混合动力客车侧面耐撞性分析

混合动力客车侧面耐撞性分析

骆康春

珠海广通汽车有限公司，广东省珠海市， 519000

摘要：随着社会的发展和经济水平的提高。作为传统燃油客车向纯电动客车的过渡，混合动力客车具有两者的优点，既具有纯电动客车低速的燃油经济性和平顺性，又保持了燃油客车的续航里程。然而在结构防撞性上与纯电动客车保持一致，在保证乘员不受车身结构变形的伤害，同时也要防止电池系统受到碰撞与挤压，发生短路、泄露、爆炸等危险事故。

关键词：混合动力客车；侧面耐撞性

引言

城市客车作为一个城市重要的交通工具，在这个提倡节能减排的时代，乘坐城市客车已经成为普通市民平时出行必不可少的方式。普通城市客车在设计时必须拥有较大的空间，以搭载一定数量的乘客，因此一旦发生交通事故，较大的冲击力很容易对车内乘员造成受伤。研究表明，在所有汽车相关事故中，正面碰撞事故发生的情况是最多的，约占50%。由于平头客车多由衍架结构搭接且前部吸能能力较弱，因此在发生正面碰撞事故时较大的冲击力和变形会大大增加车内乘客的受伤概率。为改进客车正面碰撞安全性，国内有学者对客车变形较大区域进行拓扑优化研究，降低主要变形区域的碰撞加速度；也有学者通过对客车关键区域增加加强梁的方式来降低碰撞时的加速度；还有学者在保证车身结构完整的条件下在车身前端增加吸能结构，目的是增加前端吸能量的同时降低碰撞加速度，以此减少传递到车内的冲击力，保护驾驶员及前排乘客的生命安全。

1正碰有限元模型的建立

该型混合动力客车为半承载式结构，车身与车架柔性连接，发动机、电机后置，动力电池顶置。在对客车建模时，根据分析的特点，对客车结构进行适当简化。为得到准确结果，通过CATIA建立简化后的三维几何模型，然后导入Hypermesh中进行划分网格，定义材料属性，确定计算参数，完成有限元模型的建立。

2混合动力客车侧面耐撞性分析

2.1混合动力客车有限元模型

该混合动力客车底盘结构为半承载式底盘，底盘是组合式大梁结构。车体车身骨架与底盘刚性连接，形成闭环结构，与底盘一起承担弯曲和扭转载荷，电池系统安置在车顶的后部。由于主要研究该混合动力客车的骨架，在保证能够表现出车身各构件的真实力学特性的前提下，提高仿真精度并减少计算时长。结合该车型的结构特点以及有限元仿真的相关简化原则，对该混合动力客车进行适当简化。用等质量点的形式代替非承载件和装饰件，如仪表、座椅、车身蒙皮、挡风玻璃、车门等；对于工艺结构件，如部件工艺圆角、工艺安装孔、垫片、较小的螺栓孔等进行省略。随后，将模型导入HyperWorks中进行网格划分、网格质量检查、部件连结、材料属性的赋予等前处理工作。该混合动力客车车身骨架结构大多采用闭口矩形管的薄壁结构，薄壁构件的形状相对较为规则，可以较为方便地抽中面，因此本次建模单元类型采用壳单元，不仅能够具有较高的精度，还能够大大节约资源。在侧面碰撞中，混合动力客车的前部和后部变形较小甚至基本不变形，中部区域变形较大。因此为了兼顾仿真结果的可信度和提高计算效率，在碰撞的接触区域选取单元尺寸为10mm的网格，其他部位网格尺寸为15-20mm。最终客车骨架有限元模型的网格总数为1041802个，节点个数为1054563个，其中三角形单元为3632个。三角形单元过多会使得车身骨架的刚度有所增加，不能够真实反映车身骨架的耐撞性能，从而造成结果偏差过大，本次建模中三角形单元占比不足总单元数量的0.4%，满足不超过5%的要求。

2.2仿真分析结果与模型验证

大客车耐撞性主要考核驾驶员生存空间以及乘客区第一排的乘员伤害，故整车碰撞中的前部变形和加速度波形是重点。本文主要通过对比碰撞中前部变形、驾驶员生存空间以及前部加速度来验证CAE模型。①前部变形。大客车前部变形较大，尤其在前轴之前的结构，蒙皮以及前挡玻璃均损坏，第一侧窗玻璃破损，其他侧窗玻璃完好。仿真分析的总体变形模式与实车碰撞较为接近。②驾驶员生存空间。试验中很难测得驾驶员生存空间的最大侵入量，只有通过查看碰撞结束后方向盘上的油漆是否与泡沫假人发生接触，并测量此刻方向盘以及转向管柱与泡沫假人的距离。本次试验的泡沫假人被方向盘压缩，可以判断驾驶员生存空间已经被侵入。仿真分析则可定位最大侵入时刻，本次仿真分析得知方向盘z方向侵入25mm、x方向侵入86mm。

2.3车身运动状态分析

根据碰撞动画可以看出，在两车发生接触时，混合动力客车侧围发生一定变形，随着碰撞过程的深入，混合动力客车侧围骨架损伤进一步增加并达到峰值，随后两车发生分离，侧围部件开始发生一定回弹，由于地面摩擦力的存在，两车逐渐停止。①该混合动力客车侧围骨架变形并不严重，侧围部件并未严重侵入乘员舱，车体并未发生严重损伤；②MPV的前部部件发生一定变形，可见混合动力客车的侧围具有一定的刚度，碰撞能量一部分被侧围部件吸收，一部分由侧围立柱和底架转移至车身骨架其他部件，能够很好抵抗MPV碰撞载荷；③随着碰撞时间的推移，在120ms后，MPV与混合动力客车分离，车身骨架发生一定回弹，由于该混合动力客车质心位置处于中后部，所以车身前部质量较后部轻，车头发生一定偏移，随后在地面摩擦力的作用下，两车逐渐停止；④通过对碰撞结束后混合动力客车变形程度的分析，车身骨架变形较小，地板并未发生明显凸起或凹陷，乘客座椅不会发生倾斜，整个过程侧围部件很好的吸收并传递载荷，有效的保护了车内乘员的安全。

2.4加速度分析

碰撞加速度是衡量整车碰撞性能好坏的重要指标之一，碰撞加速度过大，传递到客车上乘员的加速度值也会大，碰撞性能较差，乘员会因为受到较大的加速度冲击而受到伤害。本文研究的混合动力客车不包含假人及乘员约束系统，不能直接研究正碰条件下对人体的损伤情况，故通过质心以及驾驶室座椅地板中心加速度的变化间接评价客车正面碰撞的安全性，仿真分析后的加速度曲线都通过SAE60Hz滤波处理。

2.5确定优化区域

由于碰撞变形区域集中在客车前部，因此可以将客车变形区域分成吸能区和吸能控制区，其中吸能区为前围至底骨架前端横梁之间的区域。为了保障驾驶员和乘客的安全，在确定优化区域时首先考虑吸能区应能吸收更多的能量。对于乘用车及一部分商用车而言，通常都会在车身前端安装一定数量的吸能结构用于提高其正面碰撞安全性。吸能结构在发生碰撞时能产生有效的轴向压溃，并且在客车吸能控制区发生明显变形之前吸收一部分能量，从而使吸能控制区所受的冲击力变小，有效地保护车内驾驶员及乘客的安全。由于客车前围与后部各总成的连接主要通过左右侧围的立柱相连，而与底骨架之间并没有直接相连，同时底骨架和前围之间没有设置吸能结构，因此最终将优化区域设置为底骨架前端横梁前侧与前围之间的区域。

2.6乘员舱侵入量分析

混合动力客车发生侧面碰撞事故时，由于其侧面缺少吸能部件和缓冲空间，车身侧围容易发生较大变形，从而挤压车内乘员的生存空间，使得乘员容易与车身骨架内部部件发生碰撞而造成伤亡。因此对乘员生存空间的考察也是评价该混合动力客车侧面碰撞安全性的重要指标之一。

结语

该客车进行正面碰撞的仿真分析，分析结果表明:碰撞后驾驶室变形较大，车门变形严重，驾驶室座椅地板中心加速度过大，整体碰撞性能较差。因此，提出增加环切槽及防撞梁结构的改进方案，有效地提升了客车缓冲吸能特性，减小了车身前部变形，增大了驾驶员的生存空间，同时降低了碰撞加速度，改善了混合动力客车整体的碰撞安全性能。

参考文献

[1]韦宁.混合动力客车骨架侧碰的仿真与分析[D].湖北汽车工业学院,2017,11.

[2]郜效保.微型纯电动汽车电池包结构设计与碰撞安全性研究[D].湖南大学,2016,5.