公交车上部结构强度（侧翻）分析与试验*

王先君



公交车上部结构强度（侧翻）分析与试验*

王先君

（厦门金龙旅行车有限公司，福建 厦门 361006）

2017年，亚洲开发银行(Asian Development Bank)向巴基斯坦提供援助贷款，发展白沙瓦快速公交系统（Bus Rapid Transit），以此来改善当地城市公共交通。2018年5月，车辆供应商需要按照要求提供车辆设计方案，要求中涉及到“车身结构需要符合侧翻标准（ECE-R66）”。亚洲开发银行专家组要求车辆供应商需要对所提供的公交车上部结构强度依据ECE-R66进行侧翻仿真，并提供相应的分析试验报告。2018年12月，车辆供应商提交的报告经项目专家组审核通过。目前成品车已经在向巴基斯坦白沙瓦按照合同分批交付。

公交车侧翻；仿真；上部结构；公交车安全

前言

随着全世界各地，特别是发展中国家的城市化进程日趋加速，城市交通问题也同其它“城市病”一起变得越来越引起各国的重视，亟待解决。为改善城市交通状况，提高民众幸福感，现阶段发达国家或地区普遍在发展轨道交通。鉴于轨道交通存在投资大、周期长和运营成本高等诸多因素，当今很多发展中国家会通过发展快速公交系统（BRT）来改善城市公共交通，缓解交通压力。BRT系统就是采用传统公交车，运用现代智慧交通系统（ITS）[1]，结合BRT专用车道（Lane）和类轨道交通的公交站台，来实现类轨道交通[2]的公共交通服务系统。该系统投资相对较小，成效却很显著，是发展中国家的明智、经济的发展选择。但公交车安全问题也一直是人们致力于设法解决或完善的课题，其中侧翻事故是顽疾，它所造成的交通事故约占所有事故的10%，伤亡率却高达52%[3-4]。

为了降低客车侧翻事故的伤亡率，许多国家制定了关于客车侧翻碰撞安全性的法规。如，中国的法规GB/T 17598、澳大利亚的法规ADR 59/00和南非的法规SANS 1563[4]，当然最具代表性的是欧洲的法规ECE R66[5]，ECE R66内容到目前为止也是被引用最多的法规。本项目亚洲开发银行专家组在评价车辆侧翻安全性要求时，也是引用了该法规。本文也就是依照ECE R66法规要求进行了公交车动态侧翻过程的仿真，评价设计车辆上部结构的变形及变形量侵入乘员生存空间的状况，以此来判定公交车的安全性是否满足要求，这也是ECE R66实施过最常用的验证方式[6]。

1 应用软件

在本次分析中，主要使用了HyperMesh前处理器、Hyper View后处理器和LS-DYNA求解器。

2 模型建立

2.1 生存空间

法规中对整车生存空间的定义：车辆生存空间的外轮廓通过在车厢内建立一个垂直横截面进行确定，其边缘如图1（a），将此垂直横截面移动穿过整个车长见图1（b），SR点位于外侧每个朝前或朝后的座椅靠背前表面，距离乘客脚下地板500 mm（这里不考虑发动机舱等引起的地板高度局部变化），距离侧围内表面150 mm[7]。

图1 生存空间定义（单位：mm）

2.2 整车模型信息

整车结构件采用板壳单元进行离散，尽可能采用四边形板壳单元来模拟，为满足高质量网格的过渡需要也会采用少量三角形单元[8]；焊点采用rigid单元模拟；骨架材料为Q345和Q235，采用*MATL24本构模型进行模拟。整车有限元模型如图2所示。整车初始位置质心坐标（7499.036mm，-1.88086mm，841.7993mm）。

图2 整车有限元模型

3 边界条件

3.1 临界侧翻角的确定

以较弱一侧进行侧翻仿真试验，以下计算过程示例（右侧侧翻）。整车放置于可倾斜的侧翻平台上，将悬架锁止，再慢慢地倾斜到一个不稳定的平衡位置。“临界侧翻角”是指车辆停放在一定角度的坡道上保持平稳而不发生侧翻的最大坡道角。

整车初始位置（图2）：质心坐标（7499.036mm，-1.88086 mm，841.7993mm）；

整车失稳位置（图3）：质心坐标（7499.036mm，1219.291 mm，1384.621mm）；

在失稳位置，车辆质心至地面的高度h1为2545.002mm。临界侧翻角为47.932deg。

图3 失稳位置示意图

3.2 侧翻过程中车辆质心垂直位移的确定

初始碰撞位置（图4）：质心坐标（7498.405mm，2670.36mm，514.3863mm），此时整车质心至地面的高度h2为1674.7673mm，跌落高度为：Δh=h1–h2= 870.2347mm。

图4 初始碰撞位置

3.3 初始碰撞位置的动能及角速度计算

整车从失稳位置至地面初始碰撞的过程中，仅由重力做功，整车与地面初始碰撞时刻的动能由势能转换所得。

根据能量守恒定理，临界侧翻时刻动能加上重力势能等于接触地面时刻动能加上重力势能，即：

其中，EK为接触地面时刻动能（约144.78kJ），m为总质量22595kg，J 为整车转动惯量，0为临界侧翻时刻角速度0.87 rad/s，1为接触地面时刻角速度。

由LSDYNA计算可得，整车转动惯量J为92252.86。代入公式1，可得触地时的角速度1=1.771rad/s。车身与地面的摩擦系数，取用0.7。

4 分析结果

4.1 能量曲线

整车右侧侧翻能量变化曲线如图5所示。沙漏能（Hour glass Energy）为总能量的0.22%，滑移能（Interface Energy）为总能量的1.4%，能量变化在合理的范围内。

图5 能量曲线

4.2 侧翻历程

图6 右侧侧翻历程

4.3 乘员生存空间评价

在公交车侧翻过程中，顶盖最先与地面发生接触，随着时间的增加，公交车车身侧围立柱逐渐发生变形。根据相关法规的要求，对仿真计算结果中车辆立柱对生存空间的侵入情况进行测量[9]。在这个过程中，主要考察侧围立柱的变形是否侵入生存空间，由于客车车身侧围各部位立柱的变形量不同，因而分别考察各位置的侧围立柱从计算开始时到计算结束过程中与生存空间的最小距离。

图7 测量点示意图

如图7所示，生存空间顶点P1水平投影到侧围立柱表面得到投影点P2，测量P1到P2的距离D1。按照法规要求整车侧翻试验过程中和侧翻后，生存空间之外的车辆其他部件，不得侵入生存空间，即D1必须大于0 mm。从侧围所有立柱（编号A~G）上分别选取上测量点，如图8所示，测量侧围立柱的变形是否侵入生存空间，其结果如表 1 所示。

图8 侧围立柱示意图

右侧侧翻，在右侧围A~N柱及生存空间取测量点，测量点间距随侧翻时间曲线如图9所示。

图9 侧围立柱与生存空间间距曲线

表1 侧围立柱侵入量

由表1可得，侧围立柱均未侵入生存空间，并且具有一定的安全余量，侧围N立柱生存空间余量最小，最小余量达到234mm。

5 结论

基于ECE R66法规要求对该项目设计公交车上部结构强度仿真分析，根据仿真结果，侧围立柱均未入侵乘员生存空间，并且具有一定的安全余量，车身结构满足法规及项目要求。

[1] 北京交通大学经济管理学院.运输经济与物流评论第1辑[M].北京:中国经济出版社.2010.07.

[2] 吴晓,邱欣,施俊庆.交通运输设备[M].北京:人民交通出版社, 2015.02.

[3] Parker D.K, Ray R.M, Moore T.L.A, et al. Rollover severity and occupant protection a review of NASS/CDS data [J]. SAE Technical Paper 2007-01-0676,2007.

[4] 洪汉池,黄洪武.客车侧翻碰撞中安全带对乘员损伤的影响分析[J], 重庆大学学报, 2016.6.

[5] ECE R66 E/ECE/324 Rev.1/ Add.65/ Rev.1. Uniform technical presc riptions concerning the approval of large passenger vehicle with reg -ard to the strength of their superstructure[S]. United Nations,2006.

[6] 刘正愚,刘志宇.客车侧翻试验[J].四川兵工学报,2010(12).

[7] 中国汽车技术研究中心标准化研究所.汽车标准汇编2013上[S], 北京:中国标准出版社, 2015.03.

[8] 李彩霞.面包车白车身结构分析[J],机械强度, 2016.

[9] 梁卓,吴磊,沈光烈,等.壳式客车侧翻安全性仿真及其设计研究[J]. 广西科技大学学报,2016,27(4).

Analysis and Test of City Bus Superstructure Strength (Rollover Simulation Test)*

Wang Xianjun

（Xiamen Golden Dragon Bus Company Limited, Fujian Xiamen 361006）

In 2017, Asian Development Bank (ADB) provided assistance loan to Pakistan for developing a Bus Rapid Transit system (BRT) in Peshawar, in order to improve local urban public transport. In May 2018, the vehicle supplier was required to provide vehicle design proposal as per requirements, which involve "The structure shall meet the compliance standards for the rollover test stipulated through Regulation 66 of the United Nations Economic Commission for ECE-R66". The ADB expert team required the vehicle supplier to carry out rollover simulation on the strength of the city bus superstructure according to ECE-R66 and provide corresponding Analysis and Test report. In December 2018, the report provided by the vehicle supplier was approved. At present, the finished vehicles have been delivered to Peshawar, Pakistan in batches according to the contract.

City Bus Rollover; Simulation; Superstructure; City Bus Safety

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.10.051

U467

A

1671-7988(2019)10-147-04

U467

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1671-7988(2019)10-147-04

王先君（1981.10-），男，工程师，就职于厦门金龙旅行车有限公司，主要从事客车产品客户需求研究。

亚洲开发银行融资援助巴基斯坦项目（Loan Number 3543-PAK）。