客车侧翻碰撞的有限元分析

2013-06-21 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线

本文在客车侧翻试验的基础上,研究了客车侧翻碰撞的加速度评价指标。从最大加速度、平均加速度和加速度均方根三个方面对客车侧翻碰撞加速度进行了评价。这三个加速度指标可以作为评价客车侧翻碰撞安全性改进效果的依据。

一、前言

随着我国公路高速客车市场的蓬勃兴起,客车安全性日益受到人们的关注,客车被动安全性能研究逐渐成为一个热点,国外已经做了大量的研究工作。由于我国的标准GB/T17578-1998《客车上部结构强度的规定》尚没有强制执行,同时由于客车实车碰撞试验成本高、工作量大等原因,国内客车生产厂家一直没有开展客车侧翻试验的研究。

我国的标准GB/T17578-1998以及欧洲的ECE R-66中都只对侧翻碰撞中客车车身变形,即生存空间指标作了要求,[1][2]这些指标能够说明客车车身结构的强度性能,但不能完全反映客车侧翻碰撞的安全性能。因此,本文在依照GB/T17578-1998进行客车实车侧翻试验的基础上,对客车侧翻碰撞的加速度评价进行了研究。

二、客车侧翻试验

为检验某大型客车上部结构强度、研究客车侧翻碰撞安全性能,我们进行了一次实车侧翻试验。客车侧翻试验按照GB/T17578-1998的要求进行。将试验客车放置在离地高80cm的水平可翻转试验平台上,采取措施防止客车纵向滑移和车轮的侧向滑移并确保客车各轴的同步侧倾,将试验台一端顶起,使得客车在没有摇晃和不受其他外力影响的情况下侧倾直至翻倒,侧倾角速度不应超过50°/S(0.087rad/s)。标准中规定,试验时及试验后,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至变形的车身结构外。

图1 客车侧翻试验

如图1所示,客车侧翻与地面发生碰撞后前后挡风玻璃破碎,左右围两侧玻璃完好,车身任何部分的位移都未侵入生存空间,同时生存空间内的任何部分都未突出至变形的车身结构外,达到GB/T17578-1998的要求。

三、客车侧翻碰撞过程中的加速度

客车侧翻碰撞过程是客车的动势能在与水泥地面发生碰撞中转化为其他形式能量的过程。客车侧翻碰撞时间极短,客车与水泥地面的摩擦力与碰撞力相比要小得多,摩擦消耗的能量可以忽略,因此可以认为客车碰撞前的总能量几乎全部被客车车身的变形所吸收。

图2碰撞瞬间重心位置示意图

因此有:

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    m-客车的空载质量;
    g-重力加速度;
    △h-重心竖直位移量
    F-客车碰撞过程中所受的载荷;
    s-在F力作用下车身的变形;
    T-从开始碰撞到碰撞结束的时间;
    a(t)-碰撞过程中的质心加速度;
    v(t)-碰撞过程中的质心速度;

从公式中可以看出,客车车身吸收的总能量E*为定值,其吸收能量的过程与质心加速度、速度和碰撞时间有关,质心的速度又是由质心加速度和时间决定的,客车的侧翻碰撞吸能过程可以通过质心加速度和碰撞时间反映出来。因此,可以用客车侧翻碰撞过程中质心加速度的相关指标来评价碰撞安全性。

四、客车侧翻碰撞的加速度评价

4.1 加速度评价指标

客车侧翻碰撞的加速度可以从最大加速度αmax、平均加速度和加速度均方根三个方面来对碰撞安全性进行较为全面的评价。[3]

(1)客车在侧翻碰撞过程中所受到的最大冲击载荷可以通过碰撞过程中的最大加速度αmax表征出来。最大加速度越大,客车车身以及带给乘客的最大冲击载荷就越大,碰撞安全性能越差。
(2)客车侧翻碰撞过程中的平均加速度定义为

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由式可知,平均加速度与整个碰撞时间成反比,碰撞持续时间越短,质心的平均加速度值越高 ,车身的平均冲击载荷以及带给乘客的冲击载荷就越大,碰撞安全性能越差。

(3)客车侧翻碰撞过程中的加速度均方根定义为

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客车侧翻碰撞过程中的加速度均方根表征了碰撞过程中质心加速度α(t)与平均加速度的偏差程度,值越大,说明质心加速度α(t)变化幅度越大,碰撞安全性能越差。

4.2 加速度评价

图3 质心加速度时间历程曲线

图3为本次客车侧翻试验中采集的客车质心加速度数据时间历程曲线。根据质心加速度数据可知,本次客车侧翻碰撞时间约为200ms。按照4.1的评价指标计算可得最大加速度αmax=6.13g,平均加速度,加速度均方根。

可以看出,计算得到的加速度评价指标值相对于国内外公布的汽车碰撞试验数据结果较低。由于客车侧翻碰撞方面的公开文献较少,因此没有与其他客车侧翻碰撞过程比较和参考的依据,但可以利用这三个加速度评价指标对同一车型的侧翻碰撞安全性的改进效果进行比较,指标值越低,侧翻碰撞安全性越好。

五、结束语

(1)客车侧翻碰撞中的质心平均加速度、最大加速度和加速度均方根三个加速度评价指标能够反映出客车的侧翻碰撞安全性,可以作为同一车型侧翻碰撞安全性改进效果的比较指标。
(2)由于国内客车侧翻碰撞的试验研究才刚刚起步,本文只对个例进行了碰撞加速度分析,没有具体的标准值可以参照。因此,还需要通过大量的试验来积累数据,制定出能够满足乘客安全需要的加速度指标值来评价客车的侧翻碰撞安全性能。

[参考文献]

    [1] GB/T 17578-1998 客车上部结构强度的规定[S]
    [2] ECE R 66,E/ECE/324 Rev.1/Add.65 Uniform Provisions Concerning The Approval of Large Passenger Vehicles with Regard to The Strength of Their Superstructure[S]
    [3] 葛如海,刘星荣。汽车车身对壁正面碰撞安全性评价指标的研究[J]。江苏理工大学学报:2001,22(4) 29-31
    [4] 朱西产。实车碰撞试验方法和评价指标[J]。世界汽车:1998,5 11-13

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