基于正面碰撞的客车备胎支架优化

王 煜

(安徽安凯汽车股份有限公司， 合肥 230051)

备胎支架即固定备胎的装置，其基本作用是使备胎固定不发生脱落，同时有足够的刚度和强度[1]，要求结构简单、安全、可靠。本文所述的客车备胎支架设计在底架前端，除了要满足以上基本作用外，为提高客车被动安全性，还考虑其在客车发生正面碰撞时起到的被动安全作用[2-3]。本文利用LS_DYNA对客车进行正面碰撞仿真模拟，重点评估备胎支架在客车正面碰撞过程中起到的被动安全作用，并结合客车本身结构特点提出相应的优化方案。

1 仿真模型建立及边界条件设置

1.1 仿真模型建立

根据CAE模型简化原则，对该客车的三维数模进行相应简化，然后进行前处理网格划分[4-5]。

本文主要研究对象是备胎支架，网格划分时需详细些，其结构如图1所示。备胎支架结构简单且规则，有限元建模采用抽取中面后对其进行类型为shell的2D单元的网格划分，检查网格质量满足标准后进行连接处理。同侧U型管之间、U型管与封板之间均采用共节点融合方式进行连接，矩形管横梁与U型管之间均采用1D刚性单元RigidBody进行连接[6]。网格连接完成后进行材料与属性的赋予，其中U型管和封板的材料为510L钢，矩形管横梁为Q345钢。

图1 备胎支架结构

除去备胎支架后的整车骨架中，对于厚度小于10 mm的矩形管和钢板采用2D壳单元网格划分，对于厚度大于10 mm的则采用类型为solid的3D实体单元网格划分。动力总成、前桥、后桥、空调等较复杂的装配部件采用表面网格划分，然后进行厚度中心偏置。因本文主要研究备胎支架的设计合理性，故内外蒙皮、玻璃、座椅等对其影响较小的部件不作网格划分处理，在随后的整车配重中均以集中质量点代替。

整车骨架中，矩形管拼接为“T”型的主要采用共节点融合连接方式；不能形成“T”型拼接的如平行并管则采用1D刚性单元RigidBody连接；矩形管与钢板之间连接采用1D_spot中的beam单元，类型为mat100。各零部件之间的运动副采用与实际运动状态一致的铰链进行连接；动力总成、前后桥、空调、前中门等主要装配部件与整车骨架利用关键字*CONSTRAINED_RIGID_BODIES进行连接[7]。

将划分好的备胎支架网格和整车骨架网格按结构设计连接为一个整体后，对于内外饰、电器等零部件采用在骨架上均布质量点的方式进行配重，对于动力总成、前后桥、空调等装配部件采用集中质量点的方式进行配重，最终使得整车有限元模型与实际车辆的重量相等，且质心一致。包含备胎支架的整车骨架有限元模型如图2所示。

图2 包含备胎支架的整车骨架有限元模型

1.2 边界条件设置

在客车正面碰撞仿真模拟中建立壁障及地面，类型均选择RWPlanar[8]。为减少计算时间，壁障建立在车辆正前方10 mm处。为避免计算过程中出现穿透现象，需对整车相邻结构定义接触设置： *CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE关键字进行整车自接触定义，整车与刚性墙及地面用*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE关键字进行面对面接触定义[9]。根据《客车前部结构强度要求及试验方法》征求意见稿，设定客车以30 km/h的速度撞击刚性墙。为使整车与刚性墙充分碰撞，同时需要看到反弹状态，设置碰撞计算时间为200 ms。每一步输出动画的时间步长为2 ms。其余控制卡片按一般碰撞标准设置[10]。

2 仿真模拟及结果分析

有限元模型建立及边界条件设置完成后，利用LS_DYNA求解器进行求解计算。计算完成后，首先查看各能量曲线以及质量增加曲线，以检查该仿真结果是否可信。经查看能量曲线图得知，总能量曲线稳定，基本保持不变，满足能量守恒定律，沙漏能和滑移能均小于总能量的5%，质量增加小于总质量的5%，由此判断该仿真结果可信[11]。

打开结果文件d3plot，查看客车碰撞过程中的动画效果，发现客车在发生碰撞后130 ms时，开始出现反弹现象。图3为碰撞0 ms和130 ms时备胎支架的状态。由图3(b)可以看出，碰撞后备胎支架U型管Ⅰ和U型管Ⅱ连接处向下变形严重，甚至触及地面，未能起到缓冲以及结构加强的作用，结构也被破坏，不符合设计要求。

(a) 碰撞0 ms

(b) 碰撞130 ms

企业标准对驾驶员伤害值有要求，原始结构伤害值指标见表1中“优化前”的值，优化前驾驶员头部、颈部、大腿伤害值均符合要求，胸部加速度稍大于规定的最大值30g。另外，本企业标准对前围挡板与驾驶员膝盖的X方向距离L1及方向盘中心与驾驶员腹部的X方向距离L2的最小值也有相应规定。经仿真L1、L2最小值分别是259 mm和141 mm，满足企业标准对驾驶员空间的要求。原空间指标见图4中的“优化前”曲线。

表1 优化前后驾驶员伤害值仿真分析结果对比

图4 优化前后L1、L2对比

3 优化措施及效果

根据设计要求，备胎支架除具有放置固定备胎的基本作用外，在客车发生正面碰撞后还应起到缓冲吸能，实现对驾乘人员的保护作用。

由于该客车备胎支架横梁Ⅰ与驾驶员放脚的区域几乎在同一垂直面上的结构特点，所以提出设计要求：

1) 备胎支架横梁Ⅰ前部在客车发生正面碰撞后应迅速溃缩，一是起到缓冲吸能的作用；二是考虑到备胎具有较大的弹性。当备胎支架前部溃缩后，使得备胎能迅速与障碍物接触，从而进一步起到缓冲吸能的作用。

2) 备胎支架横梁Ⅰ后部在客车发生正面碰撞后，应尽量保持结构完整，减少结构破坏，降低人员的伤害。

以上仿真结果中出现的备胎支架U型管Ⅰ和Ⅱ连接处在碰撞过程中向下变形严重，甚至与地面发生了干涉。这会导致碰撞发生后溃缩不足，缓冲吸能作用较小，且造成了结构的破坏。原因有两个：一是备胎支架U型管及封板所用的510L材料刚度强度过大；二是两U型管连接处结构薄弱。

根据备胎支架前后两部分的不同作用，分别进行优化：

1) 备胎支架前部优化。前部进行缓冲吸能优化，此优化主要从前部U型管和封板入手：一是将材料全部由510L更换为刚度、强度较小的Q235[12]；二是将两根U型管Ⅰ的侧面均开3个直径为40 mm的孔；三是将U型管Ⅰ的封板厚度由4 mm改为3 mm。

2) 备胎支架后部优化。备胎支架后部进行结构加强优化，主要通过在备胎支架横梁Ⅰ与横梁Ⅱ之间增加斜撑来加强其结构；并且在U型管Ⅰ和Ⅱ的连接处内侧增加厚度为2 mm的加强板，对连接处结构加强。优化后的备胎支架如图5(a)所示。备胎支架优化后再次进行相同工况的客车正面碰撞仿真，在发生碰撞后130 ms时备胎支架的状态如图5(b)所示。

(a) 优化后备胎支架

(b) 碰撞130 ms时备胎支架状态

经测量，U型管Ⅰ溃缩距离由优化前的209.97 mm增加到优化后的394.17 mm，溃缩量接近优化前的2倍，溃缩吸能效果明显增强。同时由图5看出碰撞中备胎支架后部结构基本无变形，满足设计要求。

对该优化方案的客车驾驶员安全空间也进行仿真分析得知，前围挡板与驾驶员膝盖的X方向距离L1最小值为282 mm，方向盘中心与驾驶员腹部的直线距离L2最小值为195 mm。优化后L1、L2对比如图4中的相关曲线所示。

该优化方案对应驾驶员头部的HIC值、胸部加速度以及大腿作用力均降低，且胸部加速度达到标准要求，具体伤害值见表1，故该优化方案可行。

4 结束语

随着对客车设计要求的不断提高，许多设计构造已经不限于本身的基本作用，如本文所研究的客车备胎支架不单单只为放置固定备胎，而且要考虑到其能发挥被动安全性的作用。本文只针对备胎支架的被动安全性进行分析优化，未涉及到整车轻量化等其他领域，存在一定的不足，但这种全局化的客车设计思路正逐步被客车企业接受。