客車側(cè)翻碰撞的有限元分析

2013-06-21 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

本文在客車側(cè)翻試驗的基礎(chǔ)上,研究了客車側(cè)翻碰撞的加速度評價指標(biāo)。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(cè)翻碰撞加速度進(jìn)行了評價。這三個加速度指標(biāo)可以作為評價客車側(cè)翻碰撞安全性改進(jìn)效果的依據(jù)。

一、前言

隨著我國公路高速客車市場的蓬勃興起,客車安全性日益受到人們的關(guān)注,客車被動安全性能研究逐漸成為一個熱點,國外已經(jīng)做了大量的研究工作。由于我國的標(biāo)準(zhǔn)GB/T17578-1998《客車上部結(jié)構(gòu)強度的規(guī)定》尚沒有強制執(zhí)行,同時由于客車實車碰撞試驗成本高、工作量大等原因,國內(nèi)客車生產(chǎn)廠家一直沒有開展客車側(cè)翻試驗的研究。

我國的標(biāo)準(zhǔn)GB/T17578-1998以及歐洲的ECE R-66中都只對側(cè)翻碰撞中客車車身變形,即生存空間指標(biāo)作了要求,[1][2]這些指標(biāo)能夠說明客車車身結(jié)構(gòu)的強度性能,但不能完全反映客車側(cè)翻碰撞的安全性能。因此,本文在依照GB/T17578-1998進(jìn)行客車實車側(cè)翻試驗的基礎(chǔ)上,對客車側(cè)翻碰撞的加速度評價進(jìn)行了研究。

二、客車側(cè)翻試驗

為檢驗?zāi)炒笮涂蛙嚿喜拷Y(jié)構(gòu)強度、研究客車側(cè)翻碰撞安全性能,我們進(jìn)行了一次實車側(cè)翻試驗?？蛙噦?cè)翻試驗按照GB/T17578-1998的要求進(jìn)行。將試驗客車放置在離地高80cm的水平可翻轉(zhuǎn)試驗平臺上,采取措施防止客車縱向滑移和車輪的側(cè)向滑移并確?？蛙嚫鬏S的同步側(cè)傾,將試驗臺一端頂起,使得客車在沒有搖晃和不受其他外力影響的情況下側(cè)傾直至翻倒,側(cè)傾角速度不應(yīng)超過50°/S(0.087rad/s)。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定,試驗時及試驗后,車身任何部分的位移都不允許侵入生存空間;生存空間內(nèi)的任何部分都不能突出至變形的車身結(jié)構(gòu)外。

圖1 客車側(cè)翻試驗

如圖1所示,客車側(cè)翻與地面發(fā)生碰撞后前后擋風(fēng)玻璃破碎,左右圍兩側(cè)玻璃完好,車身任何部分的位移都未侵入生存空間,同時生存空間內(nèi)的任何部分都未突出至變形的車身結(jié)構(gòu)外,達(dá)到GB/T17578-1998的要求。

三、客車側(cè)翻碰撞過程中的加速度

客車側(cè)翻碰撞過程是客車的動勢能在與水泥地面發(fā)生碰撞中轉(zhuǎn)化為其他形式能量的過程?？蛙噦?cè)翻碰撞時間極短,客車與水泥地面的摩擦力與碰撞力相比要小得多,摩擦消耗的能量可以忽略,因此可以認(rèn)為客車碰撞前的總能量幾乎全部被客車車身的變形所吸收。

圖2碰撞瞬間重心位置示意圖

因此有:

客車側(cè)翻碰撞的有限元分析ansys圖片圖片3

    m-客車的空載質(zhì)量;
    g-重力加速度;
    △h-重心豎直位移量
    F-客車碰撞過程中所受的載荷;
    s-在F力作用下車身的變形;
    T-從開始碰撞到碰撞結(jié)束的時間;
    a(t)-碰撞過程中的質(zhì)心加速度;
    v(t)-碰撞過程中的質(zhì)心速度;

從公式中可以看出,客車車身吸收的總能量E*為定值,其吸收能量的過程與質(zhì)心加速度、速度和碰撞時間有關(guān),質(zhì)心的速度又是由質(zhì)心加速度和時間決定的,客車的側(cè)翻碰撞吸能過程可以通過質(zhì)心加速度和碰撞時間反映出來。因此,可以用客車側(cè)翻碰撞過程中質(zhì)心加速度的相關(guān)指標(biāo)來評價碰撞安全性。

四、客車側(cè)翻碰撞的加速度評價

4.1 加速度評價指標(biāo)

客車側(cè)翻碰撞的加速度可以從最大加速度αmax、平均加速度和加速度均方根三個方面來對碰撞安全性進(jìn)行較為全面的評價。[3]

(1)客車在側(cè)翻碰撞過程中所受到的最大沖擊載荷可以通過碰撞過程中的最大加速度αmax表征出來。最大加速度越大,客車車身以及帶給乘客的最大沖擊載荷就越大,碰撞安全性能越差。
(2)客車側(cè)翻碰撞過程中的平均加速度定義為

客車側(cè)翻碰撞的有限元分析ansys培訓(xùn)的效果圖片7

由式可知,平均加速度與整個碰撞時間成反比,碰撞持續(xù)時間越短,質(zhì)心的平均加速度值越高 ,車身的平均沖擊載荷以及帶給乘客的沖擊載荷就越大,碰撞安全性能越差。

(3)客車側(cè)翻碰撞過程中的加速度均方根定義為

客車側(cè)翻碰撞的有限元分析ansys培訓(xùn)的效果圖片11

客車側(cè)翻碰撞過程中的加速度均方根表征了碰撞過程中質(zhì)心加速度α(t)與平均加速度的偏差程度,值越大,說明質(zhì)心加速度α(t)變化幅度越大,碰撞安全性能越差。

4.2 加速度評價

圖3 質(zhì)心加速度時間歷程曲線

圖3為本次客車側(cè)翻試驗中采集的客車質(zhì)心加速度數(shù)據(jù)時間歷程曲線。根據(jù)質(zhì)心加速度數(shù)據(jù)可知,本次客車側(cè)翻碰撞時間約為200ms。按照4.1的評價指標(biāo)計算可得最大加速度αmax=6.13g,平均加速度,加速度均方根。

可以看出,計算得到的加速度評價指標(biāo)值相對于國內(nèi)外公布的汽車碰撞試驗數(shù)據(jù)結(jié)果較低。由于客車側(cè)翻碰撞方面的公開文獻(xiàn)較少,因此沒有與其他客車側(cè)翻碰撞過程比較和參考的依據(jù),但可以利用這三個加速度評價指標(biāo)對同一車型的側(cè)翻碰撞安全性的改進(jìn)效果進(jìn)行比較,指標(biāo)值越低,側(cè)翻碰撞安全性越好。

五、結(jié)束語

(1)客車側(cè)翻碰撞中的質(zhì)心平均加速度、最大加速度和加速度均方根三個加速度評價指標(biāo)能夠反映出客車的側(cè)翻碰撞安全性,可以作為同一車型側(cè)翻碰撞安全性改進(jìn)效果的比較指標(biāo)。
(2)由于國內(nèi)客車側(cè)翻碰撞的試驗研究才剛剛起步,本文只對個例進(jìn)行了碰撞加速度分析,沒有具體的標(biāo)準(zhǔn)值可以參照。因此,還需要通過大量的試驗來積累數(shù)據(jù),制定出能夠滿足乘客安全需要的加速度指標(biāo)值來評價客車的側(cè)翻碰撞安全性能。

[參考文獻(xiàn)]

    [1] GB/T 17578-1998 客車上部結(jié)構(gòu)強度的規(guī)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,劉星榮。汽車車身對壁正面碰撞安全性評價指標(biāo)的研究[J]。江蘇理工大學(xué)學(xué)報:2001,22(4) 29-31
    [4] 朱西產(chǎn)。實車碰撞試驗方法和評價指標(biāo)[J]。世界汽車:1998,5 11-13

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