大客车正面碰撞安全性能分析及结构改进验证.pdf

10.16638/ki.1671-7988.2023.016.016 10.16638/ki.1671-7988.2023.016.016 大客车正面碰撞安全性能分析及结构改进验证 司俊德，孟照雨，王铨溥（河南工业大学 机电工程学院，河南 郑州 450001）摘要：文章采用数值仿真和实车验证方法，对某 12 m 大客车正面碰撞安全性能进行分析研究。根据分析结果对原客车前部结构进行改进设计，主要包括碰撞吸能器、方向盘前向翻转结构及贯通式支撑结构等，并通过设计不同碰撞速度和整车质量，对改进后的车辆进行安全性能验证。仿真结果表明，改进方案可有效减少客车前部结构的变形量，保障驾驶员生存空间不被侵入，降低乘客损伤值；在 50 km/h 碰撞速度下，驾驶员空间侵入严重，乘客损伤超过标准；在 30 km/h 碰撞速度下，改进结构能够满足不同载重状态的碰撞安全要求，研究结果对客车被动安全性的提高具有较好的工程应用价值。关键词：结构改进；正面碰撞；仿真分析；大客车；被动安全 中图分类号：X912.9 文献标志码：A 文章编号：1671-7988(2023)16-80-06 Coach Frontal Crash Safety Performance Analysis and Verification of Structural Improvement SI Junde,MENG Zhaoyu,WANG Quanpu(School of Mechanical and Electrical Engineering,Henan University of Technology,Zhengzhou 450001,China)Abstract:In this paper,the frontal crash safety performance of a 12 m coach is examined and studied using numerical simulation and experimental approaches.According to the analysis results,the front structure of the original coach is enhanced and constructed,including the collision energy absorber,steering wheel forward flip structure and through support structure.Finally,the improved coach is verified by designing different crash speeds and overall vehicle mass.The results indicated that the improved solution can effectively reduce the deformation of the front structure of the coach,protect the drivers living space from being invaded and reduce the passenger injury value;the passenger damage exceeds the standard at a crash speed of 50 km/h,nevertheless the upgraded structure can meet the crash safety standards for various load states at a crash speed of 30 km/h.The research results have good engineering application value for improving the passive safety of coaches.Keywords:Structural improvement;Frontal crash;Simulation analysis;Coach;Passive safety 作者简介：司俊德（1982），男，博士，高级工程师，研究方向为客车碰撞安全技术，E-mail:。基金项目：河南省高等学校重点科研项目计划（22A460011）；河南工业大学高层次人才基金项目（2019BS062）。第 16 期 司俊德，等：大客车正面碰撞安全性能分析及结构改进验证 81 大客车是我国公路客运的主要交通工具1-2，但由于其车身长、载重大，且多为驾驶位靠前的平头结构，当发生正面碰撞事故时，前部结构极易侵入驾驶员生存空间，对驾驶员与乘客造成严重伤害3-4，如陕西安康“810”等多起重大事故，均为大客车正面碰撞事故，并且造成严重的生命财产损失5，因此，对大客车正面碰撞安全性进行分析和改进具有必要性。目前关于客车正面碰撞的试验方法和评价标准在国内外并未统一。Volvo 等欧洲企业引用商用车驾驶室乘员保护法规（ECE R29）对客车前部结构安全性进行评价6，但摆锤冲击动能为 45 kJ，远小于事故碰撞能量，且无法考核乘客区安全性能。梅赛德斯-奔驰公司以 25 km/h 的速度进行了满载的 100%正面刚性屏障碰撞试验，以验证他们开发的正面碰撞保护结构对客车司机的有效性7。2020 年，我国发布了交通行业标准客车正面碰撞乘员保护（JT/T 13692020），整车以 30 km/h 速度 100%重叠碰撞刚性壁障，主要评价驾驶员的生存空间和乘客的损伤值。国内主流客车企业大多参照 JT/T 13692020标准要求，开展大客车 30 km/h 的 100%重叠碰撞刚性壁障试验研究，研究结果表明转向系统会侵入驾驶员生存空间，同时这也是导致试验失败的主要影响因素。吴长风针对碰撞后客车前部结构的严重变形，提出增加吸能元件和加强前部结构的改进方案8。高原等分别研究了不同材质、截面形状以及结构形式的缓冲吸能元件对整车碰撞安全性能的影响9-10。巩建强通过设计客车座椅动态试验，研究整车正面碰撞中乘员的损伤机理11。本文建立某 12 m大客车整车正面碰撞有限元模型，依据 JT/T 13692020 标准要求，对大客车正面碰撞安全性能进行分析，并根据结果对前部结构做出改进。1 整车有限元模型的建立 首先，利用三维软件建立某 12 m 大客车几何模型，然后将其导入 HyperMesh 软件中进行网格划分和参数设置，并对整车模型进行适当简化。整车有限元模型如图 1 所示。为提高计算效率，建立座椅-台车有限元仿真模型，如图 2 所示。将台车模型赋予整车初始速度后，在整车的乘客区提取加速度曲线并代入台车模型，以提取乘员的损伤值。图 1 整车有限元模型 图 2 座椅台车碰撞有限元模型 根据实际使用的材料设置材料属性。该客车车身骨架采用 Q235-B 钢制造，立柱横梁则使用HC700 和 510L 材料。板材和附件多采用 DC01 和DX51+Z 材料。仿真模型所用材料参数如表 1 所示。表 1 材料参数 材料牌号 密度/(tmm-3)杨氏模量/MPa 泊松比 屈服极限/MPa HC700 7.8510-9 210 000 0.3 794.2 510L 7.8510-9 210 000 0.3 455.6 Q235-B 7.8510-9 210 000 0.3 327.8 DC01 7.8510-9 210 000 0.3 207 DX51+Z 7.8510-9 210 000 0.3 270 2 大客车正面碰撞安全性能分析 分别通过仿真和实车碰撞试验的方法对大客车正面碰撞安全性能进行分析。首先，使整车模型以 30 km/h 初速度正面碰撞刚性壁障，然后从仿真结果中提取第 2 排乘客座椅的加速度曲线，并将数据导入座椅台车碰撞有限元模型，计算整车碰撞过程中假人动态响应。2.1 驾驶员安全性分析 为改善驾驶视野，大客车驾驶员座椅布置一般比较靠前。标准 JT/T 13692020 设置驾驶员泡沫假人，如图 3 所示。L1表示方向盘与驾驶员的水平方向距离；L2表示方向盘与驾驶员腿部垂直方向的距离；L3表示方向盘转向柱与驾驶员腿部最小距离。在整车碰撞过程中，L1、L2、L3应均大于 0，以确保驾驶员有足够的生存空间。82 汽 车 实 用 技 术 2023 年 图 3 驾驶员生存空间示意图 大客车碰撞后，车身变形主要集中在前部结构，包括前围骨架、乘客门、前围蒙皮、车架前段等。前围骨架溃缩变形，推动转向管柱固定支架后移，致使方向盘和转向管柱挤压泡沫假人，不满足标准要求。驾驶员生存空间的仿真和试验结果对比如图 4 所示，仿真和试验结果的整体变形趋势基本一致。(a)仿真结果 (b)试验结果 图 4 客车整体变形仿真和试验结果对比 2.2 乘客安全性分析 标准 JT/T 13692020 通过乘员损伤值、座椅及安全带是否失效等方面对乘客安全性进行评估。随着 客车座椅及其车辆固定件的强度（GB 130572023）将碰撞速度由 30 km/h 提升至 50 km/h，试验条件远高于 JT/T 13692020 相关考核要求。满足 GB 130572023 试验要求的客车座椅及其固定件强度要求基本能通过 JT/T 13692020 考核。但乘员损伤值受碰撞加速度波形和约束系统性能影响，需要综合考虑客车前部结构强度进行匹配设计。大客车第 2 排座椅放置 2 个 Hyrid假人，系三点式安全带，仿真和试验结果如图 5 和图 6 所示。乘员损伤值仿真和试验对比如表 2 所示，左侧假人的各项损伤指标均满足 JT/T 13692020相应要求，右侧假人的头部和胸部损伤值不满足标准要求。仿真结果和试验结果整体趋势基本相似。图 5 碰撞仿真分析假人状态 图 6 碰撞试验后 Hyrid假人状态 表 2 假人损伤指标 位置 指标名称 指标 要求 结果 试验 仿真 左 侧 假 人 头 HIC 500 424.5 441.3 颈 NPC/(Nm)57 46.2 53.3 胸 ThPC/g 30 25.6 27.2 腿 FPC/kN 10 左:8.6 右:6.8 左:9.5 右:7.8 右 侧 假 人 头 HIC 500 521.6 546.8 颈 NPC/(Nm)57 42.3 45.6 胸 ThPC/g 30 32.6 35.6 腿 FPC/kN 10 左:8.2 右:8.4 左:8.6 右:8.9 3 前部结构改进设计及效果分析 3.1 前部结构改进设计 基于大客车正面碰撞试验结果和前部结构改进方案对比分析可知，客车前部结构优化思路多采用分区设计理念12，通过设置前部吸能元件吸收约 20%30%的碰撞能量，同时降低碰撞加速度峰值，有利乘客区乘员保护。吸能区后设置坚固的支撑骨架结构，将碰撞力分散传递至整车骨第 16 期 司俊德，等：大客车正面碰撞安全性能分析及结构改进验证 83 架，保证驾驶员生存空间的完整性。试验统计数据显示，转向管柱触碰泡沫假人膝部是导致试验失败的主要影响因素。碰撞试验前转向管柱距离泡沫假人膝部距离 L3通常只有2030 mm，转向管柱支架受到碰撞冲击产生轻微变形可能使转向管柱触碰泡沫假人膝部，从而导致试验失败。为了减轻转向系统对驾驶员的伤害，开发出方向盘前向翻转结构。首先设计出“7”字形翻转折板连接转向系统和固定支架，同时设置支撑结构连接固定到前围骨架。在大客车发生正面碰撞时，前围骨架向后溃缩，支撑结构推动翻转折板带动转向系统一起绕折线转动，从而实现碰撞过程中方向盘向前翻转、远离驾驶员的功能。改进设计后的前部结构如图 7 所示。图 7 前部结构改进示意图 3.2 不同碰撞速度工况下改进效果对比分析 将前部结构改进后的整车有限元模型分别以30 km/h、40 km/h和 50 km/h的初始速度进行 100%刚性壁障正面碰撞仿真，分析改进方案在不同碰撞速度工况下对驾乘人员安全性保护效果。不同碰撞速度下前部结构最大变形对比如图8 所示，驾驶员生存空间对比如表 3 所示。当碰撞速度为 30 km/h 时，整车在 110 ms 时达到最大变形状态，后部结构发生部分变形，车门框架基本完整。20 ms 时，转向系统随翻转折板变形开始向前翻转，L3由碰撞前的 25 mm 增大到 51 mm，驾驶员生存空间未被侵入。当碰撞速度为 40 km/h时，整车在 135 ms 时达到最大变形状态，车门框架发生扭曲变形，转管柱固定支架受挤压后移，但转向系统依然未碰触泡沫假人。当碰撞速度为50 km/h 时，整车在 145 ms 时达到最大变形状态，车门框架和地板骨架均发生严重变形，A 柱等部件已侵入驾驶员生存空间。(a)30 km/h (b)40 km/h (c)50 km/h 图 8 不同碰撞速度下前部结构最大变形对比图 表 3 前部结构不同碰撞速度工况驾驶员生存空间值 试验状态 碰撞速度/(km/h)生存空间 L1/mm L2/mm L3/mm 碰撞前 221 52 25 碰撞后 30 307 330 51 40 295 305 42 50 188 153 0 在整车第二排乘客椅位置，分别提取不同碰撞速度下的加速度曲线，如图 9 所示，随着碰撞速度的增加，加速度峰值也随之增大，分别为21.23g、22.35g 和 24.12g。将加速度曲线代入座椅-台车模型，对乘客安全性进行仿真分析。图 9 不同碰撞速度下乘员位置的加速度曲线 不同碰撞速度下假人损伤值对比如表 4 所示。假人损伤值主要受到碰撞强度、碰撞速度及座椅约束系统性能等因素影响。30 km/h、40 km/h 和 表 4 不同碰撞速度下假人损伤值对比表 位置 指标名称 指标 要求 结果 30 km/h 40 km/h 50 km/h 左侧 假人 头 HIC 500 330.6 354.2 438.5 颈 NPC/(Nm)57 42.2 44.6 48.5 胸 ThPC/g 30 21.8 23.9 30.5 腿 FPC/kN 10 左 3.5 左 4.3 左 5.3 右 3.3 右 4.5 右 6.1 右侧 假人 头 HIC 500 350 380.4 410.5 颈 NPC/(Nm)57 43.6 46.4 51.2 胸 ThPC/g 30 22.6 26.1 31 腿 FPC/kN 10 左 2.8 左 4.6 左 6.9 右 3.1 右 5.1 右 7.1 84 汽 车 实 用 技 术 2023 年 50 km/h 正面碰撞速度工况下，左右两侧假人各项损伤值存在一定差异，但误差波动在合理区间。随着碰撞速度的增加，损伤值也随之增加。头部、颈部和腿部等指标均满足 JT/T 13692020 表中要求。当在 50 km/h 速度工况下，左右两侧假人的胸部损伤值分别为 30.5g 和 31g，大于指标要求的30g，不满足法规要求。3.3 不同整车重量工况下改进效果对比分析 该车型整备质量为 12.1 t，核载人数为 50 人。依据 客车结构安全要求（GB 130942017）13，每位乘员质量为 65 kg，大客车满载质量为 15.35 t，半满载质量为 13.725 t。将前部结构改进后整车有限元模型分别以整备质量、半满载质量、满载质量三种重量工况，按照 30 km/h 初始速度进行100%刚性壁障正面碰撞仿真，分析改进方案在不同重量工况下对驾乘人员安全性保护效果。不同整车重量下前部结构最大变形对比如图10 所示，驾驶员生存空间对比如表 5 所示。当整车以整备质量状态 30 km/h 与刚性壁障正面碰撞时，前部结构在 110 ms 时达到最大变形状态，支撑结构发生部分变形，车门框架基本完整。20 ms时，转向系统随翻转折板变形开始向前翻转，L3由碰撞前的 25 mm 增大到 51 mm，驾驶员生存空间未被侵入。当半满载质量状态时，前部结构在108 ms 时达到最大变形状态，车门框架发生扭曲变形，转管柱固定支架受挤压后移，但转向系统依然未碰触泡沫假人。在 19 ms 时，方向盘自动翻转结构开始向前翻转，L3由碰撞前的 25 mm 增大到 45 mm，驾驶员生存空间未被侵入。当满载质量时，整车在 100 ms 时达到最大变形状态。(a)整备质量 (b)半满载质量 (c)满载质量 图 10 不同整车重量下前部结构最大变形对比图 表 5 不同整车重量下驾驶员生存空间值 试验状态 重量状态 生存空间 L1/mm L2/mm L3/mm 碰撞前 221 52 25 碰撞后 整备质量 307 330 51 半满载质量 301 311 45 满载质量 286 301 38 在整车第二排乘客椅位置，分别提取不同整车重量下的加速度曲线，如图 11 所示。随着整车质量的增加，最大加速度峰值随之增大，但增幅不大，分别为 21.23g、23.65g 和 24.82g。将加速度曲线代入座椅-台车模型，对乘客安全性进行仿真分析。图 11 不同整车质量下乘员位置的加速度曲线 不同整车重量下假人损伤值对比如表 6 所示。在相同的碰撞速度下，碰撞能量随整车质量增大而提高。随着碰撞能量的增加，最大加速度峰值随之增大，但增幅不大。左右两侧假人各项损伤值存在一定差异，但误差波动在合理区间。随着整车质量的增加，乘员各项损伤值也随之增加。头部、颈部、腿部和胸部等指标均满足 JT/T 13692020 要求。表 6 不同整车质量下假人损伤值对比表 位置 指标名称 指标 要求 结果 整备 质量 半满载 质量 满载 质量 左侧 假人 头 HIC 500 330.6 338.2 351.2 颈 NPC/(Nm)57 42.2 42.9 45.6 胸 ThPC/g 30 21.8 22.5 24.1 腿 FPC/kN 10 左 3.5 左 3.8 左 4.2 右 3.3 右 3.6 右 4.3 右侧 假人 头 HIC 500 350 372.2 391.3 颈 NPC/(Nm)57 43.6 45.1 48.2 胸 ThPC/g 30 22.6 24.6 26.3 腿 FPC/kN 10 左 2.8 左 3.4 左 4.5 右 3.1 右 3.6 右 4.6 4 结论 本文依据 JT/T 13692020 标准要求，对某12 m 大客车开展正面碰撞安全性能仿真和试验分析，通过对比前部结构变形、驾驶员生存空间侵入情况以及乘客损伤值，进行仿真模型的有效性验证。结合原结构的失效机理，提出包含传力支撑结构、碰撞吸能器和方向盘前向翻转结构的大第 16 期 司俊德，等：大客车正面碰撞安全性能分析及结构改进验证 85 客车前部结构改进方案，并通过控制单一变量的方法，分别以碰撞速度和整车质量为变量，对前部结构改进方案有效性进行验证。结论如下：1）在不同工况下，改进后的整车驾驶员生存空间均有所提升，乘员损伤值均有所降低，证明改进结构方案的有效性。2）碰撞速度是造成乘员伤害的主要影响因素之一。随着碰撞速度增加，驾驶员生产空间侵入量和乘客伤害值都不同程度增大。30 km/h 和 40 km/h碰撞速度下，改进后的前部结构能够满足法规要求。当碰撞速度为 50 km/h 时，驾驶员生存空间被严重侵入，碰撞假人胸部伤害值高于标准要求。3）当碰撞速度为 30 km/h 时，改进后的整车前部结构在不同重量整车情况下能够满足法规对驾驶员生存空间和乘员损伤值的要求。参考文献 1 余泽.大客车正面碰撞乘员运动响应及损伤特征研究D.西安:长安大学,2019.2 张芳燕,牛玺荣.20002013年我国公路交通安全研究进展及其分析J.中国安全生产科学技术,2015,11(4):173.3 唐焱,刘俊杰,高吟.某小型客车正面碰撞建模与仿真分析J.机械设计与制造,2015(6):248-251.4 周登科.客车前撞吸能特性与乘员损伤机理的研究 D.长沙:湖南大学,2016.5 佚名.陕西安康“810”特别重大道路交通事故J.中国安全生产,2018,13(3):52-53.6 CERIT M E,GULER M A,BAYRAM B,et al.Improv-ement of the Energy Absorption Capacity of an Intercity Coach for Frontal Crash AccidentsJ.International Journal of Impact Engineering,2009,36(2):235-242.7 STEINMETZ G.A New Front Structure for Coaches to Improve Their CrashworthinessC/FISITA World Automotive Congress 2010.Washington:Budapest,Cur-ran Associates,Inc,2010:659-667.8 吴长风.承载式公路客车车身正面碰撞安全性设计方法研究D.长春:吉林大学,2019.9 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