客车侧翻生存空间仿真评价方法研究

周德生

客车侧翻生存空间仿真评价方法研究

周德生

（比亚迪汽车工业有限公司汽车工程研究院，广东 深圳518118）

为了能更直观地评价客车侧翻生存空间的侵入状况，提出以接触力作为评价指标的仿真分析方法。根据法规ECE R66要求，建立某客车骨架及生存空间的有限元模型，并进行侧翻仿真分析，评价其上部结构的变形及其侵入乘员生存空间的状况。基于仿真分析结果，验证了该仿真评估方法是简单实用、准确可靠的。

客车；侧翻；生存空间；接触力；有限元模型

客车侧翻试验已成为检验和评估客车上部结构强度最直接、有效的试验方法。但是，动态侧翻试验为不可重复的破坏性试验，而且试验成本高、工作难度大；而采用CAE技术进行客车侧翻安全性分析是一种非常有效的方法。

目前国内学者已经开始采用计算机仿真技术研究客车侧翻事故与乘员安全性问题［1-9］。因此，对客车侧翻安全性能的优化设计和分析方法研究，对客车的设计、生产和工程应用都具有重要的意义。

本文通过分析现有侧翻仿真分析对生存空间的评价方法，提出以接触力评价乘员生存空间被侵入状况的仿真分析方法；根据欧盟ECE R66法规要求［10］，建立某电动客车骨架及生存空间的有限元模型，采用LS_DYNA进行以计算接触力为评价方法的动态侧翻仿真分析。研究仿真分析变形结果，验证了该评价方法是一种简单实用、宏观明了、准确可靠的方法，为客车侧翻仿真分析提供参考价值。

1　LS_DYNA接触碰撞原理

1.1接触算法

接触-碰撞的有限元数值计算方法是将两撞击物体分开建立有限元模型，通过位移协调条件与动量方程求解撞击载荷。LS_DYNA中有三种不同的算法处理碰撞、滑动接触问题［11-13］。

1）动态约束法。其原理是在每一时间步△t修正构形之前，搜索所有未与主面接触的从节点，看是否在△t内穿透主面。如果有从节点贯穿主表面，则缩小△t，使那些穿透主面的从节点都不贯穿主面，而使其正好达到主面。在计算下一个△t之前，对所有已经与主面接触的从节点都施加约束条件，以保持从节点与主面接触而不贯穿。此处，还检查那些和主面接触的从节点所属单元是否受到拉应力作用。如有，则释放条件，使从节点脱离主面。这种算法比较复杂，要求主面网格划分比从面网格细，某些主节点可以毫无约束地穿过从面，形成所谓的“纽结”现象。目前LS_DYNA程序中仅用于固连界面。

2）分布参数法。该方法是将每一个正在接触的、从单位的一半质量分布到被接触的主面面积上，同时根据每个正在接触的、从单元的内应力确定作用在接受质量分配的主面面积上的分布压力。在完成质量和压力的分配后，修正主面的加速度，然后对从节点的加速度和速度施加约束，以保证从节点在主面上滑动，不允许从节点穿透主表面，从而避免反弹现象。这种算法主要用来处理接触界面具有相对滑移而不可分开的问题，在结构计算分析中很少采用。目前主要用来处理接触-滑移界面的问题，如爆炸接触问题。

3）罚函数法。罚函数法是应用最广的一种算法，其原理比较简单：即对每一个时间步△t先计算各从节点与最近的主面垂直距离，检查各从节点的穿透情况。如未穿透，则不作处理；如果存在穿透，则在该从节点与被穿透主面之间引入一个界面接触力，其大小跟穿透深度、主面刚度成正比，其物理意义相对于在从节点和主段面两者之间放置一法向弹簧，如图1所示，以限制从节点对主面的穿透。

基于罚函的方法是LS_DYNA计算主、从间接触刚度的缺省方法，它是利用接触段的尺寸与其材料特性来确定接触刚度。当两个接触面的材料刚度参数差不多大时，该方法是非常有效的。对称罚函数法是在每一个时间步对从节点和主节点循环处理一遍，算法跟从节点算法相同。本文采用罚函数接触算法处理接触碰撞问题。

1.2接触类型与输出

LS_DYNA中常用接触类型主要有四大类［11-13］：单向接触（one way contact）；双面接触（two way contact）；单面接触（single contact）；固连接触（tied contact）。在以上接触类型中，前三种接触类型的算法均采用罚函数法，固连接触有的采用罚函数法，有的采用动态约束法，少部分采用分布参数法。

在LS_DYNA接触碰撞理论中*contact_force_transducer_option提供一种在所选位置处获取接触力的便利方法。它的两个选项中，penalty是基于罚函数类型起作用；而constraint是基于约束接触类型起作用。基于罚函数法接触原理，本文在前处理时设置生存空间跟本身侧围为双面接触中的自动面面接触类型，即*contact_automatic_surface_to_surface，同时激活接触控制中的参数SPR、MPR，如图2所示。

为输出接触力本文在关键字文件中*DATABASE_ OPTION中设置接触力输出选项RCFORCE，并设置输出时间间隔为0.002 s以及输出接触力的文件类型为ASCII格式，如图3所示；仿真分析结束后，在RCFORCE文件中得到生存空间跟车身的接触力数据作为本文生存空间评价依据。

2　生存空间的评价

2.1现有生存空间仿真评价方法

在现在的客车侧翻仿真分析方法中，常以侧翻碰撞侧的侧围与客车地板骨架形成的夹角β作为评价生存空间完整性的指标，如图4所示。该评价方法是将整个侧围结构看成是绕地板与侧围的交点O形成的轴线转动，夹角β的变化反映了生存空间有被侵入的趋势，夹角越小，则生存空间被侵入的风险就越大。该方法认为，侧围各段相对不变形，但在侧翻仿真分析中，侧围结构的变形趋势一般是不一样的，且侧围立柱多为弯曲变形，而生存空间截面为梯形［7，10］，所以难以准确地反映生存空间的侵入状况。

在另外一些客车侧翻仿真分析文献中［2-4，9］，根据生存空间的位置尺寸建立生存空间有限元模型，在侧翻分析时，不考虑生存空间的自身变形，也不考虑生存空间与侧围的相互接触变形，只是通过观测侧翻后整车骨架与生存空间最后时刻的不同位置的截面图，如图5所示。由于在侧翻试验中侧围各部分变形不一致，立柱都是弯曲变形且发生回弹效应，整车最大变形时刻一般不是最后时刻，因而该方法也难以准确地反映生存空间侵入状况及判断生存空间被侵入的具体时刻，且后处理繁琐。

2.2新仿真评价方法

为了评价整车侧翻过程中生存空间的侵入状况，本文提出以接触力评价生存空间是否被侵入的方法。根据法规对生存空间位置尺寸的要求［10］，建立生存空间的有限元模型，设置生存空间和侧围的接触关系和输出，后处理时输出两者之间的接触力曲线，从而判断生存空间的侵入情况。本文提出的接触力评价法与其它评价方法相比有如下优点：

1）新方法只需设置侧围跟生存空间的接触关系，侧翻过程中车身结构的任何位置碰到生存空间都会产生作用力，仿真分析后处理时输出两者的接触力曲线图，从曲线图就能宏观地判断生存空间的侵入情况。如果接触力一直为零，表示变形没有侵入生存空间，满足法规要求；若接触力大于零，表示变形侵入了生存空间，不满足法规要求。

2）当生存空间被侵入时，从接触力曲线图就能知道生存空间被侵入的时刻和时间跨度，再通过观察生存空间的应力云图，就能知道车身结构哪些具体部件侵入生存空间，如图6所示，从而为结构的改进提供更加准确、详细、可靠的信息。

3）接触力的大小也能反映生存空间被侵入的严重程度，即接触力越大，表示生存空间被侵入得越多，反映客车上部结构强度越弱，反之亦然。

4）不需要测量侧翻后侧围每根立柱跟地板形成夹角来评估生存空间侵入情况，不需要进行复杂的理论计算，避免人工计算误差而引起对结果的判断错误。

5）不需要截取侧翻最后时刻侧围每根立柱与生存空间的截面图来判断生存空间的侵入状况。由于弹性材料的回弹现象，客车侧翻试验的最大变形一般发生在碰撞过程中的某一时刻，并不一定是最后时刻；同时，避免因人工反复截图，繁琐重复工作而引起的误差，新方法由分析软件进行自动求解计算，从而提高工作效率和判断的准确度。

3　侧翻分析验证

据法规ECE R66的要求，建立整车及生存空间的有限元模型，如图7所示。

建模时作如下简化［8-9］：忽略轮胎对车身结构强度的影响，车桥用梁单元创建；省略内外饰等非主要受力结构件，用质量单元模拟；不考虑骨架件的小倒角、倒边及小孔等；不考虑焊点和铆接结构的残余应力、失效问题；有限元模型的总质量和重心位置与实车一致。

众所周知，能量守恒是检验仿真精度的重要考量指标，能量转化贯穿于整个侧翻过程中，整车的动能和势能转化为整车骨架的塑性变形能及车体与地面摩擦所产生的热能。侧翻分析过程的能量变化曲线如图8所示。在0.15 s时吸能达到最大值，沙漏能在整个侧翻过程中占总能量比不超过5%。由此可知，仿真分析过程能量是守恒的，结果是可信的。

1）变形判断法。图8是整车不同时刻的变形图，侧翻时车身侧围与顶围连接处先与地面发生碰撞，同时产生极大的冲击力，碰撞力通过顶围骨架传递到另一侧侧围，车身骨架发生不同程度的弯曲变形；侧围立柱在0.059 s开始被侵入生存空间，在0.15 s时车身骨架达到最大变形，如图9（a）所示。由于车身骨架发生剧烈的塑性变形而不足以吸收侧翻冲击动能，进而侵入乘员生存空间；随着侧翻分析过程的进行，由于弹性材料的回弹效应，车体开始回弹并向前滑移直至停止，最后时刻的变形如图9（b）所示。

2）接触力判断法。侧翻仿真分析，输出的生存空间与侧围的接触力曲线如图10所示。从图中可知，生存空间在0.059s开始被侵入，在0.15s时侵入量最大，直至0.212s时才结束。由于侧围立柱在侧翻分析过程中发生了较大的弯曲变形，不足以抵抗侧翻撞击力，从而侵入生存空间，之后由于车身骨架材料的回弹效应，在0.212 s时使得侧围与生存空间完全分离，此后接触力一直为零。

为了验证接触力评估方法的可靠性，分别截取不同时刻车身和生存空间的变形截面图，如图10所示。在0.59 s时，如图11（a）中侧围立柱开始碰到生存空间并产生接触力；在0.15 s时，立柱的变形达到最大值，同时侵入量也达到了最大值，侵入一直延续至0.212 s结束，如图11（b）所示。此后侧围骨架与生存空间分离，接触力为零，由此可知，该方法是准确可靠的。

4　结束语

本文建立了某电动客车的侧翻仿真分析有限元模型，提出了以接触力评价生存空间完整性的分析方法并进行仿真分析验证。该方法能宏观、准确地反映生存空间的侵入状况，是一种准确、实用、可靠的仿真评价方法；客车侧翻时，车身侧围立柱和顶围横梁对侧翻碰撞性能影响较大。

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修改稿日期：2014-08-13

Research on Simulation Evaluation Method of Residual Space in Coach Rollover

Zhou Desheng
（Automobile EngineeringResearch Institute，BYDAutoIndustryCo.，Ltd，Shenzhen 518181，China）

Toevaluate the incursion state ofthe residual space in the coach rollover more intuitively，the author proposes a simulation analysis method which takes the interface force as the evaluation index.According to Regulation ECE R66，he establishes a finite element model（FEM）for a coach framework and residual space，and performs a simulation on the rollover process，and evaluates the deformation of the coach superstructure and its incursion state intopassenger residual space.Based on the simulation results，the simulation evaluation method is simple，practical，accurate and reliable.

coach；rollover；residual space；interface force；FEM

U467.1+4

A

1006-3331（2015）01-0010-04

周德生（1981-），男，硕士；工程师；主要从事汽车结构安全性能研究工作。