桂林市道路运输管理处广西桂林541001
摘要：国内某量产全承载客车正面碰撞的安全性研究及其改进设计。利用有限元法和多体动力学方法建立了客车的仿真模型与驾驶员约束系统的仿真模型，并模拟客车在50km/h速度发生的正面碰撞情形。然后在客车前端增加能量吸收结构，模拟结果表明客车在50km/h正面碰撞的安全性在结构改进后得到明显提高，驾驶员的损伤参数值都在《乘用车正面碰撞乘员保护》（GB11551-2003）法规参考值范围内。因此，客车前端增加吸能结构以提高客车正面碰撞的安全性在理论上是可行的。
关键词：汽车安全；全承载式客车；正面碰撞；结构改进
前言：近年来，随着公路建设和道路运输的快速发展，与营运客车相关的严重交通事故频频发生。据统计，在我国，客车交通事故占整个道路交通事故的40%~50%，且客车交通事故中50%~60%为客车正面碰撞事故。由于客车的质量和体积较大，在正面碰撞时会产生很大的能量，而大多数客车都是平头结构，当车辆发生碰撞时，车辆的前端空间小，容易造成驾驶员的生存空间被侵占，导致司机被挤压造成死亡。全承载客车缺乏大梁式车架，当发生碰撞时，前部变形更为严重，驾驶员伤亡风险也较大。因此，客车正面碰撞安全性的研究与客车正面碰撞试验方法的建立都具有重要意义。
1客车正面碰撞仿真模型建立与吸能结构试验验证
1.1客车正面碰撞有限元模型的建立
利用Hypermesh/LS-DYNA软件模块建立正面碰撞有限元模型。客车整车骨架、蒙皮、玻璃、轮胎等零部件由壳单元构成。建模过程主要遵循简化CAE分析的原则。采用非线性显式有限元软件LS-DYNA对客车进行正面碰撞仿真分析。客车模型如图1所示。客车模型的总质量是8.227t，这相当于真实车辆质量。钢骨架的弹性模量E=210GPa，Poision（泊松）比ν=0.3，密度ρ=7.85kg•dm-3，屈服极限如表1所示。
图1客车正面碰撞有限元模型
1.2客车驾驶员约束系统
多刚体模型基于Madymo软件，结合客车驾驶区建立客车驾驶员约束系统。整个模型包括车身、座椅、假人和安全带，如图2所示。
图2客车驾驶员约束系统多刚体模型
在有限元正面碰撞仿真中，通过转向盘中心位置的位移来输入转向系统等车身部件的侵入。用HybridIII型第50百分位男性假人的刚性模型模拟司机在发生正面碰撞时，司机在Z重力方向和X方向受到的碰撞加速度，通过有限元建立碰撞模型并模拟。为获得座椅底部的车身加速度输入，需建立一维多刚体模型、二维有限元模型和耦合座椅安全带模型，并通过预模拟来确定座椅安全带在假人上的具体位置。同时，还需要进行了安全带的延伸率试验，延伸率为10%。
1.3吸能结构试验验证
为了验证有限元模型的有效性，需要对台车进行试验。客车吸能结构是一个横截面尺寸为160mm×160mm的矩形管，材质为Q235，长度400mm，厚度为2mm。所述能量吸收结构焊接在小车的前端。模拟小车质量为600kg，碰撞的初始速度25km/h，台车有限元模型建立如图3所示。
图3台车有限元模型
该测试台车的总质量是604kg（与仿真模型基本一致），碰撞的初始速度为25km/h（符合仿真模型）。在实验和模拟中，能量吸收结构的最终变形如图4所示。在实验中，能量吸收结构具有规则的褶皱变形，变形长度是267mm。在模拟中，能量吸收结构的变形长度是252mm。两者误差仅为5.6%。结果表明，在模拟和实验中，能量吸收结构的变形情况基本一致。
图4台车试验前后和仿真中吸能结构变形
从试验和模拟得到的台车加速度曲线如图5所示。如图5所示，峰值加速度、峰值时间和测试和仿真的变化趋势基本相同。因此，可以认为该模型是有效的，可以用于后续的研究。
图5台车试验和仿真加速度曲线
2客车正面碰撞仿真分析
2.1整车正面碰撞有限元仿真
客车正面碰撞仿真是在50km/h速度进行的，而计算时间120ms，碰撞后客车的结构变形，驾驶员侧X加速度aX（加速度传感器较小，设置在驾驶员座椅底部）曲线如图6所示。从图6可以看出，在50km/h下正面碰撞，客车的正面和驱动区域都产生了非常严重的变形，方向盘的方向移动，驾驶区地板骨架挤压变形也很严重，司机已基本没有生存空间，aX的峰值高达217.8g。
图650km/h正面碰撞前部变形及X向加速度
2.2驾驶员约束系统多刚体仿真
利用多刚体模型的驾驶员约束系统的加速度和获得在50km/h正面碰撞有限元仿真输入位移曲线的数据，对客车约束系统进行碰撞仿真模拟。如图7所示，仿真动画如表2所示，其中HIC36为假人头部伤害值，Cth是假人胸部压缩值，Fth是假人大腿损伤值。
图750km/h正面碰撞仿真动画
从表2中，我们可以看到，50km/h下驾驶员侧假人的损伤值都超出了规定的参考值，并不能满足安全要求。因此，本文对客车结构进行改进。
表2两种车速正面碰撞假人损伤参数对比
3客车正面碰撞安全性改进
3.1正面碰撞结构改进
为了改变车辆变形模式和控制车辆变形大小，客车驾驶员区域的骨架应改进如下：（1）在客车前部车架框架的网格结构中增加了一些纵向梁和斜梁。冲击力可以更好地传递到后区域，提高弯曲强度，减小驱动区域骨架的载荷并控制变形。（2）在底板的框架中，设计了菱形结构梁以增强其抗变形能力。同时，将力传递路径设计成将冲击力传递到客车的后部。此外，还增加了4个斜撑，以提高零件的抗弯性能。（3）对总线的前端底盘骨架材料由高强度钢qste700改为510L，使前端吸能结构和底盘框架之间的结构刚度可以慢慢过渡，碰撞是由前端吸波结构材料和后端驱动地区较高的底盘骨架材料刚度低造成的。（4）在客车底盘车架前端与前围间隙设计了7个截面形状的截面能量吸收钢管，并采用能量吸收结构对吸能钢管进行了现场验证。1号和2号能量吸收结构布置在下面，其余部分布置在上面。根据驾驶员侧X方向的加速度AX曲线，调整各钢管的长度。AX曲线的输出是缓慢的，峰值是低的。在碰撞过程中加速度的平均值约为40g，由曲线显示可知降低加速度能减少人员的伤亡。
3.2整车结构的改进效果
采用上述改进措施后，模拟客车在50km/h的正面碰撞，能量吸收结构变形情况如图8所示。结果表明，该吸能结构具有良好的塌陷变形和良好的吸能性能。通过吸能结构吸收的能量是329.1kj，占总能量42.2%。整车结构改进后客车前部变形和驾驶员侧X向加速度ax在结构改进前后对比如图9所示。
图8吸能结构变形图
从图9可以看出，车的前部有一点变形，但司机的生活空间基本上是完美的，50km/h正面碰撞下，驾驶员侧向加速度由之前217.8g降低到81.1g，下降率为62.8%。碰撞过程中，方向盘的最大入侵是25mm，前后地板骨架入侵驾驶座的最大值为31mm，司机的生存空间入侵的最大值为44mm，而aX也有很大的改善。结果表明，改进后客车的耐撞性有了明显的提高。
图9改进后客车前部变形及改进前后驾驶员侧X向加速度曲线aX
结束语：
本文的研究结果表明，改进设计后客车在50km/h正面碰撞的耐撞性和驾驶员安全性均有了较大提高，驾驶员损伤参数值均在法规参考值范围内。由此可知，客车前端增加吸能结构以提高客车正面碰撞的安全性是可行的。
参考文献：
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