客车侧翻结构安全性能试验和优化研究*

高轶男， 巩建强

(1.招商局检测车辆技术研究院有限公司 国家客车质量监督检验中心， 重庆 401329；2.交通运输部公路科学研究院， 北京 100088)

随着道路交通网络的迅猛发展和道路旅客运输量的快速增加，涉及客车的道路交通事故时有发生。客车的道路交通事故形态包括碰撞、碾压、侧翻、坠车、失火等，其中侧翻事故发生概率较小，但其造成的伤亡程度远高于其他事故，研究客车侧翻结构安全性能对评价客车被动安全性能、降低道路交通事故人员伤亡和财产损失具有重要意义。Yamaguchi G. T.等分析了整车宽高比对侧翻安全性能的影响；Cruz M. G. H.等对比分析了材料属性对侧翻安全性能的影响；Ko H. Y.等研究了骨架蜂窝结构对侧翻安全性能的影响；何汉桥等建立客车车身结构有限元模型，分析了高床大客车的侧翻安全性能。客车侧翻结构安全性能研究方法主要有试验法和有限元仿真分析法，目前的研究主要基于有限元仿真分析法开展，虽然能实现对侧翻结构安全性能的有效分析，但缺乏试验验证。为此，该文采用试验法，通过同系列车型整车上部结构强度试验验证影响客车侧翻结构安全性能的因素，实现对其全面可靠的评价，并对客车侧翻结构安全性能进行优化。

1 侧翻试验及评价指标

客车侧翻结构安全性能主要通过客车上部结构强度试验进行考察。国际上最具代表性的是联合国欧洲经济委员会ECE R66法规《关于大客车上部结构强度认证的统一技术规定》。中国根据ECE R66法规01版及其修订单、勘误单，制定GB 17578—2013《客车上部结构强度要求及试验方法》，对客车上部结构强度的技术要求及试验方法作出规定。

按照GB 17578—2013的规定，在侧翻试验台上进行客车上部结构强度试验。侧翻试验台从客车稳定位置开始以不大于0.087 5 rad/s的角速度倾斜到不稳定的平衡位置后，客车围绕车轮-侧翻试验台平面接触点翻转至撞击平面(见图1)，将侧翻后留给车内乘员的生存空间作为评价指标考察客车上部结构强度。车内乘员生存空间表示侧翻事故发生后维持车内乘员生命的最小空间(见图2)。

图1 客车上部结构强度试验示意图

图2 车内乘员生存空间(单位：mm)

2 侧翻结构安全性能影响因素

客车上部结构强度试验考察客车侧翻过程中车身骨架结构强度，其中侧围及顶盖骨架为主要受力区域。参与受力的骨架结构主要由侧围窗立柱、腰梁及顶盖纵梁组成，其结构形式可视为梁结构，在侧翻过程中主要承受弯曲应力，可通过降低梁结构承受的最大弯曲应力提升客车侧翻结构安全性能。梁结构的最大弯曲应力为：

(1)

式中：σmax为梁结构最大弯曲应力；Mmax为梁结构最大弯矩，按式(2)计算；W为梁结构抗弯截面系数，按式(3)计算；[σ]为梁结构所用材料的最大许用应力。

(2)

式中：q为施加在梁结构的载荷；l为梁结构长度。

(3)

式中：b为截面承载面的宽度；h为截面非承载面的宽度。

综上，可通过减小梁结构最大弯矩或增加梁结构抗弯截面系数降低梁结构承受的最大弯曲应力。最大弯矩的影响因素是梁结构载荷和长度，抗弯截面系数的影响因素是梁结构截面形态，其中抗弯截面系数较易改变。

2.1 截面形态

在其他因素不变的前提下，梁结构的抗弯截面系数越大，抗变形能力越强。因此，可通过调整车身骨架梁结构截面尺寸及形态改变其抗弯截面系数，提高侧翻结构安全性能。最常用的车身骨架梁结构是矩形薄壁型钢结构，其抗弯截面系数W0为：

(4)

式中：B为客车与刚性面发生碰撞的梁结构截面外表面宽度；H为梁结构截面非碰撞外表面宽度；b为梁结构截面碰撞内表面宽度；h为梁结构截面非碰撞内表面宽度。

2.2 薄壁型钢结构厚度

根据式(4)，在骨架梁结构外表面宽度H、B不变的情况下，可通过减小内表面宽度h、b增加抗弯截面系数，提升客车侧翻结构安全性能。因此，从理论上看，适当增大车身骨架梁结构的薄壁型钢结构厚度可增强客车侧翻结构安全性能。

2.3 材料属性及其力学性能

根据式(1)，梁结构的最大弯曲应力应不大于材料的许用应力。当材料的许用应力提升时，梁结构抗变形能力增强，其所承受的最大弯曲应力可适当增加。因此，理论上，车身骨架梁结构的材料属性及其力学性能是影响侧翻结构安全性能的本质因素，其强度直接影响车身骨架梁结构在侧翻过程中的弯折程度及乘员生存空间大小。车身骨架梁结构主要采用钢制材料，材质主要为低碳钢、合金钢、高强度马氏体钢等，其中低碳钢及合金钢最常用，主要包括Q235、Q345等。

3 侧翻试验结果及优化分析

利用试验法对客车侧翻结构安全性能影响因素进行验证。以理论上对侧翻结构安全性能产生影响的车身骨架梁结构截面形态、薄壁型钢结构厚度、材料属性及其力学性能等3个因素作为控制变量，在仅改变控制变量，不改变基本属性参数、骨架结构形式等的情况下进行客车上部结构强度试验。共进行6次试验，包括3个组别，每个组别进行2次试验。每个组别的试验采用相同系列客车，除需考察的控制变量外，车身骨架等主要变形部件结构及车辆基本属性等参数均保持一致或相似。

3.1 截面形态对侧翻结构安全性能的影响

针对同系列客车，在车身骨架等主要变形部件结构及车辆基本属性等参数一致或相似的情况下，改变骨架梁结构截面尺寸进行上部结构强度试验(试验1)，试验客车的基本参数见表1。

表1 试验1中试验客车的基本参数

按式(4)计算，客车1、客车2的车身骨架梁结构抗弯截面系数分别为3.3×103、4.0×103。理论上客车2在侧翻过程中承受的最大弯曲应力低于客车1，侧翻后保留给车内乘员的生存空间应更大。

试验1的试验结果见表2、图3。客车2在侧翻后的乘员最小生存空间大于客车1，生存空间提升12.12%，与理论推测相符。可见，可通过改变车身骨架梁结构截面形态提升抗弯截面系数，降低侧翻过程中梁结构承受的最大弯曲应力，改善客车侧翻结构安全性能。

表2 试验1中试验客车乘员生存空间情况

图3 试验1中试验客车侧翻后车身骨架变形情况

3.2 薄壁型钢结构厚度对侧翻结构安全性能的影响

针对同系列客车，在车身骨架等主要变形部件结构及车辆基本属性等参数一致或相似的情况下，改变骨架梁结构的薄壁型钢结构厚度进行上部结构强度试验(试验2)，试验客车的基本参数见表3。

表3 试验2中试验客车的基本参数

客车4的车身骨架梁结构的薄壁型钢结构厚度大于客车3，按照理论计算，客车4的抗弯截面系数大于客车3，在侧翻后保留给车内乘员的生存空间应更大。

试验2的试验结果见表4、图4。客车4在侧翻后的乘员最小生存空间大于客车3，生存空间提升44.32%，与理论推测相符。可见，可通过增大车身骨架梁结构的薄壁型钢结构厚度提升抗弯截面系数，降低侧翻过程中梁结构承受的最大弯曲应力，改善客车侧翻结构安全性能。

表4 试验2中试验客车乘员生存空间情况

图4 试验2中试验客车侧翻后车身骨架变形情况

3.3 材料属性及其力学性能对侧翻结构安全性能的影响

针对同系列客车，在车身骨架等主要变形部件结构及车辆基本属性等参数一致或相似的情况下，改变骨架梁结构材料属性及其力学性能进行上部结构强度试验(试验3)，试验客车的基本参数见表5。

表5 试验3中试验客车的基本参数

如表6所示，Q345的屈服强度及拉伸强度优于Q235，按照理论计算，客车6所用车身骨架梁结构材料属性及其力学性能优于客车5，在侧翻后保留给车内乘员的生存空间应更大。

表6 试验3中试验客车车身骨架梁结构材料属性及其力学性能

试验3的试验结果见表7、图5。客车6在侧翻后的乘员最小生存空间大于客车5，生存空间提升126.32%，与理论推测相符。可见，可通过改变车身骨架梁结构材料属性及其力学性能，使用高强度钢，提高其最大许用应力及抗变形能力，改善客车侧翻结构的安全性能。

表7 试验3中试验客车乘员生存空间情况

图5 试验3中试验客车侧翻后车身骨架变形情况

3.4 侧翻结构安全性能优化

通过理论分析及3组试验验证，车身骨架梁结构截面形态、薄壁型钢结构厚度、材料属性及其力学性能均会对客车侧翻结构安全性能产生一定影响。可通过如下方式优化客车侧翻结构的安全性能：

(1) 调整车身骨架梁结构截面形态，提升抗弯截面系数。适当增加与刚性面发生碰撞的梁结构截面外表面宽度，提升抗弯截面系数，改善侧翻结构的安全性能。

(2) 增大车身骨架梁结构关键部位的薄壁型钢结构厚度，提升抗弯截面系数。适当增大关键部位及应力较大区域薄壁型钢结构厚度，在质量变化不大的情况下改善侧翻结构安全性能。

(3) 改变车身骨架梁结构所用材料属性及其力学性能，提升侧翻结构安全性能。改变材料属性及其力学性能是侧翻结构安全性能优化最有效且最本质的方式，材料属性及其力学性能对侧翻结构安全性能的改善程度最大、效果最明显。

4 结论

(1) 提升车身骨架梁结构抗弯截面系数或增加材料许用应力，可改善客车侧翻结构的安全性能。

(2) 调整车身骨架梁结构截面形态、增大关键部位薄壁型钢结构厚度、改变材料属性及其力学性能，可增加抗弯截面系数或材料许用应力，提高车身骨架抗变形能力，提升客车侧翻安全性能。

(3) 改变材料属性及其力学性能是改善客车侧翻安全性能最有效且最本质的方式，侧翻后其最小生存空间提升126.32%；其次是增大薄壁型钢结构厚度及调整车身骨架梁结构截面形态，侧翻后最小生存空间分别提升44.32%、12.12%。