相當高，因此當時只作為推薦性標準。但是隨著我國公眾媒體、政府對客車
第二章客車側翻碰撞安全性仿真試驗基礎13
安全性的高度關注和客車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，和國外接軌已經(jīng)成為大趨勢，在2007
年推出的新版GB 13094《客車結構安全》里面明確提出在2011年2月1日開始強
制執(zhí)行客車上部結構強度的試驗，現(xiàn)在新版GB／T 17578—1998正在修訂，完全按照
ECER66新版本來修訂，除了整車傾翻試驗，還納入了等效的認證方法，包括車體
部分進行的側翻試驗、車體部分進行的準靜態(tài)負荷試驗、根據(jù)測試部件進行的準
靜態(tài)計算和在整車上進行的計算機模擬側翻試驗。
客車工業(yè)是我國加入世貿組織以后，發(fā)展前景比較好的一部分。目前，我國
已正式成為全球車輛法規(guī)論壇WP29的締約國之一。但由于我國客車產(chǎn)品的整體
技術水平起步較晚，因此，客車安全方面標準還存在幾方面的不足：第一，客車
安全標準較零散，未成體系。第二，客車安全標準特別是車身結構安全性能標準
與國外先進標準相比還有較大差距。第三，是客車安全性技術要求的試驗方法不
明確，缺少可操作性。第四，很多關系到客車結構安全的法規(guī)(ECE R66等)還
沒有強制執(zhí)行，只作為推薦性標準。國外客車安全法規(guī)的制定過程對我國客車被
動安全法規(guī)的制定有一定借鑒意義，客車安全問題突出，法規(guī)對客車被動安全的
發(fā)展起到很好的推動作用，我們要盡快制定適合自己國情完善的客車安全法規(guī)。
2．3客車側翻被動安全性研究方法
客車被動安全性研究和評價方法可分為試驗研究和計算機仿真研究兩種方
法，一是通過試驗檢驗整車及相關安全部件的耐撞性，這類研究主要是客車生產(chǎn)
企業(yè)測試整車及安全部件是否符合國家相應的安全法規(guī)；二是基于有限元理論的
客車碰撞性能數(shù)值仿真。從降低成本，人為改變試驗環(huán)境等需要出發(fā)，往往采用
仿真試驗方法?？蛙嚤粍影踩栽u價主要研究客車的車身結構對碰撞能量的吸收
特性，尋求改善車身結構耐撞性的方法，使得車身結構在外力沖擊下能以預計的
方式變形，其變形量能控制在一定的范圍內，在保證乘員生存空間的前提下，使
傳遞給車內乘員的碰撞能量降低到最小，盡可能使乘員所受到的減速度最小。
目前，對客車側翻研究方法，主要可分為實車傾翻試驗和計算機仿真模擬側
翻試驗兩種。國內對客車側翻碰撞的研究還比較少，僅有少量廠家對客車進行實
車傾翻試驗以檢驗頂部結構強度。而且?guī)缀跬耆且蕾囋囼灧椒ㄟM行的，采用實
車碰撞試驗方法，對碰撞試驗的結果進行分析研究，改進設計。隨著計算機技術
的發(fā)展，出現(xiàn)了計算機仿真技術。國外客車企業(yè)對仿真碰撞模擬進行了很多研究，
按照相關法規(guī)，確定仿真試驗條件。這類碰撞仿真試驗的成本低，可重復操作，
研究周期較短，可以對實車試驗進行指導。
14 第二章客車側翻碰撞安全性仿真試驗基礎
2．3．1客車側翻試驗
客車的被動安全性研究最早通過試驗進行，試驗由臺架沖擊試驗、臺車碰撞
模擬試驗和實車碰撞試驗。實車碰撞試驗是從總體上對客車的被動安全性做出評
價，是檢驗客車被動安全性的最直接和最有效的方法。實際發(fā)生的客車碰撞形式
是多種多樣的，碰撞時的速度、碰撞的角度、碰撞的部位、碰撞時車內的質量分
布情況等等都是千差萬別的?？蛙嚺鲎苍囼灢豢赡芫_再現(xiàn)這些情況，因此，客
車碰撞試驗的結果就只能是參考值，而不是絕對值。
在客車碰撞試驗中，高速數(shù)據(jù)采集、圖像處理等現(xiàn)代技術為實車碰撞試驗提
供了基礎。對于客車側翻試驗，ECE R66法規(guī)中規(guī)定了三種試驗方式即整車側翻
試驗、車身段或代表車身的幾段側翻試驗和車身段擺錘試驗。三種方法中整車側
翻試驗最能直接、全面表明客車上部結構強度是否足夠，乘員是否安全。如圖2．4
所示為某檢測中心側翻試驗現(xiàn)場。
圖2．4客車側翻試驗現(xiàn)場
Fig．2．4 The site of coaches rollover test
無論是車身段碰撞試驗還是整車碰撞試驗，都要涉及到試驗數(shù)據(jù)的采集和處
理。通常采用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為電測量和光測量相結合的系統(tǒng)，試驗中要用到大
量傳感器和數(shù)臺高速攝像機。另外，客車產(chǎn)品在研發(fā)階段具有往復性，需要多次
試驗修正方能達到安全性要求，而客車側翻試驗又為破壞性試驗，客車的價格一
般都在十萬以上，高檔大型豪華客車甚至超過百萬，成本相當昂貴。由于試驗中
有一些隨機因素的影響，使試驗結果往往不夠穩(wěn)定，可重復性差。由于客車碰撞
試驗要在樣車試制出來后才能進行，周期長，且碰撞試驗是破壞性的，如果側翻
試驗失敗，將給設計制造廠商帶來相當大的經(jīng)濟損失。目前，國外進行了大量的
整車側翻試驗以及車身段試驗，積累了豐富的經(jīng)驗與試驗數(shù)據(jù)。而國內，只有實
力雄厚的客車大公司或其資助的試驗室才有可能開展實車側翻碰撞的試驗研究。
第二章客車側翻碰撞安全性仿真試驗基礎15
2．3．2計算機仿真模擬側翻試驗
近幾十年來，計算機仿真碰撞技術迅速發(fā)展，在安全性車身的研發(fā)、乘員保
護措施的優(yōu)化、人體生物力學、碰撞用假人的開發(fā)等領域中發(fā)揮了重大作用。盡
管計算機模擬試驗還不能完全取代昂貴的實車碰撞試驗，但是在產(chǎn)品的概念設計
階段、樣車的試制、試驗次數(shù)的減少、開發(fā)費用及周期的降低等方面有明顯的優(yōu)
勢，而且可重復性強、結果信息全面。同時計算機模擬研究的適用面廣、精度高，
可以處理很多異常復雜的結構變形等問題，還可以設定模型的邊界條件和其它特
定條件等，因此顯示出強大的生命力。
隨著牛頓矢量力學、拉格朗日分析力學、多剛(柔)體系統(tǒng)動力學、生物力
學、碰撞理論、材料理論、有限元理論、數(shù)值方法以及計算機技術水平的不斷提
高，汽車碰撞計算機模擬理論和方法得到了不斷發(fā)展和完善，涌現(xiàn)出各種用于碰
撞仿真分析的商用軟件，如CAL3D、MADYMO、LS．DYNA、PAM．CRASH、
MSC／DYTRAN等，其中采用多剛體系統(tǒng)動力學理論建模的軟件可以模擬碰撞事故
中乘員與環(huán)境的相互作用，能很好地再現(xiàn)事故過程，而采用顯式有限元理論建模
的軟件可以用來描述車身結構的抗撞性，處理很多異常復雜的結構大變形問題口羽。
這些軟件的模擬結果能與實車碰撞結果大致吻合，尤其是對于車身結構的改進，
可以使用這些軟件和算法在短時間內對多種方案做出比較，得到滿意的改進方案。
其中值得一提的是，隨著顯式有限元方法的逐漸成熟，標志著汽車碰撞安全
性研究進入了試驗和理論研究并重的階段∞引。碰撞仿真技術的快速發(fā)展，加之客
車側翻試驗的特殊性，在客車側翻計算機模擬方面國外已進行相當?shù)难芯?，國?
許多高校和研究機構、企業(yè)也開始進行初步的嘗試。圖2．5為某客車側翻碰撞計算
機模擬試驗圖。
圖2．5計算機仿真?zhèn)确囼?
Fig．2．5 Computer simulation of rollover test
與實際試驗相比，計算機模擬方法具備以下優(yōu)越性：
16 第二章客車側翻碰撞安全性仿真試驗基礎
①周期短，通過與CAD的結合，減少產(chǎn)品研發(fā)周期。尤其是對于我國客車企業(yè)
多為小批量、多品種開發(fā)生產(chǎn)，更顯示出它的優(yōu)勢。
②費用低廉。計算機模擬不用進行實車的破壞性試驗，也不需試驗設可以節(jié)
省大量的人力、物力和財力，建立一個模型可用來進行多次多工況的碰撞模擬。
③可重復性好。試驗過程易受隨機因素影響，因此在研究不同系統(tǒng)參安全性
的影響時，不易得到相同的結果。而模擬依賴于計算機軟、硬件，數(shù)模擬軟件均
為參數(shù)化設計，可以輕而易舉的得到參數(shù)改變時的模擬結果，有利于多種方案的
快速分析和比較。
④結果信息全面。試驗測得的結果一般都是通過傳感器和高速攝影機的，而
傳感器與攝影機的數(shù)量與布置受到很多條件限制。而計算機模擬則在以上問題，
可以從各個角度觀察碰撞后的零部件的變形與應力分布情況，方便設計人員對結
構的觀察、分析和改進。
盡管模擬計算有強大的優(yōu)勢和功能，但它不能脫離試驗而單獨存在。采用模
擬計算并不意味著放棄試驗技術，模擬計算階段得到的結果只是對汽車及其部件
耐撞性的預先評估，只有最終的產(chǎn)品試驗才能真實反映汽車及其部件發(fā)生碰撞形
過程，并且模型中的很多參數(shù)要根據(jù)相關的試驗獲得，模型的正確性還要來驗證，
只有通過驗證的模型才是可行的，因此試驗技術與模擬技術的相輔相成的。
2．4客車側翻碰撞有限元仿真算法理論
客車側翻碰撞是一個動態(tài)的大位移和大變形的過程，接觸和沖擊載荷都影響
著碰撞的全過程，系統(tǒng)具有以大位移、大轉動和大應變?yōu)樘卣鞯膸缀畏蔷€性，以
材料彈塑性變形為典型特征的材料非線性等多重非線性和以接觸摩擦為特征的邊
界非線性。
事實上，客車側翻碰撞分析涉及一個含未知邊界條件的偏微分方程求解問題，
即動態(tài)接觸問題。一般的線性有限元方法都基于線性的小位移系統(tǒng)，而本論文所
研究的模擬計算就是采用動態(tài)大變形非線性有限元方法進行的仿真計算分析。因
此，客車側翻數(shù)值仿真一般涉及動態(tài)非線性顯式有限元、時間積分法、碰撞結構
單元、接觸算法等理論。目前，動態(tài)顯式的非線性有限元模擬計算技術通過多年
的發(fā)展己日趨成熟，成為當今汽車被動安全性研究中十分有效的方法之一。本文
將使用HyperMesh做前處理軟件進行客車模型的有限元劃分，使用LS．DYNA進
行求解計算。在進行仿真模擬之前本節(jié)將從應用的角度簡要介紹其中一些基本理
論，以便建立更精確的模型，獲得更合理是的仿真結果。
第二章客車側翻碰撞安全性仿真試驗基礎17
2．4．1基本力學模型與控制方程
①物質描述與運動方程m1
考慮一個空間物體(如圖2．6所示)，取位于B處的質點，在固定坐標系由初
始時刻坐標為．L(i=l，2，3)。在任意時刻t，該質點運動到位置b，在該固定坐標系
下坐標為毛(i_l，2，3)，那么這個質點的運動方程是
毛=Xff，X口，fJ，i=1,2，3 式(2．1)
在t=0時，初始條件為：
其中，K為初速度。
X專
Xi(X。．t)=Xo
xi(xnjcI)=vt《xo)
圖2．6空間物體的變形
Fig．2．6 The deformation of space objects
ZI
式(2．2)
式(2．3)
②動量守恒方程
％．，+廄=∥ 式(2．4)
式中，％為柯西應力；Z為單位質量體積力；譬為質點加速度。
③質量守恒方程
P=諷式(2．5)
式中，P為當前質量密度；Po為初始質量密度，，為密度變化系數(shù)。
④能量方程
E=VSy．磊-(p+q)r 式(2．6)
用于狀態(tài)方程計算和總的能量平衡。
18 第二章客車側翻碰撞安全性仿真試驗基礎
式中，y為現(xiàn)時構形的體積；乞為應變率張量；q為體積粘性阻力；偏應力張
量島；P為壓力。
其中，島"-or#+佃+g夕％ 式(2．7)
⑤邊界條件
x，，x3
1
p—j仃妓一g
圖2．7物體的邊界條件
Fig．2．7 The object boundary condition
式(2．8)
(1)面力邊界條件
or{『刀，=te(f)在S1面力邊界上式(2．9)
式中，，撕=l，2，3)為現(xiàn)時構形邊界S1的外法線方向余弦；f|450
最小長度>6mm 四邊形最大角<1350
最大長度<40ram 三角形最小角>400
雅克比>0．5 三角形最小角<1100
單元扭曲角55。§≥90
本文綜合考慮各種因素，并參照汽車碰撞仿真中的一些經(jīng)驗標準，并結合大
客車自身結構特點，對單元長寬比、翹曲角、扭曲角、單元內角、雅可比率等單
元參數(shù)進行控制如表3．2所示，此控制標準可為同類客車提供參考。
這樣，最終建立的有限元模型節(jié)點總數(shù)為256646，單元268124，其中三角形
單元為1366，占0．51％，符合制定標準。
36 第三章大客車車身建模及模型驗證
鈾t虐腳0柵‘g日劬y B曲‘q，-如'Ht-砷a‘‘一辨●b 2h●Io出H吶q F’時grI¨‘RdqFx*自杠tq^忡
i置百一、’量舀6晤i辛龜0 o●D0too詠，‘t：A 9--i·e墨Hn
圖3．5整車骨架有限元模型
Fig．3．5 Finite element model ofthe coach fraIne
3．2．5大客車有限元模型的建立
①材料屬性定義
客車車身骨架常用冷軋鋼板為冷軋鋁鎮(zhèn)靜鋼板、含磷高強度冷軋鋼板和鍍鋅
冷軋板乜1。其中低碳鋼主要應用在前后圍、左右側圍和地板等對強度和剛度要求不
是很高的部位；高強度鋼板屈服極限大，抗變形能力強，主要應用在底架等大的
承載件上面，如底架縱梁、底架橫梁、牛腿和縱梁連接板。本文所研究的大客車
為全承載式車身，它是用矩形冷彎型鋼焊接的格柵式底架與車身組成的整體式全
承載車身。所采用的型鋼主要有以下三種形式：槽形型鋼、方形空心型鋼和矩形
空心型鋼。在國內，客車車身骨架材料屬性都比較近似，底架為合金鋼16MnL，
車身為低碳鋼Q235A，材料的截面屬性則可以根據(jù)實際需要自由組合。各材料模
型的具體參數(shù)如表3．3所示。
表3．3客車材料參數(shù)
Tab．3．3 Material parameters ofthe coach
屈服極限強度極限
材料密度p(t／mm3) 彈性模最E(MPa) 泊松比s
(MPa) (MPa)
16MnL 7．85x10。6 207000 O．3 355 510～6lO
Q235A 7．85x10。6 207000 O．3 235 420
第二章大客車車身建模及模型驗證37
②骨架各部件的連接
在大客車的建模過程中，涉及到不同部件之間的連接問題，進行有限元仿真
分析時必須對各種聯(lián)接加以準確描述。實際的物理連接方式一般為焊接、點焊、
鉚接、螺栓聯(lián)接、鉸接等，這些連接有各自的特點。有限元模型中可以通過節(jié)點
約束或節(jié)點合并方式來模擬各種連接方式。大客車格柵底架、兩側圍、前后圍和
頂蓋，這六大片是由一許多截面不同的型鋼通過縫焊焊接而成。研究表明，一般
碰撞情況下，白車身的點焊不會發(fā)生開裂，可以不考慮點焊的失效，車身骨架各
型管之間通過共用節(jié)點或點焊模擬連接，焊縫長度與實際焊縫長度相當。如圖3．6
所示為前圍、側圍與底架的連接。
圖3．6側圍與底架的連接
Fig．3．6 Connection between wall and chasiss
③載荷的處理
作用于車身上的載荷主要是底架、車身骨架、蒙皮、玻璃和空調及內飾件等
的自重，乘客、駕駛員、座椅、行李和地板的質量，以及底架上的發(fā)動機、變速
箱、懸掛、車橋、油箱和蓄電池等總成的質量，具體部件加載載荷見表3．4所示。
對于承載結構件的質量，可以根據(jù)材料截面屬性和物理屬性自動識別計算質
量。玻璃、蒙皮和內飾件則以均布質量的形式附加到相應的承載結構件上。每個
乘客和座椅的質量按照相關標準分別取為68kg、15kg，等效施加到各個座椅固定
螺栓上，行李按loookg均布在行李箱底板骨架上。承載結構件上的附屬部件，則
以集中質量的形式施加到各部件的質心位置，并用剛性連接與承載結構件連接。
38 第三章大客車車身建模及模型驗證
表3．4主要部件質量加載明細表
Tab．3．4 Load schedule ofmass ofthe main components
項目質量(kg)
發(fā)動機900
變速器350
空調250
蓄電池120
油箱300
儀表臺200
前／后擋風玻璃60／15
側窗玻璃35x12
3．3模型工況驗證
在建立全承載客車的有限元模型后，為了保證客車模型的真實可靠性和后續(xù)
側翻碰撞研究的可行性，故應對所建立的大客車有限元模型進行必要的驗證試驗。
本文借鑒和參考以往成熟的大客車實際試驗的相關方法和試驗結果，對大客車模
型首先進行工況分析，以驗證模型的剛度。如果工況驗證中出現(xiàn)模型某些部件屈
服失效、剛度不夠，則必須對模型進行修改和調整，直到模型能夠滿足最低使用
性的要求為止。否則，后續(xù)側翻碰撞仿真這些部位會出現(xiàn)斷裂、變形過大等情況，
影響仿真可靠性。
對于本文所研究的一款豪華旅游客車，由于客車骨架是整車主要的承載體，
為了減少工作量，只對客車骨架進行有效性驗證，所有部件載荷都加載至骨架相
應的位置，盡量保持力學特性?？蛙嚨倪\行的道路條件多樣，各零部件承載工況
復雜。但能滿足同常使用性是對客車的基本要求，即客車要具有足夠的可靠性，
在日常的使用工況中不發(fā)生結構破壞。日常使用中可能出現(xiàn)以下四種載荷工況：
高速行駛下的垂直彎曲工況、轉彎時的水平彎曲工況、不平道路時單輪瞬間懸空
的扭轉工況、制動時的剪切工況，也可能是這四種載荷的組合∞引。因此，選擇客
車車身的主要受力變形模式為滿載彎曲工況(簡稱彎曲工況)、路面高低不平出現(xiàn)
單輪瞬間懸空扭轉工況(簡稱扭轉工況)、緊急制動工況、緊急轉彎工況。
下面研究相應載荷及邊界約束條件施加的實現(xiàn)方法，分析車身結構的應力分
布情況，對車身的剛度進行評價，從而對驗證模型的可靠性。
3．3．1彎曲工況
彎曲工況主要用來模擬大客車在平坦道路上勻速直線行駛時車身承受對稱垂
第二章大客車車身建模及模犁驗證39
直載荷的狀況，也是客車最常用的基本工況。因此，在進行彎曲工況剛度分析時，
約束車輪中心位置處可以只約束4個支承點處在整體坐標系中的2方向的平動自
由度，即只約束Y和Z方向的平動自由度，如圖3．7紅色部分為約束的施加。
一般情況下，要求在大客車處于滿載狀態(tài)對其車身骨架各部分結構剛度進行
校核，也稱滿載純彎曲工況?？紤]動載荷的影響，故采用動載荷系數(shù)K=I．5來估
算車身的沖擊載荷，方向豎直向下，以模擬客車在此工況產(chǎn)生的對稱垂直動載啼朝。
如圖3．7為大客車有限元模型彎曲工況加載與約束界面圖，SPC和LOAD分別為
約束與加載關鍵字。
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圖3．7大客車有限元模型彎曲工況加載與約束界面圖
Fig．3．7 Interface ofcoach FEM load and constraint under the bending conditions
由圖3．8純彎曲工況車身變形和應力分布圖可以看出，該客車在勻速直線行駛
工況下的應力分布具有如下規(guī)律：
①在彎曲工況下，頂蓋、前、后圍骨架的應力除了與其他總成連接處的區(qū)域
外，其它地方的應力都比較小。
②左、右側圍的高應力區(qū)域主要分布在中前區(qū)域的腰梁與斜撐上，以及中門
附近的斜撐與橫梁上。
③左、右側圍的中間窗立柱與頂蓋縱梁連接處的應力相對較大，除最大應力，
其他區(qū)域最大應力一般小于90MPa。
④底架前、后由于受到較大的載荷作用而應力也較大，底架的高應力區(qū)域集
中在后懸架附近，最大應力為144．2MPa，但仍有足夠的安全余量。
⑤由于發(fā)動機后置，離合器、變速箱、水箱、空調壓縮機等集中質量大多集
中在底架后部，所以最大變形出現(xiàn)在底架后部，計算結果的總趨勢與實際情況相
符合。但整車模型的最大應力均在各部件的最大許用應力范圍之內。
第三章大客車車身建模及模型驗證
圖3．8純彎工況車身變形和應力分布圖
Fig．3．8 Deformation and stress distribution ofbody frame under pure bending condition
3．3．2扭轉工況
大客車在低速駛過凸凹不平的路面時，通常一輪懸空或者一輪被抬高，此時
地面對車身的支承反力不再呈對稱狀態(tài)，而車身因自重或者外力承受劇烈的扭轉
作用。扭轉工況主要就是模擬此工況下車身結構的實際最大靜態(tài)強度問題。
一般大客車前懸右側為乘客上車門，左前輪懸空時發(fā)生最為嚴重的扭轉，故
本文將只分析左前輪懸空時車體的扭轉。模擬左前輪懸空的方法是：釋放左前輪
的全部自由度約束，約束其它3個支承點的相應平動自由度，即只約束X、Y和Z
方向平動自由度。這樣可以得到類似于大客車左前輪懸空時，車體受到扭轉的情
形。由于，此工況下的動載荷在時間上變化得很緩慢，相對較小，通常動載系數(shù)K
取1．3嘲1，其他載荷及邊界條件的處理與彎曲工況相同。
圖3．9扭轉工況車身變形和應力分布圖
Fig．3．9 Deformation and stress distribution ofbody frame under the bending and torsion conditions
第二章大客車車身建模及模型驗證4l
由圖3．9扭轉工況車身變形和應力分布圖可以看出，車身結構在左前輪懸空扭
轉工況下的應力分布具有如下規(guī)律：
①前后圍骨架應力均較??；
②頂蓋骨架上應力較大的部分主要在外側縱梁與側窗立柱連接處以及項置空
調安裝處；
③底架左側外縱梁的中后部整體應力較大；
④整車骨架上應力較大的區(qū)域主要集中在左后輪附近的左側圍骨架上及中門
附近的窗區(qū)，右前懸掛相連的底架上出現(xiàn)了最大應力97．8MPa；
⑤其他應力較大的地方主要在個別桿件連接處及其附近區(qū)域，且這類區(qū)域的
應力一般不超過46．3MPa。所以，整車模型的最大應力都在各自的最大許用應力范
圍之內。
3．3．3制動工況
大客車在行駛路況復雜，經(jīng)常需要緊急制動。這時客車骨架除受各部件的重
力作用外，還受到縱向慣性力的作用。制動時，客車的最大加速度為．，=卿l／s2，
其中夠為路面附著系數(shù)，通常干燥的水泥路面上最大附著系數(shù)為O．7。在緊急制動
時，前后軸載荷將重新分布，整個車身的應力分布也會有很大改變，車身結構必
須具有足夠的剛度。
緊急制動工況主要分析當客車以最大制動加速度0．79制動時，地面制動力對
車身的影響。載荷處理與靜態(tài)彎曲工況基本相同，但是除施加重力外，還施加一
個水平向前的O．79的慣性加速度。約束的處理方法是：約束4個支承點處的X和
Z方向的平動自由度。
圖3．10緊急制動工況車身變形和應力分布圖
Fig．3．10 Deformation and stress distribution ofbody flame under the emergency braking condition
42 第三章大客車車身建模及模型驗證
由圖3．10緊急制動工況車身骨架變形和應力分布圖，通過分析可知，緊急制
動時大客車車身重心前移，導致前、后輪罩與底架連接處的應力增大，約為86MPa。
而左、右側圍是該車身骨架的局部受力較為頻繁、嚴重的部位，應適當增加其剛
度與強度，但整車模型的最大應力都在各自的最大許用應力范圍之內，滿足此工
況的使用要求。
3。3．4轉彎工況
客車滿載高速轉向時，車體會產(chǎn)生一定的離心加速度。由于離心加速度的大
小由轉彎半徑以及行駛車速決定，一般大型客車受到懸架系統(tǒng)和車身的限制，作
為近似計算，本文通過在橫向◇軸正方向)施加一個側向加速度0．49來模擬右轉彎
工況。
載荷處理的方法同緊急制動工況類似，只是將縱向的制動力影響改為橫向的
慣性力影響，制動加速度0．79改為橫向(即Y向)加速度0．49，用于模擬轉向慣
性力對車身結構的影響。在模擬分析中，只約束各支承點處的Y和z方向的平動
自由度。
圖3．11急速轉彎工況車身變形和應力分布圖
Fig．3．1l Deformation and stress distribution ofbody frame under the sharp turn condition
圖3．11為急速轉彎工況車身骨架變形和應力分布圖，從圖中我們可以看到，
最大應力出現(xiàn)在車身中段的側圍裙部與底架橫梁的連接處，最大應力值為
156MPa。車體中段是水平橫向彎矩最大的區(qū)域，模擬分析和實際情況相吻合。整
車模型的最大應力都在各自的最大許用應力范圍之內，滿足此工況使用要求。
綜上分析，各工況下該大客車結構強度均有一定的安全余量，滿足基本使用
要求，因此本模型工況驗證符合要求。
第二章大客車車身建模及模型驗證43
3．4模型模態(tài)驗證
在驗證各工況下模型的靜態(tài)強度之后，需要對模型的動態(tài)響應特性進行驗證。
如果模型僅進行靜態(tài)強度分析，而動態(tài)響應特性較差，在后續(xù)的側翻碰撞仿真中
會出現(xiàn)局部結構變形過大，變形速度不真實，碰撞力不能有效傳遞等，不能真實
反映碰撞過程，仿真結果不可靠。本文借鑒和參考以往成熟的大客車實際試驗的
相關方法和試驗結果，分析該模型的模態(tài)響應特性，對比同類型車的試驗結果，
如果模擬結果和同型車的真實試驗結果有較大偏離，則需要修改和調整模型，直
到模型能夠滿足最低動態(tài)響應特性的要求為止。
模態(tài)分析的實質是求解具有有限個自由度的無阻尼和無外載荷狀態(tài)下運動方
程的模態(tài)矢量咖1，因此又稱為結構的固有振動特性分析。大客車行駛于各種不同
路面時，零部件在路面激振力及其他激振力的作用下會產(chǎn)生多種形式的振動，這
種振動值若處在結構固有振動頻率附近就會產(chǎn)生共振和噪聲，甚至造成車身結構
的疲勞破壞，車身的模態(tài)參數(shù)直接影響整車的震動、噪聲以及疲勞特性。此外，
隨著乘坐舒適性要求的越來越高，對車身結構的固有振動特性進行分析，并以此
確定車身結構的頻率響應特性和振型具有十分重要的意義。
模態(tài)分析結果可以用作驗證和修正用于動態(tài)分析的有限元模型；通過對振型
和頻率數(shù)據(jù)的比較，可以定性或定量的判斷大客車車身有限元模型的可靠性；模
態(tài)分析也在一定程度上也反映了整車結構剛度的分布情況。因此，可利用模態(tài)分
析來進行進行模型的有效性驗證，其原則如下晦"：
①骨架低階頻率，即整體一階扭轉和一階彎曲頻率的值。該值應高于懸掛下
共振頻率而低于發(fā)動機怠速頻率，以避免發(fā)生整體共振現(xiàn)象。
②骨架彈性模態(tài)頻率應盡可能避開發(fā)動機經(jīng)常工作頻率。
⑧骨架振型應盡可能光滑，避免有突變。
3．4．1大客車車身模態(tài)仿真計算
在模態(tài)分析過程中，一般只對白車身結構特性進行研究，不考慮如發(fā)動機、
速箱等部件與車身的剛度和慣性的耦合作用。對于大客車這樣的大型空間薄殼結
構，通常高頻振動一般只是局部振動，對整車影響較小，而低階的振動則對結構
影響較大，低階模態(tài)基本可以反映客車車身的剛度特性。因此，本文只對大客車
白車身結構無約束自由模態(tài)進行了分析。
應用有限元法對客車進行模態(tài)分析的主要步驟是：建立有限元模型、施加載
荷并求解、應用子空間迭代法擴展模態(tài)、檢查計算結果。
經(jīng)計算得出該大客車的前12階模態(tài)，其中前6階為車身的剛體模態(tài)，頻率基
本為0，因此從第七階模態(tài)開始分析，具體結果見表3．5。
第三章大客車車身建模及模型驗證
表3．5大客車車身自由模態(tài)分析結果
Tab．3．5 Modal analysis results of coach body
階數(shù)振型圖頻率振型麓￡蠡氫隱、
l 醺氏雙恢強勰㈣整體～階
一—‘乏，囂蠢N覃=^ 6．9965
麴塑穢扭轉
氨一階水平
2 8．4026 稠爿k0娜
側彎
屆車身上部
l 3 11．8418
橫向彎扭
IkN器擴瓢吵
整車側向
4 13．2720 一階
彎扭
第二章大客車車身建模及模型驗證45
垂直
5 15．1137
彎扭
憋二L 。凋鬣愛霽融掣———羅馨囊震翳綴囊渺篚墨萄)瓷研＼>y
一一積鼐、黧} 二階側向
6 愆闡圈_鬣瞪彈因斟aRP莎yf 16．2154
彎扭
*一弋℃型少
3．4．2大客車車身模態(tài)評價
在汽車行駛過程中，激勵源主要來自于路面的不平度以及車輪、發(fā)動機、傳
動軸等轉動時的不平衡引起的。其中，路面激勵一般由道路條件決定，目前高速
公路和一般城市較好路面的激勵力多在3Hz以下(路面波長取10m，車速為
120kin／h)，此激勵分量較大；因車輪不平衡引起的激振頻率一般低于11Hz(最高車
速取120km／h，輪胎滾動半徑為950mm)，隨著現(xiàn)代輪輞制造質量及檢測水平的提
高，此激勵分量較小；發(fā)動機引起的激振在35Hz以上(取怠速為700r／min)，此激
勵分量較大；城市中一般車速控制在50"-"80km／h，高速公路上一般車速控制在
120km／h左右，傳動軸的不平衡引起的振動的頻率范圍在33Hz以上，此激勵分量
較小。因此，從振動和強度角度考慮，若以避開敏感頻率2Hz為標準，對結構強
度影響較大或有幾何約束要求的振型應遠離較大激勵分量的激勵頻率，車身前幾
階主要振型(主要指彎曲和扭轉等)應出現(xiàn)在13Hz～33Hz之間，若考慮到車輪不平
衡力較小，車身前幾階主要振型可出現(xiàn)在5Hz---,33Hz之間腳1。
按照大客車車身結構的動態(tài)設計要求，其模態(tài)頻率應錯開載荷激振頻率。由
以上各階的模態(tài)分析可見，該大客車車身結構的固有頻率避開了主要激振頻率，
車身前幾階振型的固有頻率在6．99Hz,-．-16．21Hz的范圍內，滿足5Hz,--．,33I--Iz的設
計要求要求，且各階的模態(tài)變化較平順，不存在剛度、強度的突變現(xiàn)象。
另外也可以按類比的方法來評價大客車的模態(tài)特性，表3．5為本文中的大客
車模型模態(tài)頻率和某同型車模態(tài)試驗測得的固有頻率的對比，兩車的低階固有頻
第三章人客車車身建模及模型驗證
率比較接近，這同樣可以反映本文所建立大客車模型是可靠和有效的。
表3．6客車仿真模型和同類車模態(tài)特性對比
Tab．3．6 Contrast from modal analysis results between coach simulation model and similar vehicle
階數(shù)l 2 3 4 5 6
仿真模型模態(tài)頻率
6．9965 8．4026 11．8418 13．2720 15．1137 16．2154
(Hz)
同型車試驗模態(tài)頻率
7．575 9．525 13．388 15．244 15．634 17．566
(Hz)
3．5本章小結
本章，首先明確制定了客車側翻碰撞仿真流程，為整個仿真研究打下基礎。
接下來闡述客車車身結構特點，結合側翻碰撞仿真需求，合理簡化客車的幾何模
型，詳細分析有限元網(wǎng)格劃分中存在的影響因素網(wǎng)格尺寸與網(wǎng)格密度，通過
HyperMesh劃分網(wǎng)格，并制定網(wǎng)格質量檢查標準，建立符合標準要求的較高質量
的大客車骨架有限元網(wǎng)格模型。
其次，通過賦予網(wǎng)格模型材料屬性，依照實際情況連接各大部件，按照力學
特性加載載荷，建立大客車骨架的靜力學有限元分析模型。在此基礎上，對各工
況下模型的變形及應力分布情況進行了詳細的分析，結果表明沒有出現(xiàn)任何屈服
現(xiàn)象，該大客車有限元模型能滿足常用工況車身結構強度使用要求。
最后，計算該大客車模型前十二階自由模態(tài)，模態(tài)分析的結果顯示，大客車
模型模態(tài)固有頻率為6．99"一16．21Hz出現(xiàn)在正常的范圍內，各階的模態(tài)變化較平順，
不存在剛度、強度的突變現(xiàn)象。前六階固有頻率與同型車模態(tài)試驗所測得的固有
頻率比較接近，該大客車動態(tài)響應特性良好。
通過上述分析，說明本文所建立的大客車模型是可靠和有效的，可以用來進
行下一步分析。
第四章大客車側翻碰撞試驗仿真研究47
第四章大客車側翻碰撞試驗仿真研究
近年來，我國客車行業(yè)蓬勃發(fā)展，國內市場旺盛，出口也保持良好的勢頭，
但客車安全性能總體上還有一定差距。隨著國內對客車安全性的日益增加，而且
海外市場普遍對側翻安全性有嚴格的準入制度?？蛙囓嚿斫Y構的側翻安全性問題
研究，已擺在各大廠家面前?？蛙噦确囼炇且粋€動態(tài)的過程，因此需要動態(tài)模
擬來直觀和準確地反映出來。
本章基于前文建立的大客車骨架有限元網(wǎng)格模型，按照LS．DYNA格式建立并
完善客車整車側翻有限元模型，參照ECE R66標準建立側翻試驗臺，按照試驗流
程簡化并模擬客車側翻碰撞過程。提交LS．DYNA對大客車有限元數(shù)值模型進行計
算，利用HyperView、HyperGraph并結合LS—PREPOST對仿真結果進行分析。這
樣所建立的從前處理、模型驗證、計算到后處理仿真系統(tǒng)模擬實驗，可以得到車
身結構在側翻碰撞時發(fā)生的變形與能量等全部的動態(tài)過程信息。仿真流程化、結
果精度較高，使得仿真分析可在設計階段進行，可直觀動態(tài)演示整個碰撞過程中
的各種物理量變化，便于對數(shù)據(jù)結果進行分析以及對結構設計的不足之處及時改
進，從而縮短設計試驗周期，節(jié)省大量的人力和生產(chǎn)費用。
4．1大客車側翻安全性的試驗概述
4．1．1客車側翻安全性標準ECE R66簡介嘲1
本文將參照歐洲客車側翻安全性標準ECE R66即客車車身上部結構強度法
規(guī)，進行相關的客車側翻仿真模擬研究與試驗，因此，下面本文將對本研究將會
用到的部份法規(guī)標準進行簡單的闡述。
ECE R66標準中詳細規(guī)定了關于客車上部結構強度驗證以及客車靜態(tài)側翻試
驗的相關信息。諸如：剩余空間的定義：試驗臺以及其它試驗條件的規(guī)定。還有
關于試驗審核要求方面的詳細內容，例如：車輛的上層機構應具有足夠的強度來
保證通過客車靜態(tài)側翻試驗；在對剩余空間侵占評估時，任何原先位于剩余空間
中的結構部件均應忽略；剩余空間的任何部分都不會延伸到變形結構以外等。
ECE R66車身上部強度試驗可以采用以下四種方法中的一種進行試驗：
①整車側翻試驗；
②車身段或代表車身的幾段側翻試驗；
③車身段的擺錘試驗；
④上部結構強度計算機模擬驗證。
在試驗后，車身骨架必須具有足夠的強度和剛度，并要求：車身任何結構部
48 第四章大客車側翻碰撞試驗仿真研究
分的位移都不允許侵入乘客的生存空間：生存空間內的任何部份都不能突出至變
形的車身結構外。本次模擬仿真將采用第四種方法進行試驗，因此對法規(guī)中的詳
細規(guī)定進行逐一介紹。
4．1．2翻轉平臺與試驗過程的規(guī)定
在ECE R66中，對傾斜平臺和水泥地面各方面都作了詳細規(guī)定。傾斜平臺應
具有足夠的剛性和充分可控的轉速，以保證同時舉起車軸，所測的軸下與平臺間
的斜角差小于10。傾斜平臺相對于水泥地面，應按尺寸要求放置(見圖4．1)：車
輪支架應置于車輪靠近旋轉軸處，防止車輛傾斜時滑向一邊。車輪支架的主要尺
寸特征見圖4．1。
車輛的垂直縱向中心平面(VLCP)可平行于旋轉軸。建造的傾斜平臺應可防
止車輛沿其縱軸移動。水泥地面的撞擊區(qū)域應為水平、均勻、干燥、光滑的水泥
表面。
maX
圖4．1傾斜臺的幾何圖
Fig．4．1 Geometry of the tilting bench
試驗時，如圖4．2所示車輛位于翻轉平板上，懸置鎖止，翻倒方向為大客車翻
滾時車身和生存空間最容易發(fā)生相互穿透的方向；翻轉平臺以不超50／s(0．087rad／s)
的角速度繞傾斜軸旋轉；在車輛未達到不穩(wěn)定平衡和傾翻前，傾斜過程中不得有
搖動和動力影響；車輛達到不穩(wěn)定平衡角度時，傾斜平臺停止轉動，車輛靠自身
重力開始傾翻，直到翻倒在水泥地上。通過安裝在車內的變形規(guī)和車外安放的高
速攝像機或其他適宜的裝置，來查看和記錄客車結構對生存空間的侵入量，判斷
是否滿足標準要求。此要求至少應在兩個位置進行驗證，一般是在乘客區(qū)的前部
和后部。
第四章大客車側翻碰撞試驗仿真研究49
圖4．2側翻過程中客車重心從開始到不穩(wěn)定平衡點的運動軌跡
Fig．4．2 Showing the path ofthe centre ofgravity through the starting,unstable equilibrium,position
4．1．3生存空間的規(guī)定和要求
生存空間是指在乘客車廂、乘務員和駕駛員車廂中預留的，以增加乘客和司
乘人員在側翻事故中逃生可能性的空間。ECE R66法規(guī)規(guī)定，①車身任何部分的
位移都不允許侵入生存空間；②生存空間內的任何部分都不能突出至變形的車身
結構外。該規(guī)定適用于客車上的所有結構零件、部件、板件以及所有凸出的剛性
零件，如行李架、通風裝置等，但不適用于車內的隔板、隔墻以及酒吧、廚房或
洗手間等固定設施。
生存空間尺寸定義為：車輛生存空間的外圍通過在汽車內建立一個垂直橫向
平面進行確定，其邊緣如圖4．3(a)和圖4．3(c)所示，將該平面按以下方法移動
穿過整個車長(見圖4．3(b))，說明如下：
@SR點是確定客車生存空間測量的基準點。位于外側每個朝前或朝后的座位
(或假定的座椅位置)靠背上，距座椅下的地面500mm處，離側圍內表面150mm。
如果位于中間平面上的座位朝里，這些尺寸也適用。
②如果客車的兩個側面因地板排列而不對稱，因此SR點的高度也不同，生存
空間的兩條地板線間相差的距離應作為車輛的縱向垂直中心平面(見圖4．3(c))。
③生存空間的最后面是一個垂直平面，離最后面外側座位的SR點200mm，
或離汽車后圍內表面200mm，如果SR點后面距離少于200mm的話。生存空間的
最前面是一個垂直平面，在車輛最前面的座位(不論是乘客、乘務員或是駕駛員
第四章大客車側翻碰撞試驗仿真研究
座位)最大限度向前調整后，距其SR點前方600ram。如果客車兩側的最前面和
最后面的座位不在同一橫向平面上，每側的生存空間的長度則不同。
④在乘客、乘務員和駕駛員車廂內，生存空間在其最后面和最前面的平面上
連續(xù)不斷的，沿車輛兩側穿過SR點的直線按整個車長移動設定的垂直橫向平面而
確定。通過最后面及在最前面的座位之前的SR點的直線是水平的。
⑤生產(chǎn)商可確定一個比給定座位安排所需要空間更大的生存空間，以模擬車
型組中的一種最壞情況，以便日后設計上的改進。
a}橫向捧糾示意圍c)
圖4．3生存空間示意圖
Fig．4．3 Specification ofresidual space
4．2大客車側翻試驗臺有限元模型的建立
4．2．1大客車臨界側翻角的計算
在側翻試驗模擬仿真中，由于客車的碰撞能力來自于客車自身重力做功，重
心位置影響碰撞能量，直接決定仿真精度。由于仿真做的是剛性汽車的準靜態(tài)側
翻實驗，故計算的是靜態(tài)側翻角度的大小，所以臨界側翻角是關系建模質量的另
一重要因素。雖然側翻角在試驗時通過儀器可以測得，但是作為工程設計，必須
求得其理論解惻。
第四章大客車側翻碰撞試驗仿真研究5l
大客車具有整車尺寸大、質量大、重心較高的結構特點。對于大客車來說，
臨界狀態(tài)下側翻角的大小，是衡量車輛操縱穩(wěn)定性的一個重要標志，也是車輛設
計的重要依據(jù)之一。這里，“剛性汽車"是指忽略汽車懸架及輪胎的彈性變形，“臨
界側翻角"是指汽車停放在一定角度的坡道上保持平穩(wěn)而不發(fā)生側翻的最大坡道
角哺¨。在側傾平面內，剛性汽車的準靜態(tài)側翻模型示意圖如圖4．4所示。
圖4．4剛性汽車準靜態(tài)側翻模型
Fig．4．4 Rigid quasi—static model of rollover vehicle
對圖4．4中的剛性汽車進行受力分析，司得：
F：iB+mgh譬s伽∥一吉mgBcosfl=0 式(4．1)
式中：巴為路面對車輛垂直反力，曰為輪距，m為整車質量，k為質心高度，
∥為臨界側翻角。由式4．1可知，足減小到零時，汽車在側傾平面內不能保持平
衡，從而開始側翻。
可得臨界側翻角：∥=撇t舳瓦B 式(4．2)
如果考慮偏心距e(nun)，則
∥：arctan罷當式(4．3) ’
2^。
’
代入大客車的各個參數(shù)，就可以得出臨界側翻角的具體值，然后可與試驗所
得的值進行比較，本文中所選擇分析的大客車模型的側翻角經(jīng)計算為35．20。
52 第四章大客下側翻碰撞試驗仿真研究
4．2．2翻轉平臺與生存空間有限元模型的建立
按照ECE R66法規(guī)尺寸要求建立了翻轉平臺的幾何模型，然后進行網(wǎng)格劃分，
網(wǎng)格大小為100ram，建立有限元網(wǎng)格模型，并賦予翻轉平臺單元及材料屬性，定
義翻轉平臺為殼單元，剛性材料。
對于水泥地面則用剛性墻來代替。剛性墻的建立有四種類型的剛性強可供選
擇見圖4．5：
①無限平面；
②任意直徑的無限圓柱體形狀的剛性墻；
③任意直徑的球體形狀的剛性墻；
④平行四邊形剛性墻。
凸Ml圓柱體
圖4．5剛性墻類型
Figure 4．5 Types ofrigid walls
I
I。
從節(jié)直
體
每種剛性墻都可以設定為固定的或是移動的，并且剛性墻的定義中要有一個
主節(jié)點和一組從節(jié)點，對于從節(jié)點的定義可以通過選擇確定的節(jié)點或者是給定一
定的距離長度，在該范圍內的一切點都是從屬節(jié)點。剛性墻是一個可設定的結構，
每個節(jié)點的每個方向都是一個動力學條件，所以剛性墻的定義是一個運動學方程。
本文采用的是無限平面的固定剛性墻，該剛性墻在仿真過程中不發(fā)生任何變
形。首先選擇無限平面剛性墻這種形式，然后設定一個基點，并給定其法向方向。
對于給定的基點就是主節(jié)點，剛性墻就是主面，本模型的從節(jié)點是通過給定距主
節(jié)點一定的距離范圍內的所有節(jié)點來設定的。之后，要給剛性墻賦予一定的參數(shù)，
例如摩擦系數(shù)等。最后，按照上述要求建立了翻轉平臺模型如圖4．6所示。
第四章大客車側翻碰撞試驗仿真研究53
圖4．6翻轉平臺模型
Fig．4．6 Finite element model of the tilting bench
根據(jù)ECE R66法規(guī)規(guī)定的生存空間位置尺寸，建立剛性平面模擬生存空間，
由于地板骨架變形很小，可忽略不計，其與地板骨架采用EXTRA NODES的連接
方式固連在一起，隨整車側翻，如圖4．7所示，黃、紅、紫色部分即分別為乘員、
駕駛員、后排乘員的生存空間。
模型中生存空間的質量及其大小，對整車質量不構成影響，不影響仿真精度，
網(wǎng)格大小為50mm。在側翻仿真過程中，生存空間與側圍、地面之間均不設置接觸，
若生存空間被侵入，則生存空間將穿透側圍骨架。采用逆向思維方式，生存空間
穿透出側圍內表面的部分即為生存空間被侵入空間，從而可在仿真中確定生存空
間是否被入侵，且可測量出側圍任何一點侵入生存空間的距離，定量地分析生存
空間受入侵的程度。
圖4．7按照法規(guī)要求建立生存空間模型
Fig．4．7 Residual space in accordance with regulations established model
第四章大客車側翻碰撞試驗仿真研究
4．3大客車側翻動態(tài)模擬有限元模型的建立
數(shù)值仿真是研究客車側翻碰撞安全性的一個重要手段№2|。在前文已驗證的大
客車車體骨架有限元模型基礎上，本節(jié)將繼續(xù)完善大客車的側翻碰撞有限元模型，
如輪胎、車軸等模型建立，模型接觸、載荷、約束、輸出參數(shù)、時步及沙漏控制
的定義等。最后，本節(jié)將對建好的客車側翻碰撞模型進行仿真計算并對其結果分
析評價。
大客車側翻過程的動態(tài)模擬是在LS．DYNA的環(huán)境中進行計算的，需要按照
LS．DYNA的格式重新對單元類型的選取、單元屬性及材料的定義、算法選取、部
件的連接等方面進行重新定義?；趧討B(tài)顯式非線性有限元分析的計算機仿真，
與隱式算法不同，其算法是有條件穩(wěn)定的，包括由簡化單元計算使用的單點高斯
積分引起的沙漏模態(tài)與應力波傳遞帶來的數(shù)值震蕩均需進行有效控制哺31，同時，
顯式積分的穩(wěn)定性還受臨界時間步長的控制。為了確保使用LS．DYNA軟件進行碰
撞仿真模擬的有效性，需要對單元選擇、積分點選取、材料定義、接觸設置等進
行分析。
4．3．1單元類型選擇與積分點的選取
對于有限元碰撞仿真分析，建立有限元模型時基于什么樣的單元進行分析是
非常重要的。選擇單元類型，主要考慮結構的幾何形狀，其次是分析目的，加載
條件和經(jīng)濟性?？蛙囓嚿砉羌苁怯纱罅坎煌孛娴男弯摵附咏M成，是典型的空間
框架結構，型鋼屬于典型的薄壁構件，進行側翻模擬計算時，需描述載荷的分布
情況、客車承受撞擊的能量和方向。當結構的應力超出材料的彈性極限時，還應
模擬在塑性大變形下結構的變形特性。所以，在進行模擬計算時，如使用全梁單
元仿真分析，雖能夠節(jié)省時間，提高效率，但是計算模擬的精度不能保證。因此
本文在進行客車側翻碰撞分析中選擇用全薄殼單元來進行空間離散。
在非線性動力問題的研究發(fā)展中，產(chǎn)生了多種薄殼單元算法，LS．DYNA970
為殼單元提供了16種算法，薄殼單元的選擇和算法對于計算的效率與正確性有著
重要的意義。它們之間的主要差別在于采用的積分方法不同以及能否控制沙漏。
對相同單元，不同的殼單元算法導致的計算時間差別會很大。
從計算的精度、仿真的效率以及計算穩(wěn)定性來考慮，本文將單元類型選擇為
BT單元，如圖4．8所示，為右側圍殼單元的定義。同時，contr01．shell中關于幾何
翹曲剛度的計算選用BWC的計算法，自動設置四邊形退化單元應用Co三角形單
元公式計算，防止橫向剪切時發(fā)生鎖死。在對仿真結果分析后，如果某些部件沙
漏較大，則需要改變部件的單元屬性，采用S／R Hughe．Liu選擇性縮減積分殼單元，
避免沙漏模式。
第四章大客車側翻碰撞試驗仿真研究55
——j‘叩1—蔫?！粔櫹隆?廠{斗『‘警’I阿1
． 巴! 【眥】． !竺墜! l∞F1 ．疊璺楚壁．盈
廣—1—1阿廣f r om T' fr 0111 T1 f rom T1 0．0 r——r麗10廠————1
圖4．8殼單元定義
Fig．4．8 The definition ofshell elements
積分點是相對于殼單元的厚度方向而言的，其示意圖見圖4．9，積分點的選取
對計算結果有很大的影響，一般的單點積分很容易出現(xiàn)仿真失真的情況，原因在
于若單點積分時，僅僅考慮了中心面的積分，而上、下表面的沒有參與計算，這
是與實際有很大的差別。一般最常選用的積分點是2點積分，即上下表面參與計
算，但是中心面不參與計算。在本文中，選擇考慮中心面參與計算的情況。圖4．8
中，側圍殼單元定義為5個積分點。
對于BT殼單元可以指定在單元厚度方向上的積分點數(shù)，增加積分點可以更好
地反映單元在厚度方向上的變形，但同時會增加模擬計算的時間。綜合計仿真精
度和效率兩方面來考慮，在本文中對不同部分采用了不同的積分點。在側翻碰撞
中，大變形的區(qū)域，如側圍、腰梁和頂蓋等部件，其殼單元的積分點選則5積分
點，而在大變形附近的部件選擇3個積分點，同時在遠離碰撞區(qū)域的如大客車的
底架、輪胎等部件選擇2個積分點。
J I S=l
～t
圖4．9積分點示意圖
Fig 4．9 Schematic diagram of integral points
4．3．2材料屬性定義
有限元計算是對模型單元的計算，有限元本身的算法決定了如何計算，怎樣
計算，材料參數(shù)設置直接決定了計算單元的響應。材料模型的定義是仿真模擬中
一個非常重要的環(huán)節(jié)，它直接影響著數(shù)值仿真模擬的精度和可靠性，因此有必要
對材料模型的定義有一個正確的認識，也成為近年來碰撞仿真研究的一個熱點。
側翻碰撞有限元仿真結果的準確性很大程度上依賴于材料模型的選擇和材料
參數(shù)的確定，在LS．DYNA中有將近140多種材料模型，提供了豐富的材料庫。由
第四章大客下側翻碰撞試驗仿真研究
于本文主要研究客車側翻結構碰撞性能分析，側翻過程屬于大變形過程，且側翻
碰撞的速度相對靜態(tài)或者準靜態(tài)過程而言可謂高速，而車身骨架材料為對應變率
較敏感的低碳鋼，因此必須考慮應變率對材料性能的影響。各種材料都定義了詳
細的應力一應變曲線。LS．DYNA對于應變率的影響提供了四種常用方法：
①Cowper-Symonds：
②屈服應力為應變率的函數(shù)方法；
③冪指數(shù)方法；
④不同應變率的硬化曲線以圖標的方式輸入的方法。
本文采用LS-DYNA默認的Cowper-Symonds方法：
；!
盯y=廠1+f，號夕P，·(00+胚p占易，) 式(4．4)
o
式中：
盯。一一動態(tài)屈服應力；
仃。一一靜態(tài)屈服應力；
C、P一一用戶定義的應變率參數(shù)。本文設定為：C=40，P=5。
根據(jù)廠家提供的資料，車身底架材料為16MnL，其余骨架材料為Q235A，彈
性模量為207GPa，密度為7800kg／m3。在LS．DYNA3D軟件中采用線性各向同性
材料進行模擬，圖4．10為16MnL材料的定義。
‘M^T．PI ECEWI SE—LI NEAR．PL^SI I CI lY—I I T LF 惻3dle
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圖4．10 16MnL材料定義
Fig．4．10 The material definitions of 16MnL
由于大部分有限元軟件都是無量綱的，為保證輸出結果的一致性，必須保證
輸入?yún)?shù)量綱的一致性，根據(jù)HyperMesh軟件通常采用輸入的量級為長度／mm，
時間／s，質量／t，力／N，輸出的量級為應力／Mpa，能量／Nmm。
4．3．3接觸定義
在大客車側翻碰撞過程中，車身結構的大變形和大位移必然會導致部分構件
之間的相互接觸和摩擦。LS．DYNA提供了40多種接觸類型可供選擇，具有強大
的接觸分析能力。本仿真模型中，可以預見，接觸主要發(fā)生在車體與剛性地面、
車體與翻轉平臺以及車體本身之間。其中車體與剛性地面之間的接觸將發(fā)生在車
體右側零件和剛性地面之間；車體與翻轉平臺之間的接觸發(fā)生在輪胎和平臺之間；
第四章人客車側翻碰撞試驗仿真研究57
車體本身的接觸發(fā)生在除了生存空間以外的所有車體結構之間。各接觸對的類型
及定義方法：
表4．1接觸定義
Tab．4．1 Defmition of contact
接觸對接觸類型靜摩擦系數(shù)動摩擦系數(shù)關鍵字
地面一車體點面接觸0．4 O．4 ·rigidwall-planar-id
平臺．車體面面接觸O．6 0．4 *contact．．a(chǎn)utomatic．．surface．．to．．surface．．id
單面
車體自身O．15 0．15 ·contact-automatic—single-sufface-id
自接觸
同時，在接觸卡片中，要定義接觸算法?？刂芐LSFAC接觸剛度設置為O．2，
RWPNAL剛性墻罰因子系數(shù)設置為1，ISLCHK初始穿透檢查設置為1，IGNORE
設置為l消除在接觸碰撞過程中初始穿透影響，具體接觸算法設置見圖4．11。
1．CONTROL—CONTACT
廣fSLSFA—C】可【附一F，N^百L】廣【眥c帳1—fTSHLT麗HKl !l阼lNO町!】I!fTHlKCHG!l．f0RiEN)!lI!剛M^ss】
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【籪托】【DFRIcl 廣—1r而r廣—1廣_前百_廠—[1E■DC礦]—廠——雨1廣雨而廠廣一廠—1廣【礦TH廠】——11廣百_礦釃廠丁——1—廣—而麗‘瓦才F一r————一
【IGNORE】[FRCEN6] fSKIPRWG】[otrr汪6】【釬u舯】[SPOTDEL】【SPOTHIN】
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圖4．11接觸控制卡片
Fig．4．11 Contact control cards
把客車模型放入翻轉試驗平臺，并準確定位，經(jīng)過以上定義與設置后，如圖
4．12為最后建立的翻轉至臨界側翻角客車側翻碰撞有限元計算模型，其中包含
305601個單元，共292303個節(jié)點。
圖4．12客車骨架側翻碰撞有限元計算模型
Fig．4．1 2 Coach body frame rollovcr crash finite element model
58 第四章大客車側翻碰撞試驗仿真研究
4．4大客車側翻碰撞仿真過程參數(shù)設置與控制
4．4．1基于能量守恒的側翻安全性仿真試驗過程簡化
如果在LS．DYNA中模擬整個側翻過程，需要計算的時間相當長。由于條件限
制，結合本文分析目的，只對客車接觸到地面開始分析。通常在現(xiàn)實的實驗當中，
客車車體在未接觸到地面的那一段過程不是我們所關注的，通過能量轉換或者在
計算中設定柔性體和剛體的相互轉換都可以大大提高計算效率，本文采取了能量
轉換的方法簡化大客車側翻碰撞過程。
圖4．13客車有限元模型側翻示意圖
Fig．4．1 3 Schematic diagram of the rollover coach finite element model
圖4．13為客車側翻過程示意圖，其中點1、2、3分別為初始、臨界側翻、觸
地三個階段大客車的重心位置。h，為大客車上邊梁接觸地面時，整車的質心高度。
Ah為從達到不穩(wěn)定平衡角度到大客車觸地時，整車質心高度變化值。
本文，從客車開始接觸地面時刻模擬。從臨界側翻位置到接觸地面的過程中，
重心降低了Ah=970mm。側翻時刻翻轉平臺和大客車旋轉角速度保持恒定為50／s
即0．087rad／s，根據(jù)能量守恒定理，臨界側翻時刻動能加上重力勢能等于接觸地面
時刻動能加上重力勢能，即：
E置l+E，l=E石2+Ep2 式(4．5)
寺勵12+mghl=去砌22+嘲2 式(4．6)
‘ 二
妻，(緲22 COl2)=mgAh 式(4．7)
Z
，：2唑式(4．8)
COl。一C02。
第四章大客車側翻碰撞試驗仿真研究59
式中。E石。為臨界側翻時刻動能，E，．為臨界側翻時刻勢能，E置：為接觸地動
能，EP，為接觸地面時刻勢能，J為整車轉動慣量，h．為臨界側翻時刻整車重心距
離地面高度，九為接觸地面時刻整車重心距離地面高度。
設定任一角速度國。的值，將模型導入到LS．DYNA中計算，可以LS．DYNA
中計算出初始動能的值，由于：
1
．
Exo=i1． 02 式(4．9)
Z
，'D 可得：J=TL．E．,K0 式(4．10)
‰‘
將，帶入式(4．8)，可求得，角速度國，=2．52tad／s。
4．4．2邊界及約束條件設置
完成客車有限元建模之后，要根據(jù)仿真要求及實車側翻試驗實際情況，對其
施加約束和邊界條件。
①初始角速度
根據(jù)4．4．1節(jié)對翻轉過程的簡化，求出大客車初始角速度國，=2．52rad／s。用
關鍵詞·INITIAL_-vELOCITY_GENERATION定義，定義有兩張卡片，卡片一給定
初速度值，卡片二給定旋轉中心、旋轉方向，具體定義見圖4．14所示。
‘I N I T I A L—VE LOC I TY—GENERAT l ON
‰旦墼I l 12翌曼墜! fwJ fwl
1 3 8 1 l ·2 5 2 0
【XC] 【VC] [zcl 【似】【Ny】
廠丌可污_了n。廣雨可行■疆彳廠及Tr可而一廠—_1■曠麗一
圖4．14初始條件定義
Fig．4．14 Definition ofthe initial conditions
【vz]
【Nz】
[WATN]
[F，HASEl
②邊界條件及約束的處理
在客車側翻碰撞過程中，幾乎所有的碰撞能量均來自于重力所做的功，因此
必須考慮重力加速度，取其值為9810mm／s2。重力加速度具體定義見圖4．15所示。
用關鍵詞·LOAD_BODY_Z,)及*DEFINE_CURVE_TITLE定義。
臣=霍墅【：] I呈!! 鏊；避蹩墨盈
2l 9 81 O O 0 0 0
??一廣X．．Diree60n
廣Y Direclion
∥Z_Oim刪on
圖4．15重力加速度定義
Fig．4．1 5 Def'mition ofthe gravity acceleration
第四章人客乍側翻碰撞試驗仿真研究
在側翻試驗過程中，當客車輪胎離開翻轉平臺的一瞬間，平臺停止轉動，由
于模擬過程為大客車與地面碰撞的最后階段，而此階段翻轉平臺是固定不動的，
需要約束翻轉平臺的所有自由度，用關鍵詞*BOUNDARY SPC_NODE ID定義。
4．4．3計算及輸出參數(shù)設置
在遞交LS—DYNA求解器進行解算前，還需要進行一系列的計算參數(shù)設置。
①碰撞模擬時間的確定
碰撞試驗中，一般汽車碰撞過程通常在接觸剛性壁后80．120ms內結束。由于
通常情況下轎車的碰撞速度要高于客車側翻碰撞速度，且本文研究的大客車為發(fā)
動機后置式，前部剛度相對較低，平臺對大客車還有一定力的作用，因此，側翻
碰撞結束時間要長一些。參考試驗數(shù)據(jù)，本文整個求解過程時間設置為400ms。
②沙漏控制
本文計算所用的大部分是Belytschko-Tsay殼單元采用的是單點高斯積分求
解，該算法可以極大地節(jié)省數(shù)據(jù)存儲量和運算次數(shù)，但同時也會引起單元的零能
模式，或稱沙漏模態(tài)。如果計算過程中，沙漏能超過模型總體內能的5％，一般認
為仿真結果是不可靠的，因此有必要對沙漏能進行控制。
通過第二章對沙漏模式的分析，可知，控制沙漏通常有五種方法。盡可能使
用均勻的網(wǎng)格劃分，避免單點載荷，這兩種方法在建立有限元模型時已使用；對
shell和solid的某些單元使用全積分方法，這種方法過于耗用計算機機時且很容易
造成另一問題——負體積，本模型網(wǎng)格質量較高，沙漏已較小，因此不采用這種
方法；彈性剛度算法一種是增加系統(tǒng)的彈性剛度，只要增加沙漏系統(tǒng)，就可以達
到增加系統(tǒng)彈性剛度的目的。然而，在大變形問題中，增加沙漏系數(shù)時必須格外
謹慎，因為增加沙漏系數(shù)后將會導致模型的響應過分剛硬，當沙漏系數(shù)超過0．15
時會導致計算失穩(wěn)，此方法多數(shù)用在較低速度的碰撞分析中；因此本文綜合考慮，
采用調整全局模型體積粘性。
粘性阻尼算法是調整模型的體積粘度。調整模型的體積粘度、人工體積粘度
最初用來處理應力波問題，在快速變形過程中，結構內部產(chǎn)生應力波，形成壓力、
密度、質點加速度和能量的跳躍，為增加求解的穩(wěn)定性，加入人工體積粘性，使
應力波的強間斷模糊成在相當狹窄區(qū)域內急劇變化但卻是連續(xù)變化的體積粘度可
以減少沙漏變形的發(fā)生。此沙漏控制方法是針對整個模型的。在LS．DYNA中采用
關鍵字木CONTROL BULK VISCOSITY來控制。
Ql為二次體積粘性系數(shù)，默認為1．5；Q2為線性體積粘性系數(shù)，默認為0．06。
③時間步長與質量縮放
考慮LS．DYNA采用顯式算法進行直接積分，雖然每步計算時間和內存開銷很
小，但求解的穩(wěn)定性是有條件的，所以只有選用較小的時間步長才能保證計算結
第四章大客車側翻碰撞試驗仿真研究6l
構的正確。時間步長的選擇決定了求解效率和中心差分法的穩(wěn)定性。對于本文所
建客車側翻有限元模型，控制實際計算時間步長的是最小殼單元尺寸，當模型的
網(wǎng)格質量不是很好的時候，如有很多小單元存在，此時計算時間將成倍增加。為
了減小計算量，在計算時對時間步長的控制是很有必要的啪1。
通過在第二章對時間積分算法的分析，我們知道單元的彈性模量、密度及泊
松比直接影響到時間步的大小，因此可以通過調整單元以上物理量的方式來調整
時間步長的大小。由于接觸中需要真實的彈性模量，大小不宜作調整，因此實際
當中我們通常通過調整單元密度的方式來增大它的時間步長，稱之為質量縮放。
LS．DYNA由關鍵字*CONTROL 中參數(shù)來人為控制時間．TIMESTEP DT2MS
步長，通過輸入期望的實際計算時間步長，程序會自動增加對應單元的密度。在
LS．DⅥ呵A中，有兩種質量縮放方式啪1：
(1)DT2MS為正的時間步。調整單元密度，使得所有單元都具有指定的時間步
長，質量縮放施加到全部單元上，一般只用于慣性效應不重要時。
(2)DT2MS為負的時間步。質量縮放只用于小于指定時間步長的單元。
本文采用第二種質量縮放方式，質量縮放系數(shù)TSSFAC設為默認0．9，指定時
間步長DT2MS為．2．4e。6s。雖然使用質量縮放可以有效降低求解時間，但某些單元
密度的增加必然導致有限元模型整體質量的額外增加，但卻可以節(jié)省大量的計算
時間，為了保證求解結果的有效性，質量增加百分比應控制在5％以內。
④輸出參數(shù)設置
本文采用LS—DYNA求解器進行仿真計算，需要定義一些控制卡片對計算結果
的輸出進行控制。在LS—DYNA中有很多的這類控制卡片，并不是每個參數(shù)都需要
定義，應根據(jù)實際分析需要進行選擇定義。在大客車側翻碰撞仿真中，本文主要
定義了如表4．2所示的控制卡片：
表4．2主要的ASCII輸出文件
Tab．4．2 The main ASCII output file
DATABASE BNDOUT 輸出邊界力及能量
DATABASE_GLSTAT 輸出整個模型的整體信息
DATABASE——ELOUT 輸出模型中定義的單元集合中所有單元的計算結果
DATABASE_NODFOR 輸出模型中定義的節(jié)點力
DATABASE_NODOUT 輸出節(jié)點的計算結果信息
DATABASE——MATSUM 輸出與材料相關的信息
DATABASE_RCFORC 輸出接觸面的合成力計算結果
DATABASE——RWFORC 輸出所有剛性墻的受力計算結果
62 第四章大客車側翻碰撞試驗仿真研究
在定義這些文件的輸出卡片時，只需定義數(shù)據(jù)輸出的時間間隔，這根據(jù)分析
精度來確定。具體在HyperMesh軟件中定義如圖4．16：
l●●DATABAsE—OPT 1 0N·一C o n t r o co r d·f o r ASC o u t p u t
【ABSTAT】【AVSFLT】IBNDOUT】【DEFGEO】【DEFORC] 【ELOUT】[GOEOUT】[GLS3"AT】廣r1百百f百r廣r百麗^雨廣丁1育f而
【JNTFORCl 廠【MrATS可UM】而i[MO可VIEl T廠廣[MPG--,S】麗百[N麗CFOPqC廣] 廣lNO可DFOR】而i[N玎ODOUT了】【RBDoUT】
lRCFORC】fRWFORC】【SBTOUT】[SECFORC】[SLEOUT] [SPCFORC】lSSSTAT] [SWFORC] r—r-可百百i可廠1—1而_石1麗．???一????????????????????一
圖4．16輸出卡片設置
Fig 4．16 The set ofoutput card
4．5仿真過程及結果分析
利用本文建立的側翻試驗仿真系統(tǒng)，對大客車骨架側翻碰撞模型進行側翻試
驗模擬，400ms的碰撞仿真計算過程需要17小時，同時質量縮放導致模型整體質
量增加不足1．12％，滿足仿真系統(tǒng)關于模型質量增加不超過5％的穩(wěn)定性要求，下
面是對仿真結果的分析。
4．5．1整車結構變形分析
整個碰撞仿真過程時間為400ms。由仿真結果可知，整個骨架側翻過程有兩個
碰撞階段，第一階段為車身頂部邊梁先與地面碰撞，此階段參與變形的區(qū)域較小，
只有頂蓋、前風窗、左右側圍參與變形，而下車體部分變形較小。第二階段為車
身脫離翻轉平臺，整個側面與地面碰撞，此時整個骨架都參與變形。圖4．17是客
車分別在0ms、O．06s、0．15s、0．2s、0．3s、0．4s六個不同時刻的車體變形圖。
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圖4．17不同時刻的車體變形
Fig．4．17 The deformation of the coach body at different time
第四章大客車側翻碰撞試驗仿真研究63
從車體開始接觸地面，碰撞瞬間，巨大的沖擊力使整車開始發(fā)生變形，隨著
碰撞的進行，接著沖擊力通過骨架被傳遞到右側圍，導致右側圍也發(fā)生彎曲變形，
變形主要集中在接觸點臨近區(qū)域。從圖4．17可以看出，碰撞時間持續(xù)到0．2s時，
車體變形逐漸增加變形達到最大，在0．22s時客車底架接觸地面，與地面發(fā)生碰撞。
0．3s以后整車骨架變形迅速回彈，0．4s碰撞基本結束，車體沿著剛性地面滑動。
由于底架剛度比立柱剛度大很多，因此客車底架基本沒有變形只發(fā)生少量彎曲。
頂部結構及車身立柱腰部強度偏弱，尤其是立柱腰部處出現(xiàn)了較大的塑性變形，
導致了客車上部結構侵入量較大。
畔
Stress(vonMlse}，Max)
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StressfvonMises．Max)
Global System
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曛
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Contour Plot LOldc{神1 Time=0 2999'38
Sttess(vonMise#．№_)
Global Syglem
ContourPlot Loadcase 1 Time。0 40亡哪2
Strer，s(vonMtBe}．MaxI
GIobal System
圖4．18不同時刻的應力變形圖
Fig．4．1 8 The deformation stress of the coach body at different time
圖4．18為不同時刻車身結構的應力變形圖，通過對應力分布結果分析，我們
可以看到應力主要發(fā)布在側圍立柱、頂蓋及幾個主要的塑性鉸部位。其中，塑性
鉸主要為側圍與頂蓋上邊梁、側圍和地板橫梁的連接處、風窗立柱與腰梁的連接
處，應力較大。因此在客車設計過程中，要加強對這些部位的剛度強度。
4．5．2立柱變形分析
由于骨架翻轉是一個動態(tài)變化的過程，為能測量乘員的生存空間變化情況。
考慮到底架部分變形很小，所以參考坐標系選在車底架上，圖4．19為建立的局部
坐標。由于生存空間剛性材料且與底架通過部件連接在一起，因此在側翻過程中
第四章大客車側翻碰撞試驗仿真研究
不變形，可作為參考標準。其中測量點選擇在生存空間的最高位置處，統(tǒng)一選取
在距地板骨架為1250ram的高度處，如圖4．20所示為選擇的測量點。
圖4．19定義的局部坐標
Fig．4．1 9 Definition of local coordinate
圖4．20選取測量點
Fig．4．20 Select the measuring points
取變形大的第二根立柱(碰撞側)進行測量，與生存空間的變化距離如圖4．2l
所示，在0．22s附近變形量達到最大，沿所建局部坐標系x負方向變形量達354mm。
即此刻立柱已侵入生存空間量。
圖4．21測量點距離時間歷程
Fig．4．2 1 Time course of distance between the measuring points
第四章大客車側翻碰撞試驗仿真研究65
4．5．3碰撞能量分析
能量的轉化貫穿于大客車側翻整個過程，能量變化清楚表現(xiàn)在車體的碰撞過
程中。從碰撞開始階段，動能迅速下降，車體動能轉化為地面和車體由于摩擦而
產(chǎn)生的接觸能及車體塑性變形能。由于碰撞過程中車體在地面上位移較小，所以
在整個分析過程中，由地面摩擦力所產(chǎn)生的熱能轉化可忽略不計。因此，客車側
翻過程中的能量變化主要為車體動能轉化為車體材料塑性變形能。
能量變化曲線見圖4．22，清楚地反映了在車體的碰撞過程中，碰撞開始是大
客車和剛性地面的接觸、變形由小到大，至最大，而后整個車體與地面接觸，之
后車體迅速回彈，滑動直至停止。這一規(guī)律即揭示了碰撞過程的能量變化特征，
也為識別車體塌陷變形提供了重要的理論依據(jù)。
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SlDE．ROLLING CARSH OF COACH BODY STRUCT
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··-···Hourglass Energy
卜-一l＼
0 0．15 0．2
Time／s
0．25 0．3 0．35 0．4
圖4．22車體結構能量時間歷程曲線
Fig．4．22 Time history curve of the the vehicle structure energy
由于采用單點高斯積分進行求解計算，沙漏現(xiàn)象不可避免。初始總能量最大
值為101070J，沙漏能為737J，由于沙漏能只占系統(tǒng)總能量0．73％，遠小于仿真要
求沙漏能占總能量5％的要求，所以本模型的求解過程是可以接受的，結果是較準
確的。
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第四章大客車側翻碰撞試驗仿真研究
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23總能量與額外功
F．4．23T0al enrgy觚d exwork
圖24能量比率
F．4．24Enrgy raio
的增加是因額外功引起的，總能量與外力做功趨勢基本吻合，如圖4．23
所其中Curve3為總能量與重力做功之差，總能量減去額外功后在仿真過程中
基持不變。圖4．24所示為總能量與初始能量的比率，其比率始終嚴格控制在
正．05以內，能量守恒，滿足仿真要求。綜上分析，此次仿真分析所建立的有
限型，其仿真計算過程是穩(wěn)定、準確、有效的。
第四章大客車側翻碰撞試驗仿真研究67
4．5．4速度響應與碰撞力分析
速度曲線能直觀反應碰撞過程整車的響應狀況。本文在仿真分析中，重點考
察了車身右側圍風窗處第二根立柱和整車質心的速度變化情況，并記錄了相應的
速度曲線(見圖4．25)。參考SAEJ211標準中有關車體速度截止頻率的規(guī)定，以60Hz
的截止頻率對所采樣本進行了高頻濾波處理，以除去碰撞過程中的高頻振蕩部分，
本文通過HyperCrcaph后處理軟件編寫濾波函數(shù)，經(jīng)過濾波后的質心速度曲線(見
圖4．26)。
圖4．25質心速度一時間曲線
Fig．4．25 Curve of eentroid velocity V8 time
圖4．26濾波之后的質心速度一一時間曲線
Fig．4．26 Curve ofeentroid velocity V8 time after filter
68 第四章大客車側翻碰撞試驗仿真研究
通過對質心處速度響應曲線如圖4．26，
速度有一定的增大，到整車脫離翻轉平臺，
速下降到0，并在附近震蕩。
我們可以看到，隨著碰撞的開始質心
與地面接觸發(fā)生碰撞后，質心速度迅
圖4．27風窗立柱變形速度一一時間曲線
Fig．4．27 Curve of windshield pillar deformation velocity VS time
而從風窗立柱的速度響應曲線如圖4．27，我們可以看出，風窗立柱變形速度
要大于質心變化速度，即碰撞觸地瞬間對人體損傷較大。隨著頂部、側圍骨架以
及其他吸能部位與地面接觸、碰撞的開始，風窗立柱變形速度迅速下降，并在0
附近震蕩。
圖4．28碰撞力時間歷程曲線圖
Fig．4．28 CⅧrve of crash force Vs time
第四章大客車側翻碰撞試驗仿真研究69
圖4．28為車身與地面接觸力變化圖。在整個碰撞過程中，存在兩個碰撞力峰
值，第一階段碰撞比第二階段碰撞車身骨架受到的地面碰撞力要大。第一個峰值
出現(xiàn)在項部橫梁及側圍與地面的接觸碰撞階段，吸收了大部分的能量，碰撞力達
4．5x106N。第二個峰值出現(xiàn)在整車脫離翻轉平臺，整車與地面接觸碰撞階段。
4．5．5乘員生存空間評價
分析車身骨架變形的目的，是評價車內乘員的生存空間的好壞。大客車側翻
碰撞安全的最根本目的就是要保證駕駛員與乘員的生存空問。本文采用按照ECE
R66尺寸要求分別建立了駕駛員、乘員的生存空間有限元模型，便于直觀評價車身
側翻結構安全性能。圖4．29-4．31分別為乘員、后排乘員、駕駛員的剩余空間。
圖4．29乘員生存空間
F嚕．4．29 Passengers residual space
圖4．30后排乘員空間
Fig．4．30 Rear passengers residual space
70 第四章人客車側翻碰撞試驗仿真研究
圖4．3l駕駛員生存空間
Fig．4．3 1 Driver residual space
通過對仿真結果分析可知，在0．215s時，第二根風窗立柱和前部腰梁，侵入
生存空間，侵入量達40．606ram，而后排乘員以及駕駛員生存空間均有一定的安全
余量。但ECE R66規(guī)定生存空間內的任何部份都不能突出至變形的車身結構外，
因此判斷該客車結構側翻安全性不滿足法規(guī)要求。
4．6本章小結
本章主要依據(jù)ECE R66法規(guī)，建立大客車側翻試驗平臺。然后對單元選擇、
積分點選取、材料定義、接觸設置等碰撞仿真模型建立過程中的影響因素進行分
析，建立有效的大客車側翻碰撞模型。按照法規(guī)，設置仿真試驗邊界條件及約束，
并設置計算、輸出參數(shù)。
通過對仿真結果能量、能量比率、沙漏能、速度響應及碰撞力等分析發(fā)現(xiàn)，
仿真過程及可靠有效，但是該客車生存空間侵入量40．606ram，不滿足法規(guī)要求，
需要對該大客車進行結構改進。
第五章大客車側翻碰撞安全性研究與模犁改進71
第五章大客車側翻碰撞安全性研究與模型改進
客車側翻碰撞事故中，客車上部結構強度的考核和乘員生存空間的研究是兩
個最重要的研究對象。研究客車側翻安全性的最終目的是保護車內乘員的安全，
所以對乘客生存空間的評價方法的研究便顯得尤為重要。目前，在計算機模擬客
車側翻的評價方法有多種，本文介紹了現(xiàn)有的幾種試驗和仿真評價方法，分析發(fā)
現(xiàn)如何科學、合理、量化評價仿真結果還沒有深入研究。
本章對國內存在的側翻評價方法進行分析，然后引進一種國外對客車數(shù)字仿
真的評價方法，并利用該評價方法量化蒙皮對客車側翻碰撞的影響程度。同時探
討客車側翻車身結構的薄弱部位，加以改進，并對客車改進前后進行等級評價。
5．1側翻試驗評價方法
目前客車傾翻事故中結構對乘客的保護研究主要集中在對其上部結構強度的
考核和乘員生存空間的研究。在客車側翻試驗中，ECE R66法規(guī)對生存空間的確
定和要求都有嚴格規(guī)定。目前，客車的側翻結構碰撞性能評價方法無論是實車傾
翻試驗，還是計算機模擬仿真也圍繞上述兩方面展開。
5．1．1現(xiàn)有試驗評價方法
對側翻試驗中生存空間的檢測，主要有顏料、變形規(guī)、高速攝像儀三種方式。
目前主要采用變形規(guī)測量和高速攝像測量，以及他們相結合的方式。
①顏料測量法
顏料測量法，是最先在側翻試驗中采用的一種方式，現(xiàn)在很少用的一種。是
通過在模擬變形空間的框架上涂顏料，根據(jù)側翻試驗后車身上是否沾染到顏料來
判定，側翻試驗中是否有部件侵入生存空間。這種檢測方式只能從整體上判斷生
存空間是否被侵入，但無法準確地反映生存空間受到入侵程度。
②變形規(guī)測量
根據(jù)生存空間的定義，同時考慮到試驗主要是檢測碰撞側的立柱變形，在制
作變形規(guī)時只模擬碰撞側的生存空間。圖5．1即為目前采用的主流的第三代變形
規(guī)。變形規(guī)的后部是鋼架結構，結構中空以便固定嵌入的泡沫材料，泡沫材料的
邊界根據(jù)生存空間定義的高度、離立柱的距離等確定。生存空間確定后用大約
800mm長的鋼絲測針穿透泡沫設置測量點，一般一個變形規(guī)上會設置34個測點，
測點的鋼絲測針與生存空間的泡沫邊界垂直。試驗時，隨著結構立柱的變形，變
形規(guī)上的鋼絲測針會沿著與泡沫邊界垂直的方向往后縮，當立柱變形最大時其產(chǎn)
生最大的回縮量，通過比較試驗前后鋼絲測針暴露在泡沫外面的長短，從而實現(xiàn)
72 第五章大客下側翻碰撞安全性研究與模型改進
傾翻試驗過程立柱動態(tài)變形的最大值測量，也即實現(xiàn)了乘員生存空間的量化檢測。
同時，還可以根據(jù)鋼絲測針是否完全縮回泡沫判斷乘員生存空間是否被侵入。
在放置變形規(guī)時，一般放置在乘客區(qū)的前后端等認為是客車結構最為薄弱的
地方，變形規(guī)的數(shù)量可以根據(jù)廠家要求或者出口認證時認證機構的工程師的要求
布置。
圖5．1變形規(guī)測量實驗圖
Fig．5．1 Deformation Measurement Experiment Figure Regulation
③高速攝像測量
在車輛外側前后各放置一個高速攝像機，記錄試驗過程中整個車輛結構的變
形情況。同時還可以利用高速攝像的后處理軟件，測量位移、速度和加速度等各
種數(shù)據(jù)，作為結果分析和判定的重要依據(jù)。這些技術資料對廠家以后的車型設計
工作起到重要的參考和依據(jù)作用。
5．1．2現(xiàn)有仿真評價方法
第一種方法，利用生存角評估生存空間。是在客車側翻碰撞計算機仿真中，
將右側圍(試驗中與地面接觸一側)與客車地板平面形成的夾角作為生存空間的
評價指標一一生存空間評估角口如圖5．2所示，夾角變小表明生存空間有被侵入的
趨勢。此評價方法將側圍視為是繞地板與側圍的交點D轉動，側圍各段相對不變
形。在實際試驗和仿真中，側圍各段變形情況通常不一致，一般是車窗處變形量
大于側圍立柱處變形量，而生存空間為梯形和長方形的組合，故生存空間評估角9
的變化難以準確反映生存空間受到入侵的情況。
另一方法是將側圍某點的侵入量作為生存空間的評價指標。由于在側翻試驗
中，側圍各部分變形不一致，測量點在各方向都有位移，生存空間為梯形和長方
形的組合，故只以某一點或幾點的侵入量為指標也難以準確地反映生存空間是否
受到入侵。
第五章大客車側翻碰撞安全性研究與模型改進73
圖5．2生存空間評估角矽圖圖5．3接觸力式生存空間有限元模型
Fig．5．2 Assessment ofresidual space angle 0 Fig．5．3 FEM ofcontact force-type residual space
第三種方法，是生存空間接觸力式仿真評價方法。根據(jù)生存空間位置尺寸，
建立一系列剛性平面和彈性面模擬生存空間。在客車側圍內表面建立3個與立柱、
橫梁共節(jié)點的彈性平面，在側翻過程中隨其一起變形，如圖5．3所示。根據(jù)生存空
間與側圍彈性平面接觸所產(chǎn)生的接觸力判斷出是否侵入生存空間，并可通過觀察
接觸力曲線峰值大小，評價乘員生存空間被侵入的嚴重程度。但這種方法中的接
觸力是生存空間和側圍彈性平面的總接觸力，只能從整體上判斷生存空間被侵入
的程度。
第四種方法是㈣1，生存空間穿透式評價法，本文在乘員生存空間分析即用此
種方法，但本文評價是基于所建立局部坐標系。它根據(jù)生存空間的位置尺寸，建
立剛性平面模擬生存空間，其與地板采用部件連接的方式固連在一起，隨整車側
翻。模型中生存空間的質量及其大小，對整車質量影響很小，對仿真精度的影響
忽略不計。在側翻仿真過程中，生存空間與側圍、地面之間均不設置接觸，若生
存空間被侵入，則生存空間將穿透側圍。采用逆向思維方式，生存空間穿透出側
圍內表面的部分即為生存空間被侵入空間，從而可在仿真中確定生存空間是否被
入侵，且可測量出側圍任何一點侵入生存空間的距離，定量地分析生存空間受入
侵的程度。此種方法，評價生存空間較合理、簡單，但不能反映頂部的變形情況。
5．1．3基于截斷數(shù)字模型各PH的上部結構強度評價方法∞51
目前版本的法規(guī)ECE R66對客車的生存空間沒有一個量化的檢測，對結構的
安全性也沒有一個量化指標的評價。國外文獻，提出了一種基于客車截斷數(shù)字模
型各塑性鉸PH(plastic hinge)的上部結構強度評價方法。本文嘗試引入該評價方
法，評價該客車上部結構強度。
74 第五章大客車側翻碰撞安全性研究與模型改進
圖5．4各塑性鉸處結構夾角圖5．5結構侵入生存空間臨界圖
Fig．5．4 Angles of interest in the bus CROSS section Fig．5．5 Geometry of the failure mode
圖5．4標出了用于評價的整車上部結構各塑性鉸處的結構夾角，其中：
al，n。為側圍與地板的夾角；
口，，n。為腰梁夾角；
n，，n。為側圍與車頂?shù)膴A角。
客車上部結構變形指數(shù)191。與上述角度的變化有關系。對于側翻碰撞，指數(shù)
所。主要由碰撞側的角度變化口。，口：或者％，‰決定，本文以嘶，n：側為碰撞
側。其函數(shù)關系可以定義為：
DI口=f(AnI，△口2) 式(5．1)
Anl、An2在圖5．5結構侵入生存空間臨界圖中定義，其中An：等于口l和n2的
角度變化之和。圖5．5中M，w2定義如下：
wl=，·tan(Anl) 式(5．2)
W2=(JIl—f)．tan(An2) 式(5．3)
設：d="14，1+W2=，·tan(△口1)+(^-I)·tan(An2) 式(5．4)
對式(5．4)右邊等式兩邊同時除以d，得到：
了1．缸櫛(△口1)+墮蘭．ta刀(△口2)：l 式(5．5)
口“
因此，定義客車上部結構變形指數(shù)為
所口：喜．ta刀(△口1)+墮導．ta刀(△口2) 式(5．6)
第五章大客車側翻碰撞安全性研究與模型改進75
由wl=150，W2=250己知
d=150+250=400mm 式(5．7)
將式(5．7)代人上(5．6)式，得到： 優(yōu)。=去·tan(AaI)+百(1250-／)·tan(Aa2) 式(5．8)
從式(5．5)知道，餅。=l時，結構處于生存空間的臨界點；當優(yōu)。>1時，乘
員生存空間被結構侵入，結構不滿足要求；當所。、I
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圖5．15改進前后側圍與地板骨架夾角al時間歷程圖
Fig．5．15 Time coursc view ofal contrast between before and after improvement
由圖5．15可知側圍與地板骨架夾角由初始時刻的87．00220，變化最大時刻的
75．35350，變化角度Act，為11．6480，比改進前的18．2620減少6．6140。曲線也明顯
反映側圍與地板夾角變化趨勢，改進后側圍變形較小。
第五章大客車側翻碰撞安全性研究與模型改進81
有了Aa。和△口：，則可計算出改進后該大客車的％值為O．65，依據(jù)客車上部
結構強度星級評價表0．6<0．65=DIu<0．8，星級評價結果為★★★，所以改進后
該客車上部結構強度較好，改進措施有效。
5．4本章小結
本章，首先對國內存在的側翻試驗評價方法進行分析，然后借鑒一種國外對
客車數(shù)字仿真的評價方法，并利用該評價方法量化蒙皮對客車側翻碰撞的影響。
同時探討客車側翻車身結構的薄弱部位，加以改進，并對客車改進前后進行等級
評價。得到結論如下：
①蒙皮在側翻碰撞過程中，對車身結構加強作用十分有限，可使生存空間侵
入量減少2．76mm，吸收4．1％的能量。在大客車側翻碰撞仿真試驗中，權衡效率與
精度，來決定是否考慮蒙皮作用。
②通過對側翻過程進行分析，確定簡單改進措施，仿真結果表明改進措施有
效，乘員有89．645mm的剩余生存空間。改進后的鞏值由改進前的1．03減少到
O．65，星級評價結果為★★★，所以改進后該客車結構強度較好，滿足法規(guī)要求。
以上的方法和手段為今后客車上部結構強度和生存空間的分析的等級評價提
供了參考，有一定的借鑒意義。
第六章結論與展望
第六章結論與展望
6．1結論
本文以某大型客車為研究對象，對客車側翻安全性有限元仿真方法與車身結
構側翻安全性及評價方法展開研究。研究大客車建模方法與大客車側翻碰撞試驗
過程，利用計算機仿真模擬大客車的側翻碰撞試驗，研究側翻碰撞的車體結構響
應、能量、速度、碰撞力等，并分析蒙皮在側翻碰撞中的影響程度。分析研究客
車車身的側翻碰撞結構安全性，并針對薄弱部位從侵入量及車體變形進行相應的
結構改進，并借鑒國外客車上部結構強度的評價方法，分析評價改進效果。
本文主要結論如下：
①從模型簡化、網(wǎng)格劃分及質量控制標準三方面，提出基于側翻碰撞性能研
究的大客車車身建模方法，經(jīng)對模型工況、模態(tài)計算結果及側翻仿真結果分析，
該方法是具有較高的精度是有效可靠的。
②針對整個側翻碰撞試驗過程較長、模型過大、計算時間過長，提出一種基
于能量守恒的側翻仿真試驗簡化方法，在本文研究中表明，可以縮短計算時間提
高仿真效率。
③該大客車頂部結構及車身立柱腰部強度偏弱，尤其是立柱腰部處出現(xiàn)了較
大的塑性變形，導致了客車上部結構侵入量較大，第二根風窗立柱侵入量達
40．606mm，該客車不滿足ECE R66法規(guī)要求。這些薄弱部位，是該大客車車身結
構安全設計需要重點改進的部位。
④對比分析客車張拉蒙皮在側翻仿真試驗中的影響程度。蒙皮吸能占吸收總
能量4．1％，可使侵入量減少2．816mm，蒙皮對側翻結構有一定的加強作用。加蒙
皮模型計算時間增加19％，以后的側翻碰撞試驗仿真，要權衡效率與仿真實際需
求，來決定是否考慮蒙皮作用。
⑤本文就大客車模型頂蓋、側圍、腰梁、斜撐等薄弱部位，提出對這些部位
的材料和厚度進行改進，經(jīng)仿真分析，結果表明：改進后距生存空間還有89．645mm
的剩余生存空間，改進效果明顯，達到側翻安全性法規(guī)要求。
⑥鑒于目前法規(guī)對客車的結構安全性還沒有一個量化指標的評價。本文，借
鑒一種國外客車上部結構強度的評價方法，嘗試對改進前后模型進行星級評價，
評價結果表明該評價方法有效可行。
第六章結論與展望83
6．2展望
本文在研究過程中，雖然取得了一定的成果，但總體來說還有許多方面需要
做進一步的研究，本文下一步將主要對以下幾個方面進行重點研究：
①本文在對客車側翻碰撞的模擬中，應將假人以及客車中必備的約束系統(tǒng)加
入模型當中，分析客車的安全性，更加直觀地得到乘員的損傷值，將是下一步研
究的重點。
②在客車車身結構的改進設計中，沒有考慮整車的結構優(yōu)化，僅僅對薄弱部
件更換材料，對梁結構壁厚的也改進僅僅作了簡單的總體增厚和減薄處理，若能
進行進一步的優(yōu)化研究，在車身結構的改進設計中考慮變截面的梁結構，就能更
好的考慮到客車輕量化和優(yōu)化方面的問題。
③適當擴大模擬仿真客車種類及數(shù)量。通過對多種車型進行仿真分析，尋求
側翻碰撞的車身變形規(guī)律與具有高可靠性和說服力的結論，以此指導產(chǎn)品開發(fā)和
設計。
④由于條件所限，本文的研究完全基于計算機仿真，雖然計算機仿真可以達
到較高的精度，但是最終還需要實車試驗的檢驗。
致謝
致謝
本文是在導師邵毅明教授的精心指導下完成的，邵老師開闊的學術視野、嚴
謹?shù)闹螌W態(tài)度、勤于進取的精神、寬厚待人的學者風范、忘我奉獻的工作作風，
這些深深地影響著我，激勵著我!在導師的諄諄教誨下，本人在治學態(tài)度、科研
能力等方面有了很大的進步。在此，我首先向邵老師表示衷心地感謝，感謝他近
三年來對我的培養(yǎng)、教育、關心和支持!
論文工作過程中，得到了交通運輸部公路科學研究所汽車運輸技術研究中心
李強助理研究員，重慶車輛檢測研究院王欣副研究員以及顏長征、覃禎員等工程
師，重慶大學吳勝利博士等給予的無私幫助與指導，在此向他們表示由衷的感謝!
同時，感謝各位同學，同門在論文寫作中給我的指導和幫助。向所有在我論
文撰寫過程中，關心和提供幫助的老師和同學表示最真摯的謝意。
感謝家人多年來的默默支持和關懷，正是他們在精神上的鼓勵和物質上的支
持，使作者順利完成研究生階段的學習，沒有他們的關愛和付出就沒有我的今天。
在此，由衷的說一聲：謝謝!
在此學業(yè)完成之際，向邵老師表示最衷心的感謝，并致以最崇高的敬意!向
所有關心和幫助過我的老師、同學和朋友表示由衷的感謝!同時也向參與本文評
閱和答辯工作的各位專家表示深深的謝意!
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88 在學期間發(fā)表的論著及取得的科研成果
在學期間發(fā)表的論著及取得的科研成果
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二、在校期間參與的科研項目
【1】重慶市科技攻關計劃項目《路面快速修補養(yǎng)護車研究與開發(fā)》，參與穩(wěn)定性分析設計與研
究報告撰寫；
【2】重慶市自然科學基金計劃項目‘高速公路車輛安全行駛速度智能化動態(tài)控制技術基礎研
究》，參與交通運行系統(tǒng)建模方法與理論研究；
【3】重慶市交通委員會重點科技計劃項目‘重慶市營運車船能源消耗及環(huán)境影響評價與管理對
策研究》，參與研究報告節(jié)能駕駛技術部分撰寫；
【4】重慶市自然科學基金計劃項目‘城市道路交通信息檢測技術基礎研究》，參與資料搜集整
理與相關調研工作。
大客車車身結構側翻試驗仿真與安全研究
作者： 查官飛
學位授予單位： 重慶交通大學
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本文鏈接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Thesis_Y1901977.aspx

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