大客车正面碰撞结构耐撞性分析与改进

大客车正面碰撞结构耐撞性分析与改进

黎勇;吴长风;蓝平辉;叶松奎;那景新

【摘 要】以某12m全承载式客车为研究对象,进行正面碰撞下的结构耐撞性分析.

针对驾驶员及上层前排乘客生存空间侵入严重的情况,在前端增加吸能盒,并采用正

交试验设计的方法对其进行改进.结果表明,驾驶员及上层乘客的生存空间均得到保

证,两处的碰撞加速度值分别降低18％和61％.

【期刊名称】《客车技术与研究》

【年(卷),期】2017(039)001

【总页数】4页(P10-13)

【关键词】全承载式客车;正面碰撞;生存空间;正交设计;结构改进

【作 者】黎勇;吴长风;蓝平辉;叶松奎;那景新

【作者单位】厦门理工学院机械与汽车工程学院,福建厦门361024;厦门金龙联合

汽车工业有限公司,福建厦门361023;厦门金龙联合汽车工业有限公司,福建厦门

361023;吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室,长春130022;厦门金龙联合汽

车工业有限公司,福建厦门361023;厦门金龙联合汽车工业有限公司,福建厦门

361023;吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室,长春130022

【正文语种】中 文

【中图分类】U461.91

据相关数据统计，我国客车肇事发生的交通事故占整个道路交通事故的40%～

50%，其中客车发生正面碰撞的事故占整个客车事故的50%～60%[1-2]。目前国

内汽车正面碰撞法规仅适用M1类汽车，对客车车身结构安全性的要求也局限在

上部结构强度方面[3]。因此开展对大客车正面碰撞研究，对加快客车碰撞试验方

法的制定有着重要的意义。

国内已有学者对客车结构耐撞性方面做了深入的研究[4-6]，但在一层半客车正面

碰撞方面的研究较为缺乏。本文以某款12 m一层半大客车为对象，研究了客车在

30 km/h碰撞速度下的整车变形结果，对上层前排乘客生存空间无法得到保障的

问题提出改进方案，为以后客车车体安全性设计提供参考。

1.1 有限元模型的建立

为保证仿真分析的准确性并缩短计算时间，对模型进行合理的简化处理。遵循

CAE分析简化原则[7]，采用有限元软件Hypermesh对该客车进行建模。

客车车身骨架采用Q235材料，车架采用Q345材料[8]，相关属性可由相关资料

查得。客车模型整备质量为14.2 t，与该车实车相当。最终得到的有限元模型壳单

元总数为1 853 623个，节点数1 860 553个，三角单元16 621个，如图1所

示。依据客车正面碰撞试验方法研究[9]，在驾驶员及上层前排座椅处，采用符合

中国成年人尺寸的泡沫假人[10]，用以测量人体空间的侵入量，如图2所示（L1

为驾驶员生存空间和上层乘客生存空间，主要测量方向盘盘幅与驾驶员的X方向

距离、前围与上层乘客的X方向距离；L2为测量方向盘盘幅与驾驶员的Z方向距

离；L3为驾驶员腿部与方向盘转向柱最小距离）。

1.2 模型的有效性验证

CAE分析和整车试验得到的整车变形对比如图3所示。大客车前部变形很大，特

别是在前轴之前，使得驾驶员及上层前排乘客的生存空间变形严重，几乎没有生存

的可能，但顶盖和中门基本上没有变形，后排乘客可以从顶部的安全出口或中门逃

生。

试验前在上层前围立柱处安装了加速度传感器采集加速度曲线。图4为其加速度

曲线对比，以前围接触刚性墙为0时刻，仿真分析的最大加速度值较试验采集数

据大11.4%。

表1是对生存空间的仿真与试验的数据对比分析。由于仿真分析中忽略了玻璃、

蒙皮等因素的影响，仿真值稍微偏小，误差控制在10%～15%之间，加速度波形

变化趋势基本一致，峰值的变化误差相对较小。故可认为仿真模型是有效的，可进

行后续相关的整车改进分析。

2.1 改进方案

该车正面碰撞后存在的问题主要有：驾驶区变形严重，转向盘随着前围的挤压而向

后移动，驾驶员的生存空间变得很小；上层地板纵向骨架弯折变形，不能有效传递

碰撞力；客车为全承载式车身，客车前部骨架刚度较弱；缺乏合理有效的传力途径

和吸能结构。为了改善客车前部变形情况，改善驾驶员及乘客的生存空间，对客车

底架和上层地板骨架提出如下改进方案：

1）底架前部结构改进。在客车前部底架的格栅结构中增加斜撑和纵梁，同时设计

菱形结构梁以增加其抗变形能力，如图5（图中圆圈标记为增加结构）所示。

2）前排上层地板结构改进。在上层底板处增加传力方钢和斜撑，如图6（图中圆

圈标记为增加结构）所示。

3）底盘前端设计吸能结构。在客车前围骨架与底盘骨架前端空隙之间设计2个吸

能盒，如图7所示。

4）在上层前端设计吸能结构。在上层前排地板悬架横梁与前围之间设计3个吸能

盒，如图8所示。

2.2 吸能盒结构的正交试验设计

正交试验设计（Orthogonal Experimental Design）是研究多因素、多水平的一

种试验设计方法，它是根据正交性从全面试验中挑选出部分有代表性的方案进行试

验，这些有代表性的方案具备了“均匀分散，齐整可比”的特点。经过研究表明，

薄壁结构的吸能性与厚度、截面尺寸、材料等参数有关[11-13]。以吸能盒的厚度、

宽度、高度、开口位置（距离前端自由端的距离L）4个参数作为因子研究上下两

层吸能盒结构的吸能特性，如图9所示，每个因子各有3个水平。目前承载式车

身大客车吸能结构厚度一般为1.0～5.0 mm。具体见表2。

文中采用的是L9（34）的正交表，正交表及仿真结果如表3所示。其中A、E分

别为上下层吸能盒厚度，B、F分别为上下层吸能盒宽度，C、G分别为上下层吸

能盒高度，D、H分别为上下层吸能盒开口位置。

暂时不考虑开孔位置因子的显著性水平，把上层第四列作为误差项，得出方差分析

表4。对于显著性水平α=0.10、0.05和0.01，查表得到临界值分别为：F0.9（2，

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

不考虑吸能盒的宽度和高度因子的显著性水平，把上层第三、第四列作为误差项，

得出方差分析表5。对于显著性水平α=0.10、0.05和0.01，查表得到临界值分别

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

因子A显著。下层吸能盒分析类似。

由主效应分析得到各个因素水平的主效应见图10。从中可以看出，厚度因子对吸

能盒吸能效果影响最大，其它因子影响较小。综上所述，上层吸能盒最优组合为

A3B3C2D1，下层吸能盒最优组合为E3F3G2H1。

2.3改进后结果分析

2.3.1 生存空间分析

改进后驾驶员和上层乘客的生存空间情况见表6，与表1对比可以看到两者的生存

空间均得到了足够的保证，大大降低了乘员损伤的风险。

2.3.2 加速度对比分析

加速度的变化是衡量车体的碰撞吸能性能好坏的重要指标[14-15]。改进前后的碰

撞加速度变化对比如图11-图13所示。

从图11-图13可以得出：

1）改进后整车碰撞质心加速度虽然在40 ms处有一个峰值，这是由于上层吸能盒

与刚性壁接触时的冲击造成的；而曲线后期峰值明显降低，说明改进后整车的结构

更加合理，具有更好的缓冲吸能能力。

2）驾驶员座椅处的碰撞加速度峰值由改进前的50.2 g降为改进后的41.1 g。

3）上层前排右侧座椅处加速度由改进前的17.9 g降为改进后的17.8 g，虽然变

化不大，但加速度峰值出现时刻延后，峰值过后加速度平稳下降。

4）上层前排左侧座椅处加速度由改进前的47.7 g降为改进后的18.4 g，加速度

峰值变化明显，且改进后的加速度变化平缓。

1）从仿真分析结果可以看出，30 km/h碰撞速度下该大客车耐撞性较差，驾驶舱

内生存空间很小，上层前排乘客生存空间受到挤压，容易造成乘员伤亡。

2）改进后的大客车的前部变形、驾驶员及上排乘客生存空间和典型测点的加速度

都有所降低，说明改进后车身结构的缓冲吸能能力加强，提高了整车的耐撞性能，

降低了乘员的损伤风险，对大客车车身结构耐撞性设计及后续相关的研究具有参考

价值。

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