基于侧翻安全的10米公路客车车身设计与优化研究

李飞

摘 要：客车侧翻安全是客车车身结构设计中很重要的研究部分，本文通过有限元分析手段优化车身结构，旨在总结影响客车车身结构侧翻安全的关键因素，掌握客车侧翻性能设计规律及典型结构，为国内客车厂家和科研机构进行类似改进设计提供借鉴，为未来客车产品的发展提供技术支持和设计经验。

关键词：封闭环侧翻特性；客车车身设计；优化

中图分类号： U463 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）31-196-2

0 引言

过去在设计客车车身结构时，若车身结构不满足强度、刚度要求，往往就只在薄弱的部位加强结构，使整车能够通过相关标准试验要求，并没有系统研究哪些因素是影响客车侧翻的关键因素。这样做不但对客车车身轻量化造成不利影响，还会给整车工艺性等其他方面带来问题。

近些年，国内许多高校科研机构和客车企业都开始对客车侧翻做相关的技术研究，结合有限元仿真方法提出了一系列优化客车侧翻性能的有效方法，并优化车身结构，提高客车侧翻性能，减小乘员的伤害。GB17578-2013《客车上部结构强度要求及试验方法》已于2014年7月1日正式实施，这对客车侧翻提出了更加严格的要求。客车侧翻碰撞的试验条件会更加严苛，国内客车行业对客车上部结构强度的研究也会更加深入。

1 侧翻试验

GB17578-2013《客车上部结构强度要求及试验方法》于2014年7月开始实施，法规中要求“车辆的上部结构应具有足够的强度，以确保在整车侧翻试验过程中和侧翻后生存空间没有受到侵入”；同时，“在每个装有乘员约束装置的座椅上加载，加载质量为：每个成员质量的50%”，这一规定已于2015年7月正式实施。法规要求的具体试验方法如下。

1.1 基本试验

将悬架锁止的客车车身置于可倾斜的平试验台上，对于装有乘员约束系统的客车而言，按照整车总有效质量（车辆空载质量与乘员质量的一半）加载，再慢慢将试验台倾斜到一个不稳定的平衡位置，开始试验。客车车身从试验台翻转碰撞到平整坚硬的水平面上，直至客车结构不再发生变形，试验结束。试验过程如图1所示。

1.2 车身段侧翻试验

要求所测试的车身段必须是具有代表性的，车身段至少有两个隔间，其中一个位于整车纵向质心的前部，一个位于整车纵向质心的后部，并且还要包含结构强度最弱的隔间，质量最大的隔间和生存空间要求最苛刻的隔间。车身段的配重应能反应车身段的能量吸收能力，重心位置应与整车重心相同。车身段侧翻试验过程与基本试验过程相同。

1.3 根据测试部件进行准静态计算

设定一个负荷承受体，应该包括塑性变形区和塑性铰链，并且上部结构应与实车尺寸相同。试验开始时，要保证加载板与上部结构的接触位置，保证载荷的传递正确。作用载荷应与车辆的垂直纵向中心面有一个夹角a，

1.4 计算机模拟整车侧翻试验

建立数学模型，其总质量和质心位置应与试验车辆一致，质量分布也应与试验车辆相同。测试的主要部位为车身骨架的两侧接头位置对其施加静态或动态载荷，测试数学模型的变形或破坏。评价的标准为乘员的生存空间是否被侵入，生随着有限元技术的不断发展，在设计阶段采用有限元方法不但可以缩短设计周期、减少成本，还有良好的重复性和适应性。

2 基于封闭环侧翻特性的客车车身优化设计

矩形截面闭口薄壁梁是组成客车车身结构的常用杆件形式，在截面周长和材料不变的情况下，薄壁梁的高宽比和板厚是决定其性能的主要参数，这两个参数的变化直接影响薄壁梁的受力特征和轻量化效果，进而影响整车的碰撞安全性能。

在材料力学角度，考察薄臂梁在弹性阶段的抗变形能力的两个性能指标是弯曲刚度和扭转刚度，这两个指标表示梁在承受弯曲载荷和扭转载荷时在弹性阶段抗变形的能力。车身在瞬间遭受重大载荷时，变形会超出弹性阶段进入到非线性变形阶段，通常采用三点抗弯试验和轴向抗压试验这两种测试方式考察薄壁梁径向和轴向两个方向的最大压溃力。

在封闭环结构中，用侧窗立柱在纵向平移取代侧围中立柱，从而在上部结构形成闭环形式。由于这种结构的改变，侧围立柱数目由8根变为9根。相关的侧围斜支撑结构也作对应的改变。

弯曲压溃模式主要产生在侧围中立柱与舱门立柱焊接的部位，而侧窗立柱中没有形成塑性铰。这种变形机制源于中立柱和侧窗立柱横截面尺寸和材料等级的差异。根据Kecman提出的矩形截面薄壁管弯曲理论，方管最大弯曲强度受薄壁截面受压翼弹性屈曲控制，或者受相对较薄材料屈服控制。对于宽度为a，高度为b，厚度为t的截面薄壁管，受压翼的临界应力为：

客车侧围的中立柱和侧窗立柱的型材规格分别为50mm×40mm×3mm和60mm×40mm×3mm，材料分别为Q235和Q345。从而可以计算出各自的最大承载弯矩，即侧窗立柱最大承载能力大约为中立柱的3.14倍。在侧翻过程中，作用到上部结构的冲击载荷首先是的中立柱弯曲压溃。除此之外，由于舱门立柱上端与中立柱焊接，起到加强件的作用，使得该处存在着强度的突变，容易触发中立柱的弯曲变形。

合理选用材料能有效提高杆件的抗弯变形能力和压杆稳定性，常见的一种材料改进方法：原中立柱、腰梁、顶盖横梁均采用屈服极限为235MPa、强度极限为420 MPa的低碳钢Q235，将变形较大部件的材料更换为屈服极限为355 MPa、强度极限为510 MPa的高强度钢W510。合理选择截面形状，窗立柱截面如图3。

其抗弯截面系数：

由式可知：提高杆件的抗弯变形能力和压杆稳定性可以通过增加壁厚、调整截面形状等方法来实现。

根据封闭环矩管截面尺寸、材料、侧围立柱下部结构、完整性和布置数量等因素对客车侧翻安全的影响，客车封闭环主要设计以下内容：

①侧围立柱截面尺寸采用60mm×40mm×3mm整车侧翻性能优于截面尺寸为50mm×40mm×3mm，但侧围立柱截面尺寸采用50mm×40mm×3mm的10米级公路客车也可以满足侧翻法规要求。

②封闭环结构材料采用510L的侧翻性能优于Q345，Q345优于Q235，并且10米级公路客车封闭环结构材料采用510L和Q345均能满足侧翻法规要求。

③侧围立柱下部为斜支撑加强结构与腰梁下移结构的整车侧翻性能接近，均大幅优于无下部加强结构。

④合理的设计侧围立柱下部结构，如斜支撑加强结构，可以保证不完整封闭环结构达到完整封闭环结构侧翻性能。

⑤前、后围龙门口处采用双封闭环结构，整车侧翻能力大大提升。

⑥10米公路客车采用6道封闭环结构可以满足侧翻法规要求。

3 结束语

通过本文对当前我国客车侧翻研究现状的简单介绍，确定了基于封闭环侧翻特性的客车车身优化设计，希望能对我国10米公路客车车身设计与优化研究起到一定的帮助，保障乘客出行的生命安全。

参 考 文 献

[1] 阮诚心（NGUYENTHANHTAM）.基于侧翻碰撞安全性的客车车身改进设计及乘员损伤研究[D].湖南大学，2012.

[2] 周鑫美.基于侧翻安全性的客车骨架设计研究[D].华南理工大学，2010.