客車側翻碰撞的有限元分析

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

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。這三個加速度指標可以作為評價客車側翻碰撞安全性改進效果的依據(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。由于我國的標準GB/T17578-1998《客車上部結構強度的規(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,國內客車生產(chǎn)廠家一直沒有開展客車側翻試驗的研究。

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

二、客車側翻試驗

為檢驗某大型客車上部結構強度、研究客車側翻碰撞安全性能,我們進行了一次實車側翻試驗。客車側翻試驗按照GB/T17578-1998的要求進行。將試驗客車放置在離地高80cm的水平可翻轉試驗平臺上,采取措施防止客車縱向滑移和車輪的側向滑移并確保客車各軸的同步側傾,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傾直至翻倒,側傾角速度不應超過50°/S(0.087rad/s)。標準中規(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;生存空間內的任何部分都不能突出至變形的車身結構外。

圖1 客車側翻試驗

如圖1所示,客車側翻與地面發(fā)生碰撞后前后擋風玻璃破碎,左右圍兩側玻璃完好,車身任何部分的位移都未侵入生存空間,同時生存空間內的任何部分都未突出至變形的車身結構外,達到GB/T17578-1998的要求。

三、客車側翻碰撞過程中的加速度

客車側翻碰撞過程是客車的動勢能在與水泥地面發(fā)生碰撞中轉化為其他形式能量的過程?？蛙噦确鲎矔r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:

客車側翻碰撞的有限元分析ansys圖片圖片3

    m-客車的空載質量;
    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束的時間;
    a(t)-碰撞過程中的質心加速度;
    v(t)-碰撞過程中的質心速度;

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心加速度、速度和碰撞時間有關,質心的速度又是由質心加速度和時間決定的,客車的側翻碰撞吸能過程可以通過質心加速度和碰撞時間反映出來。因此,可以用客車側翻碰撞過程中質心加速度的相關指標來評價碰撞安全性。

四、客車側翻碰撞的加速度評價

4.1 加速度評價指標

客車側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行較為全面的評價。[3]

(1)客車在側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)客車側翻碰撞過程中的平均加速度定義為

客車側翻碰撞的有限元分析ansys培訓的效果圖片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)客車側翻碰撞過程中的加速度均方根定義為

客車側翻碰撞的有限元分析ansys培訓的效果圖片11

客車側翻碰撞過程中的加速度均方根表征了碰撞過程中質心加速度α(t)與平均加速度的偏差程度,值越大,說明質心加速度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 質心加速度時間歷程曲線

圖3為本次客車側翻試驗中采集的客車質心加速度數(shù)據(jù)時間歷程曲線。根據(jù)質心加速度數(shù)據(jù)可知,本次客車側翻碰撞時間約為200ms。按照4.1的評價指標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值相對于國內外公布的汽車碰撞試驗數(shù)據(jù)結果較低。由于客車側翻碰撞方面的公開文獻較少,因此沒有與其他客車側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對同一車型的側翻碰撞安全性的改進效果進行比較,指標值越低,側翻碰撞安全性越好。

五、結束語

(1)客車側翻碰撞中的質心平均加速度、最大加速度和加速度均方根三個加速度評價指標能夠反映出客車的側翻碰撞安全性,可以作為同一車型側翻碰撞安全性改進效果的比較指標。
(2)由于國內客車側翻碰撞的試驗研究才剛剛起步,本文只對個例進行了碰撞加速度分析,沒有具體的標準值可以參照。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值來評價客車的側翻碰撞安全性能。

[參考文獻]

    [1] GB/T 17578-1998 客車上部結構強度的規(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的研究[J]。江蘇理工大學學報:2001,22(4) 29-31
    [4] 朱西產(chǎn)。實車碰撞試驗方法和評價指標[J]。世界汽車:1998,5 11-13

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