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大客车车身结构侧翻试验仿真与安全研究

文档作者：查官飞		点击数：	更新时间： 2021年05月09日
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Σ
萋
事
分类号堕垒鱼!曼2
密级
单位代码10618
墨麽交通戈謦
硕士学位论文
论文题目： 大客车车身结构侧翻试验仿真与安全研究
Study on Sim ulation of Coach Body Structure Rollover
Test and Rollover Safety
导师姓名、职称： 邵毅明教授
申请学位门类：
专业名称：
论文答辩日期：
j 学位授予单位：
工学
车辆工程
201 1年6月

重庆交通大学学位论文原创性声明
本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究
工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人
或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，
均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
学位论文作者签名：夕争留影日期：硇，／年石月／口日
重庆交通大学学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保
留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，
可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科
学技术信息研究所将本人学位论文收录到《中国学位论文全文数据库》，并进行信
息服务(包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等)，同时本人保留在其
他媒体发表论文的权利。
学位论文作者签名：葛帽U
-’
日期：_，，年石月／o El
学位论文作者签名：李‰ 指导教师签名：鲫极毋
日期：汐，，{年6月乃日日期：沙I『年6月I勺E1

摘要
摘要
客车行业的飞速发展，大客车保有量增长较快。由于大客车载客量大，“群死
群伤’’特大事故时有发生。侧翻碰撞事故数量虽然只占各类事故总量的4．2％，事
故死亡人数却占各类事故总死亡人数的33％。在大客车侧翻事故中，乘客的伤亡
很多是由于客车骨架的严重变形或者断裂甚至解体坍塌，没有足够的生存空间，
使乘客遭受“二次碰撞"造成的。目前，新版GBfI"17578《客车上部结构强度的
规定》完全按照新版ECE R66进行修订，预计新法规将于今年开始强制性实施，
除了实车倾翻试验，还将纳入包括上部结构强度计算机模拟验证等在内的四种等
效的认证方法。而目前国内大客车侧翻安全性仿真研究较少，尤其是对侧翻结构
安全性的研究才刚刚起步。因此，加深对大客车侧翻车身结构安全性的研究具有
十分重要的意义。
本文对大客车侧翻安全性仿真方法与车身结构侧翻安全性及评价方法展开研
究。以某大客车为研究对象，通过对客车结构特点分析，提出基于侧翻碰撞性能
研究的大客车车身建模方法，利用OptiStruet模拟各常用工况以校核其刚度强度，
分析其自由模态，验证模型的可靠性和有效性。基于能量守恒对仿真试验过程进
行有效简化，利用LS．DYNA求解计算，利用HyperView与LS．PREPOST对结果
进行后处理。根据仿真结果对车体变形、能量变化、碰撞力、生存空间进行研究，
得到该大客车顶部结构及车身立柱腰部强度偏弱，尤其是立柱腰部处出现了较大
的塑性变形，导致了客车上部结构侵入量较大，第二根风窗立柱侵入量达
40．606mm。通过对蒙皮在侧翻碰撞试验中影响程度的研究，得到蒙皮吸能占吸收
总能量的4．1％，可使侵入量减少2．816mm，蒙皮对侧翻车身结构有一定的加强作
用；针对大客车车身结构侧翻安全性薄弱部位变形量较大的问题，初步对顶盖、
侧围、腰梁、斜撑的材料和厚度进行改进，仿真结果表明改进效果明显，达到侧
翻安全性法规要求。针对仿真结果的评价，本文分析了现有的评价方法，并借鉴
一种国外客车上部结构强度的评价方法，经计算该大客车的优。值为1．03，星级评
价结果为★，改进后脚。=0．65，星级评价结果为★★★，该评价方法可行有效。
本文的大客车侧翻安全性仿真试验方法对同类客车进行侧翻安全性仿真研究
有一定参考价值。对车身结构侧翻安全性及评价方法的研究结果，为即将实施的
国家强制性标准和企业进行大客车开发设计及结构改进提供一定的借鉴和参考。
关键词：大客车；侧翻安全性；车身结构；侧翻试验仿真；安全性评价

ABSTRACT
ABSTRACT
With the rapid development of coach industries，the amount of coaches increase
rapidly．ne massive death and injured tra筋c accidents had occurred sometimes owing
to large passenger capacity of the coach．Although the accidents of the rollover crash
take the percent of 4．2 of the total accidents while the mortality is the percent of 33．
During the accidents of rollover crash,many passengers deaths眦caused by serious
distortions of passage coaches skeletons，break and even the ruins．Lacking of enough
residual space，the passengers faced”the second crash”，SO the security of coach mllover
body structural to be solved urgently．At present,the new edition of GB／T1 7578
{Provisions of strength for the superstructure of bus))，according to the provisions new
version of amendment ECE R66 totally．New regulations will be carried out
compellingly this year,except for the test about the crash of the side-rolling whole
coach,the law validates four equivalent certification methods including the computer
simulations on the strength of superstructure．But the researches of security simulation
study less in Our country,especially the research on the security of coaches rollover
body structure starts newly．Therefore，to enhaQce the further study of coach rollover
security of structure is of great significance．
This paper is mainly about the study of the simulative methods on coach rollover
security,the security of coach rollover body structure along with the evaluation．As a
coach for example，by the analysis of the structural characteristics on coach,thus all
idea of the simulative methods on coach based on the study on the function of the
capsizing and collision is had．Using OptiStruct to simulate common conditions，check
its stiffness and intensity,analysis the freedom of the modal condition，and check the
reliability and effectiveness of the model．The study to the process of the simulative
methods has putting forward to a simplified method based on the process of the law of
energy conservation security．Finite element model is calculated、杭tll LS—DYNA and the
post outcome of it is got、Ⅳim HyperView and LS—PREPOST．With the simulation
results，through further study of coach’S distortions，energy’S change，crash force and
residual space，the less strong insensitive structure is the upper and the vertical waist of
the coach．Especially it has a big plastic shapes on the waist of the coach,a large
invasion of the top structure and the invasion of the second windshield pillar is 40．

ABSTRACT
606mm．By the further study of the body skin impact in the rollover crash tests，the
absorption by body skin take a total number of 4．1％，making the intrusion reduce to
2．8 1 6ram．Body skin has a certain strengthened role to rollover body structure．
According to the serious distortions on the weak part of coach body stnlcmre，an initial
improvement have been putting forward to on the upper cover,side panels，waists，
braces the thickness slanting materials and the thickness．The results show that it has an
evident effect and it gets to the demands of rollover security regulations．Intending for
the evaluation of the simulation results，this paper will analysis the present evaluative
methods and use for reference谢ttl廿地forei印evaluative methods on t11e upper
structure intensity and evaluate the rollover test results．The DI t
value of the coach
isl．03；the result ofhigh class evaluation is★，after the improvement the讥=0．65，
lligh class evaluation is★★★，that shows the evaluation is feasible．
This paper towards onto the study on the simulation methods of rollover security
and put a reference to the same kind of coach experiments on rollover simulation．The
result of the study builds a certain foundation to further study of the rollover crash
security and offers references to the national mandatory regulations that will be implemented，
to the design and improvement of coach in large enterprise．
KEY WORDS：Coach；Rollover safety；Body structure；Rollover test simulation；
Safety Evaluation

———————————————————————————————————————————一一
目录
第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯．
目录
1．1大客车侧翻安全性研究背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l
1．2国内外客车侧翻安全研究的现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。4
1．2．1国外客车侧翻研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4
1．2．2国内客车侧翻研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。5
1．3研究意义与主要内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7
1．3．1研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7
1．3．2主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8
第二章客车侧翻碰撞安全性仿真试验基础⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9
2．1客车侧翻碰撞事故特点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9
2．2客车侧翻碰撞安全法规介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l O
2．2．1国外客车侧翻碰撞安全法规⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．10
2．2．2我国客车侧翻碰撞安全法规⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。11
2．3客车侧翻被动安全性研究方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．13
2．3．1客车侧翻试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．14
2．3．2计算机仿真模拟侧翻试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．15
2．4客车侧翻碰撞有限元仿真算法理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯16
2．4．1基本力学模型与控制方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯17
2．4．2时间积分算法及稳定性控制⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．19
2．4．3接触——碰撞截面算法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯21
2．4．4客车侧翻碰撞模拟结构单元⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．22
2．4．5沙漏现象及其控制⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯23
2．5工程软件相关介绍及选用依据⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．23
2．5．1 HyperWorks介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。24
2．5．2 LS．DYNA介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．25
2．6本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯26
第三章大客车车身建模及模型验证⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．27
3．1客车侧翻碰撞仿真研究流程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．27
、
目录
3．2某大客车有限元模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯29
3．2．1大客车车身结构特点概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．29
3．2．2大客车几何模型建立与简化过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．30
3．2．3大客车有限元网格模型建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．32
3．2．4大客车有限元网格模型检查⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．34
3．2．5大客车有限元模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯36
3．3模型工况验证⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．38
3．3．1弯曲工况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．38
3．3．2扭转工况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．40
3．3．3制动工况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。41
3．3．4转弯工况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．42
3．4模型模态验证⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯43
3．4．1大客车车身模态仿真计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯43
3．4．2大客车车身模态评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．45
3．5本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．46
第四章大客车侧翻碰撞试验仿真研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯47
4．1大客车侧翻安全性的试验概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯47
4．1．1客车侧翻安全性标准ECE R66简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．47
4．1．2翻转平台与试验过程的规定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一48
4．1．3生存空间的规定和要求⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯49
4．2大客车侧翻试验台有限元模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯50
4．2．1大客车临界侧翻角的计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯50
4．2．2翻转平台与生存空间有限元模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．52
4．3大客车侧翻动态模拟有限元模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯54
4．3．1单元类型选择与积分点的选取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．54
4．3．2材料属性定义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．55
4．3．3接触定义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一56
4．4大客车侧翻碰撞仿真过程参数设置与控制⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．58
4．4．1基于能量守恒的侧翻安全性仿真试验过程简化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．58
4．4．2边界及约束条件设置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。59
4．4．3计算及输出参数设置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯60
4．5仿真过程及结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯62
4．5．1整车结构变形分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯62

目录
4．5．2立柱变形分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．63
4．5．3碰撞能量分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．65
4．5．4速度响应与碰撞力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．67
4．5．5乘员生存空间评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯69
4．6本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．70
第五章大客车侧翻碰撞安全性研究与模型改进⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．71
5．1侧翻试验评价方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯71
5．1．1现有试验评价方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯71
5．1．2现有仿真评价方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．72
5．1．3基于截断数字模型各PH的上部结构强度评价方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．73
5．2蒙皮对客车侧翻结构安全性的影响分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯75
5．2．1整车模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．75
5．2．2仿真结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．76
5．2．3整车上部结构强度评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．78
5．3结构改进与建议⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯78
5．3．1改进方法与措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯79
5．3．2改进前后结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯79
5．4本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．81
第六章结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．82
6．1结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯82
6．2展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯83
致谢⋯⋯⋯．⋯⋯⋯。。⋯．．．．⋯⋯⋯．．．．。⋯⋯⋯．⋯⋯。．。。。⋯．．．⋯⋯⋯．．．⋯⋯。。．．．84
参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。85
在学期间发表的论著及取得的科研成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．88

第一章绪论
第一章绪论
1．1大客车侧翻安全性研究背景
随着我国经济和社会的快速发展，人民生活水平不断提高，汽车已经成为人
们生活生产中不可或缺的一部分。其中，客车作为现代社会的主要公共交通工具
之一，以其特有的灵活性和方便性，在公共交通事业中扮演着非常重要的角色。
与轿车、载货汽车一样是众多工业产品和科学技术的结晶，它不仅给人类社会带
来了巨大的经济效益，也推动了人类社会的向前发展。在我国，轿车还不能完全
普及，客车是客运周转的主要交通工具，随着公路交通系统的不断发展和完善，
公路客运量和客运周转量均遥遥领先于其他客运运输方式的总和。
据国家统计局公布数据Ⅲ，截止2009年底，我国公路旅客运输量为277．9亿
人次，同比增长3．6％，占各类运输方式旅客运输量的93．35％；公路旅客运输周转
量为13511．4亿A／km，同比增长8．3％，占各类旅客运输周转总量的54．4％，从图
1．1中可以看出近五年道路运输行业的发展概况，公路客运保持较快增长的势头。
其中，客车行业更是发展迅猛，2009年客车产量达202．87万辆，目前我国客车产
量己占世界客车总量的1／3，客车制造业开始融入国际市场，并逐步发展成为全球
客车制造中心瞳3。2009年底，我国公路、公交、旅游营运客车保有量已达180．79
万辆，客位数达2799．71万，从图1．1也可以看出大客车保有量增长较快且占营运
车辆比例逐步升高。
2∞5年2006年2∞7年瑚8年2009年200s年2006年2∞7年2001埠2009年
图1．1近五年道路运输行业与客车行业发展
Fig．1．1 Development of road transport industry and bus industry t in r∞ent five years
大客车以其在旅客运输方面的特点和优势，在公共交通事业中扮演非常重要
的角色。客车行业的飞速发展，随之而来的与营运客车相关的交通事故，却给人
类的生命和财产安全带来了严重威胁。由于大客车通常载客量大，容易造成“群
死群伤’’，其造成的生命和财产损失往往更大，造成恶劣的社会影响。相比于轿车
∞
∞
靳
∞
∞
∞
如
o
3
毒
2
2
1
1
2 第一章绪论
而言，由于客车乘员较多，且主动安全性和被动安全性都要低于轿车。据统计，
近几年超过一半的特大交通事故(公安部规定一次死亡20人以上)由大中型客车
引起。以下是近几年来，特大事故数据如表1．1所示n1。
表1．1近五年来特大事故统计
Tab．1．1 Statics of Scdous accident in nearly five years
年份发生数(起) 死亡人数受伤人数损失(JY元)
2005 1924 7639 5627 7811．9
2006 167l 66ll 5024 6689
2007 1469 5713 4508 5441．0
2008 1290 5222 3359 4083．0
2009 1276 5058 3530 4604．4
在客车事故中，虽然发生正碰、侧碰、追尾等几种碰撞事故形式的发生机率
要大于侧翻，由于客车自身的特点前几种往往对乘员的伤害程度远小于客车侧翻
事故。根据美国公路交通安全局的统计，客车侧翻事故死亡率是前、后碰撞事故
死亡率的6倍口3。近十年的交通事故统计表明，如图1．2所示的是不同碰撞形式事
故所占的比例与人员死亡率对比H儿5J。正面碰撞占总数的65．7％，但由于正面碰撞
可以采用很多吸能结构和装置，以此来减少对乘员的伤害，所以导致人员死亡数
只占碰撞事故死亡总人数的3l％；侧翻碰撞事故虽然数量只占4．2％，却占事故总
死亡人数的33％。这是由于侧翻碰撞事故中对乘员的保护相对比较困难，很多都
是车身结构解体甚至坍塌，没有足够的生存空间，因此导致了较高的死亡率。
图1．2不同事故形式发生比例与人员死亡率
Fig．1．2 The proportion of coUisions occurring and mortality of collision in different forms
2011年2月11日，一辆由吐鲁番市大河沿镇发往和田地区的大客车行至新和
县尤鲁都斯巴格镇境内时，发生侧翻，事故造成5人死亡，19人受伤。
201 1年4月2日，湖北省恩施州宣恩县长潭河侗族乡发生一辆客车侧翻事故，
事故目Ij{『可能已造成7人死亡，具体伤亡情况不清楚。
第一章绪论3
2011年4月3日，一辆从武义开往衢州的公交大巴车，突然失控侧翻，当场
造成3人死亡，20余人受到不同程度的伤害。
图1．3大客车侧翻事故现场
Fig．1．3 The scene of a eoaeh rollover accident
2011年4月5日晚，一辆由西安开往荆门的旅游客车，行至二广高速襄城段
时发生交通事故，致1人死亡，3人重伤，其余乘客均不同程度受伤。
2011年4月6日19时55分许，一辆车牌号为粤B93472的大型客车，核载
45人实载18人，行驶至惠州市辖区沈海高速公路2836km+600m时，客车碰撞一
行人后侧翻至路外水沟，造成2入死亡，4人轻伤。
2011年4月7日16点51分，314国道乌鲁木齐至库尔勒方向甘沟段56km处
一客车发生侧翻，事故造成2死46伤。
图1．3为大客车侧翻事故现场，以上仅列举近段时间的几个事故，如此密集的
客车侧翻事故，足已让我们看到问题的严重性。
在欧洲和美国等地区和国家，客车是人们外出旅行的主要交通工具之一。由
于相对健全的客车安全法规和高水准的客车产品，再加上良好的道路条件和驾驶
人员素质等因素，使得客车在欧美国家各种运输方式中安全性最好。2002年美国
年仅270人死于客车车祸，占所有交通事故死亡人数的0．5％；德国死于客车交通
事故的人数为12人，仅占当年交通事故死亡人数的0．18％№1；而我国在2004年，
客车事故导致11740人死亡，占总数的10．03％，两者有数十倍之差。
综上所述，近年来我国客车行业快速发展，客车事故发生率的不断提高，严
峻的现实使客车的安全性也越来越被人们所重视；客车交通事故造成的大量人员
伤亡所导致的一系列社会、经济问题严重影响了人们的正常生活；即将出台的
GB7258《机动车运行安全技术条件》明确将提高客车安全性，减少“群死群伤”
作为修订的一个重点；在相当长历史时期内，仍是出行最重要的交通工具之一，
提高客车安全性不仅可以减少污染降低能耗，而且对构建和谐社会有着十分重要
的意义。鉴于我国特殊国情，客车保有量大，但是客车研发技术实力较弱、客车
零部件配套体系不完善、客车各种性能试验不全面、缺少完备健全的法规体系，
以及很多性能等都与发达国家有一定的差距，尤其是安全性能方面，客车安全问
4 第一章绪论
题亟待解决。在客车各种形式交通事故中，尤其以侧翻事故造成的损失、伤害是
最为严重的事故之一。
因此，大力提高大中型客车的结构安全性，加快对客车侧翻事故的被动安全
性能的研究，可有效降低侧翻事故所造成的伤亡人数，减少“群死群伤’’重大交
通事故的数量，对整体提高我国道路交通的安全性具有迫切的现实意义，同时对
提高我国客车企业自主研发能力，推动客车产品进入国际市场有极大的促进作用。
1．2国内外客车侧翻安全研究的现状
1．2．1国外客车侧翻研究现状
欧洲的客车技术水平和科研能力位居世界的首位，他们对客车的侧翻安全性
问题，无论是在计算机模拟，还是在试验验证方面，都有了非常深入的研究。早
在70年代初，大客车被动安全问题的研究在欧洲即被关注，现在各国对这个问题
的研究更加深入和广泛H1。在衡量客车侧翻安全性方面，欧洲和美国还特别制定了
各自的安全法规ECE R66和FMVSS系列法规，其中ECE R66对客车顶部结构安
全性试验及评价指标作了详尽的介绍，经过近几年的不断修订和推广，目前这一
法规已被世界各国广泛采纳。
在计算机仿真模拟方面，国外发达国家开展得更是比较深入。国外先进客车
厂组建了高性能的CAE系统，其队伍与产品开发(CAD)同步，在指导设计、提
高质量、降低开发成本和缩短开发周期上发挥着显著的作用。CAE成熟应用于客
车车身开发上，包括刚度分析、强度分析、NVH分析、机构运动仿真分析等，而
车辆碰撞模拟、金属构件冲压成型模拟、疲劳分析和空气动力学分析等的精度有
待进一步提高，但己投入实际使用，可以用于定性分析和改进设计，大大减少了
这些费用高、周期长的试验次数。这些研究工作极大地优化了客车结构、提高客
车的可靠性以及最大程度地提高了客车的安全性能。对于侧翻仿真试验，不仅局
限于企业，很多研究机构、高校等更是进行了深入研究，呈现的特点有：研究领
域广阔、研究对象细微、研究方法多样化、研究精度同益提高。
国际上从20世纪70年代起，就开发客车侧翻动态模拟程序，其中主要有匈
牙利的AUTOKUT程序、英国克伦菲尔德碰撞中心的CICCRASHD程序和德国戴
姆勒．奔驰的FEM程序哺1。
欧洲ECBOS研究小组通过三年半的调查、仿真和试验研究，比较全面地研究
了欧洲各国的客车安全状况，系统地评估了欧洲客车的安全性能，并通过深入实
际的研究和试验所得出的成果，为进一步提高欧洲客车的安全状况提供了宝贵的
经验和现实可行的建议旧1。Pontus Albertsson和Alan Kirk等人通过对多起客车侧翻
事故进行调研和总结，分析并概括了客车侧翻事故中乘员的损伤原因和损伤机理
第一章绪论5
n们。Newberry、Wen—Hsian Chang、Pontus Albertsson等人分别通过不同的方式研究
分析n邮2¨131，得出同样的结论，安全带的预紧功能可以将乘员更好地约束在座椅
上，减小着地时身体各部位二次碰撞受伤的机率。Hu等人使用带加权回归分析方
法的分析结果认为，车顶侧面变形是影响头部面部伤害的显著因素，车顶垂向对
颈部伤害显著，从而得出乘员伤害必然和车身结构变形的某一特性密切相关的结
论‘141。
McCoy等人通过对几个常见的子系统层次滚翻试验方法的比较，发现许多滚
翻事故是由车辆的侧向平动运动引起的，已有的试验方法未能考虑在侧向平动时
乘员的运动姿态，只考虑了车辆翻转过程中的乘员运动姿态，而翻转前乘员在车辆
侧向平动过程中的姿态往往影响滚翻过程中的姿态。在此基础上，开发了一种新
的滚翻试验方法n副。Chou等人对翻滚仿真模型的综述中，把模型分为四类，即二
维刚体模型、车辆多刚体模型、车辆．人体一约束系统多刚体模型和有限元模型u们。
Thomas等人设计了模拟汽车侧向撞击路肩的翻滚形式的试验(Curb-Trip)。德国
汽车俱乐部(ADAC)设计了翻转试验程序，具体是让被试车轮以一定速度单侧通
过一段螺旋上升路面后翻转，来研究模拟Trip．Over翻转试验n"。
Hee．YoungKo和Kwang．Bok Shin等人对客车框架应用蜂窝铝结构以后的侧翻
安全性做了仿真分析，结果表明蜂窝铝结构的使用可以在很大程度上减小模型的
碰撞加速度大小n引。Magnus G：H．Cruz和Alexandre Viecelli对不同材料模型对客车
的侧翻安全性做了对比分析，结果表明，材料的屈服强度、抗拉强度等力学性能
对客车侧翻安全性有很大影响，车体上部结构的材料屈服极限越大，其安全性越
好n9】。Leslaw Kwasniewski和Cezary Bojanowski等人参照ECE R66法规，对一客
车模型进行了侧翻仿真分析，并综合运用多种方法对该模型做了改进设计啪1。美
国Hwai．Chung Wu，Bin Mu，Kraig Warnemuende采用有限元法对客车的仪表盘夹
层材料进行了疲劳分析，并提供能同时考虑翻车和疲劳的夹层板模型，取得了相
当好的效果曙¨。
1．2．2国内客车侧翻研究现状
对于车辆翻滚研究，尤其客车侧翻国内所进行的研究还很少。我国对车辆侧
翻的研究尤其是客车侧翻，无论是理论还是试验方面，均处于初级阶段。法规现
行的为GB／T17578．1998只非等效采用ECE R66的第1、2、5、7章及附件3，作
为推荐性国家标准，并且没有提及等效认证方法。国内，大部分客车生产厂商刚
刚普及CAD技术，对CAE技术的应用正处在大力推广的阶段上，但大多都集中
在客车刚度和强度分析、客车模态分析和路面谱响应分析等领域。
近年来，我国也生产建造了一些侧翻试验台装置，如上海消防科学研究所和
6 第一章绪论
上海交通大学联合研制的消防车静态稳定试验装置与武汉理工大学的侧翻试验
台，清华大学研制了一种实用新型大客车车身段侧翻试验台并申请专利。在实车
侧翻试验方面，我国也进行了尝试，在客车侧翻领域取得了一些初步成果。自2005
年6月14日，安凯HFF6850客车侧翻试验取得成功后，国内多家大型客车企业为
满足产品出口认证的需要，纷纷作出了客车侧翻安全性方面的实车试验。此次试
验检测了该车的上部结构强度是否满足我国安全法规要求，被称为中国客车“第
一翻"，同时为以后的CAE开发研究提供了大量的试验数据。在计算机模拟仿真
方面，国内许多高校和研究机构也开始进行初步的尝试。
清华大学汽车安全与节能国家重点实验室祝军等人使用计算机辅助事故再
现，再现分析滚翻事故中汽车运动过程及瞬时速度和空间姿态，能够为事故处理
和责任认定提供科学依据，并有助于改进车身机构和车内被动安全装置的设计陴】。
合肥工业大学杜吉祥等人对侧翻事故进行初步研究，推导并建立汽车的侧翻模型，
分析导致侧翻的影响因素和确定事故车辆侧向速度的范围。针对侧翻后事故车辆
的运动过程建立翻滚模型，通过果与试验资料的比较说明模型的正确性。在此基
础上，开发汽车碰撞事故模拟分析与再现软件嘲。吉林大学杨健博士等，对汽车
翻滚事故再现分析的理论和方法进行研究，制定了应用于汽车翻滚事故的一般算
法和流程，开发出针对汽车翻滚事故的三维再现模块(CARRAR-3D)嘲1。
中国农业大学邰永刚等人首先依据欧洲安全法规ECE R66研究翻滚碰撞，利
用通用显式动力分析软件LS—DⅥ、IA对大客车的翻滚车的翻滚碰撞进行计算机数
值模拟计算，然后通过对国内一次具体事故模拟来看大客车的翻滚碰撞性能，为
今后的汽车设计工作提供有力数据嘲。长沙理工大学周宇等人在美国FMVSS208
平台翻车试验台上，利用有限元模型对某大型豪华客车进行了动态翻滚仿真模拟
试验，结合试验结果证明该方法合理正确，能够在一定程度上指导客车企业改进
技术，提高安全性能嗍。合肥工业大学周革、卢强等人本文在客车侧翻试验的基
础上，研究了客车侧翻碰撞的加速度评价指标。从最大加速度、平均加速度和加
速度均方根三个方面对客车侧翻碰撞加速度进行了评价嘲。吉林大学龚磊等，通
过多款客车骨架模型腰梁接头部位的连接方式的考察，提取一系列具有典型代表
性的接头结构形式，通过接头侧翻模型的仿真分析，总结该关键部位在侧翻安全
性方面的影响规律汹1。吉林大学杨昆等，首次使用梁壳混合单元建模，通过客车
侧翻中能够反应计算精度的几个重要的参数“生存空间"、加速度、内能等对混合
模型的计算精度进行了详细的对比分析，验证了混合模型应用于客车侧翻仿真的
可行性及精度的有效性例。
但是总的来说，国内客车结构安全性研究存在以下问题：
①目前对客车的侧翻结构安全性的研究都对客车几何模型进行一定程度的简
第一章绪论7
化，很少考虑蒙皮及车身附件对侧翻结构安全性的影响。
②基于全板壳单元的客车车身骨架模型，进行客车结构优化的研究分析还很
少，较多的是基于梁单元模型的研究分析，或者是局部采用板壳单元进行改进设
计，而全板壳单元的优化计算会更精确更符合实际。
③国内较少用全板壳单元进行大客车整体车身骨架建模，用全板壳客车模型
进行静态和动态分析的较少，多采用梁单元以及梁和壳单元的混合，而且网格还
不够细密，计算结果精度不高。
④目前国内有较多的基于全板壳单元的轿车前、侧碰撞仿真分析，但是基于
全板壳单元的全承载和半承载客车模型进行前碰、侧翻和坠落的碰撞仿真研究较
少。对在侧翻事故中，如何有效保护大客车乘员安全的研究更少。
⑤目前，在计算机模拟客车侧翻的评价方法有多种，但基本都是从整体反映
变形趋势，如何科学、合理、量化评价仿真结果还没有深入研究，同时还没有出
现轿车一样的星级评价方法。
1-3研究意义与主要内容
1．3．1研究意义
目前国内客车的市场竞争非常激烈，很多厂家已将目光投向海外市场，据不
完全统计，2006年以来，我国大、中、轻型客车出口量连续两年突破2．6万辆，
客车开始融入国际市场。而客车产品要进入海外市场，最基本条件就是需要达到
进口国的有关技术要求，发达国家都明确要求进行侧翻试验。我国新版GB
13094—2007《客车结构安全》，已过36个月过渡期，于2011年2月1日开始强制
执行客车上部结构强度的试验，新版GB／T 17578《客车上部结构强度的规定》也
即将推出并纳入了等效认证方法在内的四种试验方法，包括车体部分进行的侧翻
试验、车体部分进行的准静态负荷试验、根据测试部件进行的准静态计算和在整
车上进行的计算机模拟侧翻试验。
在客车的设计过程中，各大客车企业更多停留在刚度、强度等理论与试验的
研究，而侧翻结构碰撞安全性的研究还很少。由于侧翻试验时破坏性试验，就开
发经费来而言，客车的价格一般都在十万以上，高档大型豪华客车甚至超过百万，
如果侧翻试验失败，将给设计制造厂商带来相当大的经济损失。尤其是新版法规
强制实施，而计算机模拟等效认证将是更多企业认证手段的首选。
同时，进行客车实车侧翻试验准备周期长、试验费用高、工作量大、技术要
求复杂，而我国客车企业多为小批量多品种生产，因此应用计算机仿真模拟，对
大客车车身结构进行分析并进行侧翻动态模拟，能够有效缩短客车的研发周期，
并能够降低车型研发成本。通过计算机模拟结果，可以对侧翻试验结果进行预测，
8 第一章绪论
避免在进行实车试验时进行不必要的步骤并造成浪费；根据模拟计算结果，针对
车身结构的不足，可以有效地指导车型的改进优化工作，方便设计工程人员的操
作，提供相应的理论依据，具有重要的实际意义。
因此，开展计算机模拟侧翻试验，加深对客车车身结构侧翻碰撞安全性的研
究，可为国内客车生产厂家侧翻试验有限元分析提供参考，为进一步进行大客车
侧翻碰撞安全性改进设计提供思路；对新版GB／T 17578《客车上部结构强度的规
定》法规的制定也有一定的借鉴意义。因此，开展此研究非常有必要。
1．3．2主要研究内容
本文以某6127型旅游大客车为研究对象，运用HyperMesh前处理软件，建立
车身骨架的有限元模型，依照ECE R66标准建立客车侧翻试验台，阐述基于大客
车侧翻车身结构安全性仿真流程。通过对客车的侧翻过程有限元仿真模拟，得到
客车侧翻碰撞的车身结构响应、能量吸收、速度、接触力等参数。研究蒙皮对侧
翻安全性的影响程度，提出一种新的上部结构评价指标，通过对仿真结果的分析
评价，找出客车结构的薄弱部位，并提出改善客车侧翻安全性的措施。主要研究
内容如下：
①对国内外有关客车侧翻安全性现状、法规体系、侧翻安全性的研究现状和
方法以及仿真软件进行分析和总结。
②根据实际客车车型建立整车分析的有限元模型，对如何合理建立并简化大
客车车身模型进行研究，包括截面简化、弯曲杆件的直化、载荷的合理分配等。
研究如何提高建模精度并保证经济性，提出基于侧翻碰撞性能研究的大客车车身
建模方法，使仿真分析更接近于实际情况。
③通过结构静力学仿真分析和自由模态分析对客车有限元模型进行验证，充
分考虑了弯曲、扭转、紧急制动、转弯等几种常用工况，并进行自由模态计算，
保证建立模型的可靠性和有效性。
④参考ECE R66法规建立侧翻试验台模型，建立基于HyperWorks、LS—DYNA
分析计算的客车侧翻试验仿真系统。通过对计算得到吸能特性、变形及速度、碰
撞力、生存空间等数据的分析对比，找出客车结构的薄弱部位。
⑤分析对比现有的生存空间指标的评价方法，借鉴引进一种新的上部结构强
度评价指标。研究分析蒙皮在客车侧翻中的影响程度，建立更接近实车试验的侧
翻碰撞有限元模型，并尝试进行星级评价。
⑥探讨提高客车侧翻结构安全性的对策，对侧翻结构中薄弱的部位进行结构
改进，通过对比分析，验证改进后客车侧翻车身结构的合理性。
第二章客乍侧翻碰撞安全性仿真试验基础9
第二章客车侧翻碰撞安全性仿真试验基础
2．1客车侧翻碰撞事故特点
所谓侧翻，是指汽车在行驶过程中绕其纵轴线转动90度或更大的角度，汽车
一侧的车轮离开地面，整个汽车绕另一侧车轮接地线发生不可恢复的转动，以至
车身与地面相接触的一种极其危险的侧向运动。汽车侧翻大体上可分为两大类：
①绊倒侧翻。指汽车行驶时产生侧向滑移，与路面上凸凹的障碍物侧向碰撞
或者附着系数不同路面的跤绊，而将其“绊倒"。
②曲线运动引起的侧翻。指汽车在道路(包括侧向坡道)上行驶时，由于侧向加
速度超过一定限值，使得汽车内侧车轮的垂直反力为零而引起的侧翻。
图2．1侧滑后侧翻
Fig．2．1 After sliding rollover
图2．2直接侧翻
Fig．2．2 Direct Rollovar
对于第一类侧翻，如图2．1所示，当汽车的侧向速度■大于■一啪1就可能发
生侧翻。其中： ‰咄噍[1+(虿B)][跨一·] 蛔，
式中：g为重力加速度；hg为质心高度，B为轮距。
对于第二类侧翻，如图2．2所示，在不计汽车悬架弹簧变形时，其侧翻条件为
口y>击．g 式(2．2)
式中：a，，为侧向加速度；S为汽车左右车辆接地点连线在质心处的宽度。
对于大客车，由于车身高度一般较高，有的双层客车车身高度接近4米。客
车车项通常装有空调装置，乘客位置也较高，因而整车的重心位置偏高，侧面面
积大，如有侧向风的扰动或者高速急转弯行驶产生的离心力，侧翻的可能性就非
常大。在高速公路上高速行驶时，无论是由于驾驶者过失，还是因为车辆状况和
10 第二章客乍侧翻碰撞安全性仿真试验基础
道路环境所导致的失控，客车一般都会与护栏发生碰撞很容易造成；如果行驶车
速过大，加上护栏的阻挡作用，产生的惯性矩可能会导致客车冲翻护栏而侧翻。
在低等级公路(如国道和乡村公路等)上行驶时，路况相对高速公路较差，有些
道路狭窄多弯，路边护栏较少，行驶稍有不慎也很容易发生大客车侧翻。
图2．3侧翻事故后严重变形的客车车体
Fig．2．3 Severe deformation of the coach body after the rollover accident
当客车发生侧翻事故时，客车骨架作为主要承载件将承受大部分载荷，能否
给司乘人员提供必要的逃生空间是一个很重要的因素口¨。如图2．3为侧翻事故后严
重变形的客车车体。从大多数事故资料来看，客车发生侧翻事故后，很多乘客的
伤亡都是因为客车骨架的严重变形或者断裂，乘客遭受“二次碰撞”造成的。所
以提高客车的被动安全性，对客车的侧翻碰撞安全性进行分析改进显的尤为重要，
尤其对于提高我国客车企业自主研发能力有极大的促进作用。
2．2客车侧翻碰撞安全法规介绍
大客车侧翻是一种较为常见、且伤亡人数较多的恶性交通事故，造成的经济
损失也相对较大。因此，大客车的安全性设计正成为各汽车设计和生产厂商关注
的热点。在国外，大客车的被动安全性早已得到行业的共识。为了减少大客车碰
撞事故所带来的巨大损失与人身伤害，世界各汽车工业发达国家都对客车碰撞安
全性做出强制性要求。
2．2．1国外客车侧翻碰撞安全法规
目前，世界上著名的实车碰撞安全法规主要有欧、美两大体系，主要有欧洲
的ECE(联合国欧洲经济委员会)、EEC／EC(欧洲经济共同体)汽车法规(也称为指
令)、美国的FMVSS(美国联邦机动车安全法规)。在评价客车侧翻安全性方面，
欧洲和美国也特别制定了各自的安全系列法规。
其中，ECE法规近年来已有了长足的进展，也最具有国际性的法规体系。从
发展和应用情况来看，世界车辆法规协调论坛(WP29)一般安全性专家工作组
第二章客车侧翻碰撞安全性仿真试验基础
GRSG制定的ECE R36、52、66、107等法规是成功的，其中ECE R66为客车侧
翻法规中最权威的，已被世界各国广泛采纳。一般而言，安全法规只规定保证安
全的最低要求，不干预部件或整车结构的具体设计，特别是不限制车型的发展和
新技术的采用，像客车法规这样细致的规定，是众多安全法规中少有的。
EEC／EC汽车技术规范称之为指令，由欧洲经济共同体组织EEC制定，EEC
指令又称EC指令。随着客车工业的发展，EC的整车形式认证也向客车发展，客
车认证中酝酿已久，于2001年11月20日正式批准，指令号为2001／85／EC，即《对
除驾驶员座位外座位数超过8个的载客车辆的特殊规定》。它适用于M2、M3、双
层客车(I、II、Ⅲ、A、B各级)等各类客车。车身上部结构强度要求同ECE R66，
试验方法和要求同R66的老版本一致，但指令中试验需考核的项目较多。欧盟客
车指令可以说它是欧洲汽车技术法规界多年讨论和工作的总结。在当今统一全球
汽车法规之际，这项指令是极其重要的，是客车法规的集大成。
尽管两大法规由不同机构发布，但两大机构彼此有密切联系。几乎所有EC国
家都是ECE核心国。66项EC指令中有46项完全等同于ECE法规。但与ECE在
缔约国中自愿采用不同，EC指令在所有成员国内强制执行。
FMVSS为美国联邦机动车安全法规，共有60项，FMVSS配套的管理性汽车
技术法规共有29个部分。其中，涉及车辆侧翻结构安全法规，主要有主要包括：
FMVSS 208、FMVSS 216和FMVSS 220。FMVSS 208为乘员碰撞保护标准，对翻
滚试验部分有详细规定。FMVSS 216为车顶抗压强度，主要验证汽车车身上部结
构强度，FMVSS 220为校车翻滚保护法规。
除此以外，其他国家如日本、加拿大、澳大利亚、南非等也都先后参照上述
两个法规体系制定了适合本国国情的碰撞安全法规，如澳大利亚以ECE R66老版
本为基础制定的《公共汽车上部结构强度》即ADR 59／001南非标准以ECE R66
老版本为基础制定的SANS 1 563《大客车上部结构强度》；加拿大的汽车安全标准
(CMvSS)；日本1951年颁布的《道路运输车辆法》；印度2008年以ECE R66老
版本为基础颁布的标准AIS．031《客车结构强度》等。更有一些实力雄厚的汽车
制造厂商为提高自身的市场竞争力，制定了自己一套比国家汽车安全法规更为严
格的标准。在积极开展被动安全性研究与认真贯彻各项安全法规的作用下，使得
这些国家的汽车事故发生率和事故死伤人数大为减少，取得的效果也极为明显。
2．2．2我国客车侧翻碰撞安全法规
我国客车发展于50年代初期，客车由几个部门生产，建设部生产城市客车、
交通部生产长途客车。1986年，国家标准总局组织6个部(中汽、交通、建设、
航空、司法、公安)成立客车标准联合工作组，负责制定统一成套的客车标准。
90年代初，又确定以欧洲ECE汽车法规为基础，部分参照美国联邦，研究建立了
12 第二章客车侧翻碰撞安全性仿真试验基础
我国的强制性安全标准法规体系。
近年来，我国的客车技术和客车产品在使用性能和产品质量上有了很大的提
高，客车标准也在逐渐与国际先进水平接轨，尤其是客车安全方面的技术标准，
大部分或等同或等效采用了国际先进标准。我国机动车强制性标准对客车的主动
安全、被动安全、一般安全、环保节能的技术要求都有规定。国内直接与客车相
关的国家标准和行业标准主要有105项，强制检验共涉及42项国家标准，其中，
有关客车车身结构的安全标准主要有标准见表2．1。
表2．1中国客车结构安全标准
Tab．2．1 Safety standards for coach Structure in China
序号标准序号标准名称采标情况
技术内容主要参考
2001，85／EC， 以及
ECRIU6、1152、R107和
1 GB厂r1 2428．2005 客车装载质量计算方法欧美十国国家标准中的有
关内容，并综合考虑了中
国人体特点和相关标准的
规定作了适当调整
2 GB 1 3057—2003 客车座椅以及车辆同定件的强度修改ECERS0(1998版本)
GBl3094—1997 客车结构安全要求非等效采用1t36(03版)
非等效采用2001／85／EC，
3
GB1 3094-2007 客车结构安全要求参：考ECER36、
ECEI乇52Amend．2
非等效采用ECER66的第
4 GB厂r17578．1998 客车上部结构强度的规定
1、2、5、7章及附件3
修改采用ECER52(1997
5 GB厂n 8986—2003 轻型客车机构安全要求
版本)及2000年修订版
6 GB厂r19950-2005 双层客车结构安全要求修改采用ECERl 07
7 GB厂n 6887．2008 卧铺客车结构安全要求
8 GB厂r1 9260．2003 低地板及低入口城市客车结构要求等效采用ECERl07
对于客车侧翻试验，我国的GB／T 17578．1998《客车上部结构强度的规定》采
用ECE R66．1986中关于客车整车侧翻的试验部分，由于试验是破坏性试验，试验
成本相当高，因此当时只作为推荐性标准。但是随着我国公众媒体、政府对客车
第二章客车侧翻碰撞安全性仿真试验基础13
安全性的高度关注和客车产业的快速发展，和国外接轨已经成为大趋势，在2007
年推出的新版GB 13094《客车结构安全》里面明确提出在2011年2月1日开始强
制执行客车上部结构强度的试验，现在新版GB／T 17578—1998正在修订，完全按照
ECER66新版本来修订，除了整车倾翻试验，还纳入了等效的认证方法，包括车体
部分进行的侧翻试验、车体部分进行的准静态负荷试验、根据测试部件进行的准
静态计算和在整车上进行的计算机模拟侧翻试验。
客车工业是我国加入世贸组织以后，发展前景比较好的一部分。目前，我国
已正式成为全球车辆法规论坛WP29的缔约国之一。但由于我国客车产品的整体
技术水平起步较晚，因此，客车安全方面标准还存在几方面的不足：第一，客车
安全标准较零散，未成体系。第二，客车安全标准特别是车身结构安全性能标准
与国外先进标准相比还有较大差距。第三，是客车安全性技术要求的试验方法不
明确，缺少可操作性。第四，很多关系到客车结构安全的法规(ECE R66等)还
没有强制执行，只作为推荐性标准。国外客车安全法规的制定过程对我国客车被
动安全法规的制定有一定借鉴意义，客车安全问题突出，法规对客车被动安全的
发展起到很好的推动作用，我们要尽快制定适合自己国情完善的客车安全法规。
2．3客车侧翻被动安全性研究方法
客车被动安全性研究和评价方法可分为试验研究和计算机仿真研究两种方
法，一是通过试验检验整车及相关安全部件的耐撞性，这类研究主要是客车生产
企业测试整车及安全部件是否符合国家相应的安全法规；二是基于有限元理论的
客车碰撞性能数值仿真。从降低成本，人为改变试验环境等需要出发，往往采用
仿真试验方法。客车被动安全性评价主要研究客车的车身结构对碰撞能量的吸收
特性，寻求改善车身结构耐撞性的方法，使得车身结构在外力冲击下能以预计的
方式变形，其变形量能控制在一定的范围内，在保证乘员生存空间的前提下，使
传递给车内乘员的碰撞能量降低到最小，尽可能使乘员所受到的减速度最小。
目前，对客车侧翻研究方法，主要可分为实车倾翻试验和计算机仿真模拟侧
翻试验两种。国内对客车侧翻碰撞的研究还比较少，仅有少量厂家对客车进行实
车倾翻试验以检验顶部结构强度。而且几乎完全是依赖试验方法进行的，采用实
车碰撞试验方法，对碰撞试验的结果进行分析研究，改进设计。随着计算机技术
的发展，出现了计算机仿真技术。国外客车企业对仿真碰撞模拟进行了很多研究，
按照相关法规，确定仿真试验条件。这类碰撞仿真试验的成本低，可重复操作，
研究周期较短，可以对实车试验进行指导。
14 第二章客车侧翻碰撞安全性仿真试验基础
2．3．1客车侧翻试验
客车的被动安全性研究最早通过试验进行，试验由台架冲击试验、台车碰撞
模拟试验和实车碰撞试验。实车碰撞试验是从总体上对客车的被动安全性做出评
价，是检验客车被动安全性的最直接和最有效的方法。实际发生的客车碰撞形式
是多种多样的，碰撞时的速度、碰撞的角度、碰撞的部位、碰撞时车内的质量分
布情况等等都是千差万别的。客车碰撞试验不可能精确再现这些情况，因此，客
车碰撞试验的结果就只能是参考值，而不是绝对值。
在客车碰撞试验中，高速数据采集、图像处理等现代技术为实车碰撞试验提
供了基础。对于客车侧翻试验，ECE R66法规中规定了三种试验方式即整车侧翻
试验、车身段或代表车身的几段侧翻试验和车身段摆锤试验。三种方法中整车侧
翻试验最能直接、全面表明客车上部结构强度是否足够，乘员是否安全。如图2．4
所示为某检测中心侧翻试验现场。
图2．4客车侧翻试验现场
Fig．2．4 The site of coaches rollover test
无论是车身段碰撞试验还是整车碰撞试验，都要涉及到试验数据的采集和处
理。通常采用的数据采集系统为电测量和光测量相结合的系统，试验中要用到大
量传感器和数台高速摄像机。另外，客车产品在研发阶段具有往复性，需要多次
试验修正方能达到安全性要求，而客车侧翻试验又为破坏性试验，客车的价格一
般都在十万以上，高档大型豪华客车甚至超过百万，成本相当昂贵。由于试验中
有一些随机因素的影响，使试验结果往往不够稳定，可重复性差。由于客车碰撞
试验要在样车试制出来后才能进行，周期长，且碰撞试验是破坏性的，如果侧翻
试验失败，将给设计制造厂商带来相当大的经济损失。目前，国外进行了大量的
整车侧翻试验以及车身段试验，积累了丰富的经验与试验数据。而国内，只有实
力雄厚的客车大公司或其资助的试验室才有可能开展实车侧翻碰撞的试验研究。
第二章客车侧翻碰撞安全性仿真试验基础15
2．3．2计算机仿真模拟侧翻试验
近几十年来，计算机仿真碰撞技术迅速发展，在安全性车身的研发、乘员保
护措施的优化、人体生物力学、碰撞用假人的开发等领域中发挥了重大作用。尽
管计算机模拟试验还不能完全取代昂贵的实车碰撞试验，但是在产品的概念设计
阶段、样车的试制、试验次数的减少、开发费用及周期的降低等方面有明显的优
势，而且可重复性强、结果信息全面。同时计算机模拟研究的适用面广、精度高，
可以处理很多异常复杂的结构变形等问题，还可以设定模型的边界条件和其它特
定条件等，因此显示出强大的生命力。
随着牛顿矢量力学、拉格朗日分析力学、多刚(柔)体系统动力学、生物力
学、碰撞理论、材料理论、有限元理论、数值方法以及计算机技术水平的不断提
高，汽车碰撞计算机模拟理论和方法得到了不断发展和完善，涌现出各种用于碰
撞仿真分析的商用软件，如CAL3D、MADYMO、LS．DYNA、PAM．CRASH、
MSC／DYTRAN等，其中采用多刚体系统动力学理论建模的软件可以模拟碰撞事故
中乘员与环境的相互作用，能很好地再现事故过程，而采用显式有限元理论建模
的软件可以用来描述车身结构的抗撞性，处理很多异常复杂的结构大变形问题口羽。
这些软件的模拟结果能与实车碰撞结果大致吻合，尤其是对于车身结构的改进，
可以使用这些软件和算法在短时间内对多种方案做出比较，得到满意的改进方案。
其中值得一提的是，随着显式有限元方法的逐渐成熟，标志着汽车碰撞安全
性研究进入了试验和理论研究并重的阶段∞引。碰撞仿真技术的快速发展，加之客
车侧翻试验的特殊性，在客车侧翻计算机模拟方面国外已进行相当的研究，国内
许多高校和研究机构、企业也开始进行初步的尝试。图2．5为某客车侧翻碰撞计算
机模拟试验图。
图2．5计算机仿真侧翻试验
Fig．2．5 Computer simulation of rollover test
与实际试验相比，计算机模拟方法具备以下优越性：
16 第二章客车侧翻碰撞安全性仿真试验基础
①周期短，通过与CAD的结合，减少产品研发周期。尤其是对于我国客车企业
多为小批量、多品种开发生产，更显示出它的优势。
②费用低廉。计算机模拟不用进行实车的破坏性试验，也不需试验设可以节
省大量的人力、物力和财力，建立一个模型可用来进行多次多工况的碰撞模拟。
③可重复性好。试验过程易受随机因素影响，因此在研究不同系统参安全性
的影响时，不易得到相同的结果。而模拟依赖于计算机软、硬件，数模拟软件均
为参数化设计，可以轻而易举的得到参数改变时的模拟结果，有利于多种方案的
快速分析和比较。
④结果信息全面。试验测得的结果一般都是通过传感器和高速摄影机的，而
传感器与摄影机的数量与布置受到很多条件限制。而计算机模拟则在以上问题，
可以从各个角度观察碰撞后的零部件的变形与应力分布情况，方便设计人员对结
构的观察、分析和改进。
尽管模拟计算有强大的优势和功能，但它不能脱离试验而单独存在。采用模
拟计算并不意味着放弃试验技术，模拟计算阶段得到的结果只是对汽车及其部件
耐撞性的预先评估，只有最终的产品试验才能真实反映汽车及其部件发生碰撞形
过程，并且模型中的很多参数要根据相关的试验获得，模型的正确性还要来验证，
只有通过验证的模型才是可行的，因此试验技术与模拟技术的相辅相成的。
2．4客车侧翻碰撞有限元仿真算法理论
客车侧翻碰撞是一个动态的大位移和大变形的过程，接触和冲击载荷都影响
着碰撞的全过程，系统具有以大位移、大转动和大应变为特征的几何非线性，以
材料弹塑性变形为典型特征的材料非线性等多重非线性和以接触摩擦为特征的边
界非线性。
事实上，客车侧翻碰撞分析涉及一个含未知边界条件的偏微分方程求解问题，
即动态接触问题。一般的线性有限元方法都基于线性的小位移系统，而本论文所
研究的模拟计算就是采用动态大变形非线性有限元方法进行的仿真计算分析。因
此，客车侧翻数值仿真一般涉及动态非线性显式有限元、时间积分法、碰撞结构
单元、接触算法等理论。目前，动态显式的非线性有限元模拟计算技术通过多年
的发展己日趋成熟，成为当今汽车被动安全性研究中十分有效的方法之一。本文
将使用HyperMesh做前处理软件进行客车模型的有限元划分，使用LS．DYNA进
行求解计算。在进行仿真模拟之前本节将从应用的角度简要介绍其中一些基本理
论，以便建立更精确的模型，获得更合理是的仿真结果。
第二章客车侧翻碰撞安全性仿真试验基础17
2．4．1基本力学模型与控制方程
①物质描述与运动方程m1
考虑一个空间物体(如图2．6所示)，取位于B处的质点，在固定坐标系由初
始时刻坐标为．L(i=l，2，3)。在任意时刻t，该质点运动到位置b，在该固定坐标系
下坐标为毛(i_l，2，3)，那么这个质点的运动方程是
毛=Xff，X口，fJ，i=1,2，3 式(2．1)
在t=0时，初始条件为：
其中，K为初速度。
X专
Xi(X。．t)=Xo
xi(xnjcI)=vt《xo)
图2．6空间物体的变形
Fig．2．6 The deformation of space objects
ZI
式(2．2)
式(2．3)
②动量守恒方程
％．，+厩=∥ 式(2．4)
式中，％为柯西应力；Z为单位质量体积力；譬为质点加速度。
③质量守恒方程
P=讽式(2．5)
式中，P为当前质量密度；Po为初始质量密度，，为密度变化系数。
④能量方程
E=VSy．磊-(p+q)r 式(2．6)
用于状态方程计算和总的能量平衡。
18 第二章客车侧翻碰撞安全性仿真试验基础
式中，y为现时构形的体积；乞为应变率张量；q为体积粘性阻力；偏应力张
量岛；P为压力。
其中，岛"-or#+佃+g夕％ 式(2．7)
⑤边界条件
x，，x3
1
p—j仃妓一g
图2．7物体的边界条件
Fig．2．7 The object boundary condition
式(2．8)
(1)面力边界条件
or{『刀，=te(f)在S1面力边界上式(2．9)
式中，，撕=l，2，3)为现时构形边界S1的外法线方向余弦；f|450
最小长度>6mm 四边形最大角<1350
最大长度<40ram 三角形最小角>400
雅克比>0．5 三角形最小角<1100
单元扭曲角55。§≥90
本文综合考虑各种因素，并参照汽车碰撞仿真中的一些经验标准，并结合大
客车自身结构特点，对单元长宽比、翘曲角、扭曲角、单元内角、雅可比率等单
元参数进行控制如表3．2所示，此控制标准可为同类客车提供参考。
这样，最终建立的有限元模型节点总数为256646，单元268124，其中三角形
单元为1366，占0．51％，符合制定标准。
36 第三章大客车车身建模及模型验证
铀t虐脚0栅‘g日劬y B曲‘q，-如'Ht-砷a‘‘一辨●b 2h●Io出H呐q F’时grI¨‘RdqFx*自杠tq^忡
i置百一、’量舀6晤i辛龟0 o●D0too咏，‘t：A 9--i·e墨Hn
图3．5整车骨架有限元模型
Fig．3．5 Finite element model ofthe coach fraIne
3．2．5大客车有限元模型的建立
①材料属性定义
客车车身骨架常用冷轧钢板为冷轧铝镇静钢板、含磷高强度冷轧钢板和镀锌
冷轧板乜1。其中低碳钢主要应用在前后围、左右侧围和地板等对强度和刚度要求不
是很高的部位；高强度钢板屈服极限大，抗变形能力强，主要应用在底架等大的
承载件上面，如底架纵梁、底架横梁、牛腿和纵梁连接板。本文所研究的大客车
为全承载式车身，它是用矩形冷弯型钢焊接的格栅式底架与车身组成的整体式全
承载车身。所采用的型钢主要有以下三种形式：槽形型钢、方形空心型钢和矩形
空心型钢。在国内，客车车身骨架材料属性都比较近似，底架为合金钢16MnL，
车身为低碳钢Q235A，材料的截面属性则可以根据实际需要自由组合。各材料模
型的具体参数如表3．3所示。
表3．3客车材料参数
Tab．3．3 Material parameters ofthe coach
屈服极限强度极限
材料密度p(t／mm3) 弹性模最E(MPa) 泊松比s
(MPa) (MPa)
16MnL 7．85x10。6 207000 O．3 355 510～6lO
Q235A 7．85x10。6 207000 O．3 235 420
第二章大客车车身建模及模型验证37
②骨架各部件的连接
在大客车的建模过程中，涉及到不同部件之间的连接问题，进行有限元仿真
分析时必须对各种联接加以准确描述。实际的物理连接方式一般为焊接、点焊、
铆接、螺栓联接、铰接等，这些连接有各自的特点。有限元模型中可以通过节点
约束或节点合并方式来模拟各种连接方式。大客车格栅底架、两侧围、前后围和
顶盖，这六大片是由一许多截面不同的型钢通过缝焊焊接而成。研究表明，一般
碰撞情况下，白车身的点焊不会发生开裂，可以不考虑点焊的失效，车身骨架各
型管之间通过共用节点或点焊模拟连接，焊缝长度与实际焊缝长度相当。如图3．6
所示为前围、侧围与底架的连接。
图3．6侧围与底架的连接
Fig．3．6 Connection between wall and chasiss
③载荷的处理
作用于车身上的载荷主要是底架、车身骨架、蒙皮、玻璃和空调及内饰件等
的自重，乘客、驾驶员、座椅、行李和地板的质量，以及底架上的发动机、变速
箱、悬挂、车桥、油箱和蓄电池等总成的质量，具体部件加载载荷见表3．4所示。
对于承载结构件的质量，可以根据材料截面属性和物理属性自动识别计算质
量。玻璃、蒙皮和内饰件则以均布质量的形式附加到相应的承载结构件上。每个
乘客和座椅的质量按照相关标准分别取为68kg、15kg，等效施加到各个座椅固定
螺栓上，行李按loookg均布在行李箱底板骨架上。承载结构件上的附属部件，则
以集中质量的形式施加到各部件的质心位置，并用刚性连接与承载结构件连接。
38 第三章大客车车身建模及模型验证
表3．4主要部件质量加载明细表
Tab．3．4 Load schedule ofmass ofthe main components
项目质量(kg)
发动机900
变速器350
空调250
蓄电池120
油箱300
仪表台200
前／后挡风玻璃60／15
侧窗玻璃35x12
3．3模型工况验证
在建立全承载客车的有限元模型后，为了保证客车模型的真实可靠性和后续
侧翻碰撞研究的可行性，故应对所建立的大客车有限元模型进行必要的验证试验。
本文借鉴和参考以往成熟的大客车实际试验的相关方法和试验结果，对大客车模
型首先进行工况分析，以验证模型的刚度。如果工况验证中出现模型某些部件屈
服失效、刚度不够，则必须对模型进行修改和调整，直到模型能够满足最低使用
性的要求为止。否则，后续侧翻碰撞仿真这些部位会出现断裂、变形过大等情况，
影响仿真可靠性。
对于本文所研究的一款豪华旅游客车，由于客车骨架是整车主要的承载体，
为了减少工作量，只对客车骨架进行有效性验证，所有部件载荷都加载至骨架相
应的位置，尽量保持力学特性。客车的运行的道路条件多样，各零部件承载工况
复杂。但能满足同常使用性是对客车的基本要求，即客车要具有足够的可靠性，
在日常的使用工况中不发生结构破坏。日常使用中可能出现以下四种载荷工况：
高速行驶下的垂直弯曲工况、转弯时的水平弯曲工况、不平道路时单轮瞬间悬空
的扭转工况、制动时的剪切工况，也可能是这四种载荷的组合∞引。因此，选择客
车车身的主要受力变形模式为满载弯曲工况(简称弯曲工况)、路面高低不平出现
单轮瞬间悬空扭转工况(简称扭转工况)、紧急制动工况、紧急转弯工况。
下面研究相应载荷及边界约束条件施加的实现方法，分析车身结构的应力分
布情况，对车身的刚度进行评价，从而对验证模型的可靠性。
3．3．1弯曲工况
弯曲工况主要用来模拟大客车在平坦道路上匀速直线行驶时车身承受对称垂
第二章大客车车身建模及模犁验证39
直载荷的状况，也是客车最常用的基本工况。因此，在进行弯曲工况刚度分析时，
约束车轮中心位置处可以只约束4个支承点处在整体坐标系中的2方向的平动自
由度，即只约束Y和Z方向的平动自由度，如图3．7红色部分为约束的施加。
一般情况下，要求在大客车处于满载状态对其车身骨架各部分结构刚度进行
校核，也称满载纯弯曲工况。考虑动载荷的影响，故采用动载荷系数K=I．5来估
算车身的冲击载荷，方向竖直向下，以模拟客车在此工况产生的对称垂直动载啼朝。
如图3．7为大客车有限元模型弯曲工况加载与约束界面图，SPC和LOAD分别为
约束与加载关键字。
黾葛巍一一}躺瓣震震麟聪黧戮纛缀黼阑'It口r々．．-．q 景'峥；豢纛缀囊缀鬻麓“誊鬻一—-—·■目i■s●目霸誓嚣麓￡篓籍嚣淄b-· ：●o‘， ●-___
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图3．7大客车有限元模型弯曲工况加载与约束界面图
Fig．3．7 Interface ofcoach FEM load and constraint under the bending conditions
由图3．8纯弯曲工况车身变形和应力分布图可以看出，该客车在匀速直线行驶
工况下的应力分布具有如下规律：
①在弯曲工况下，顶盖、前、后围骨架的应力除了与其他总成连接处的区域
外，其它地方的应力都比较小。
②左、右侧围的高应力区域主要分布在中前区域的腰梁与斜撑上，以及中门
附近的斜撑与横梁上。
③左、右侧围的中间窗立柱与顶盖纵梁连接处的应力相对较大，除最大应力，
其他区域最大应力一般小于90MPa。
④底架前、后由于受到较大的载荷作用而应力也较大，底架的高应力区域集
中在后悬架附近，最大应力为144．2MPa，但仍有足够的安全余量。
⑤由于发动机后置，离合器、变速箱、水箱、空调压缩机等集中质量大多集
中在底架后部，所以最大变形出现在底架后部，计算结果的总趋势与实际情况相
符合。但整车模型的最大应力均在各部件的最大许用应力范围之内。
第三章大客车车身建模及模型验证
图3．8纯弯工况车身变形和应力分布图
Fig．3．8 Deformation and stress distribution ofbody frame under pure bending condition
3．3．2扭转工况
大客车在低速驶过凸凹不平的路面时，通常一轮悬空或者一轮被抬高，此时
地面对车身的支承反力不再呈对称状态，而车身因自重或者外力承受剧烈的扭转
作用。扭转工况主要就是模拟此工况下车身结构的实际最大静态强度问题。
一般大客车前悬右侧为乘客上车门，左前轮悬空时发生最为严重的扭转，故
本文将只分析左前轮悬空时车体的扭转。模拟左前轮悬空的方法是：释放左前轮
的全部自由度约束，约束其它3个支承点的相应平动自由度，即只约束X、Y和Z
方向平动自由度。这样可以得到类似于大客车左前轮悬空时，车体受到扭转的情
形。由于，此工况下的动载荷在时间上变化得很缓慢，相对较小，通常动载系数K
取1．3嘲1，其他载荷及边界条件的处理与弯曲工况相同。
图3．9扭转工况车身变形和应力分布图
Fig．3．9 Deformation and stress distribution ofbody frame under the bending and torsion conditions
第二章大客车车身建模及模型验证4l
由图3．9扭转工况车身变形和应力分布图可以看出，车身结构在左前轮悬空扭
转工况下的应力分布具有如下规律：
①前后围骨架应力均较小；
②顶盖骨架上应力较大的部分主要在外侧纵梁与侧窗立柱连接处以及项置空
调安装处；
③底架左侧外纵梁的中后部整体应力较大；
④整车骨架上应力较大的区域主要集中在左后轮附近的左侧围骨架上及中门
附近的窗区，右前悬挂相连的底架上出现了最大应力97．8MPa；
⑤其他应力较大的地方主要在个别杆件连接处及其附近区域，且这类区域的
应力一般不超过46．3MPa。所以，整车模型的最大应力都在各自的最大许用应力范
围之内。
3．3．3制动工况
大客车在行驶路况复杂，经常需要紧急制动。这时客车骨架除受各部件的重
力作用外，还受到纵向惯性力的作用。制动时，客车的最大加速度为．，=卿l／s2，
其中够为路面附着系数，通常干燥的水泥路面上最大附着系数为O．7。在紧急制动
时，前后轴载荷将重新分布，整个车身的应力分布也会有很大改变，车身结构必
须具有足够的刚度。
紧急制动工况主要分析当客车以最大制动加速度0．79制动时，地面制动力对
车身的影响。载荷处理与静态弯曲工况基本相同，但是除施加重力外，还施加一
个水平向前的O．79的惯性加速度。约束的处理方法是：约束4个支承点处的X和
Z方向的平动自由度。
图3．10紧急制动工况车身变形和应力分布图
Fig．3．10 Deformation and stress distribution ofbody flame under the emergency braking condition
42 第三章大客车车身建模及模型验证
由图3．10紧急制动工况车身骨架变形和应力分布图，通过分析可知，紧急制
动时大客车车身重心前移，导致前、后轮罩与底架连接处的应力增大，约为86MPa。
而左、右侧围是该车身骨架的局部受力较为频繁、严重的部位，应适当增加其刚
度与强度，但整车模型的最大应力都在各自的最大许用应力范围之内，满足此工
况的使用要求。
3。3．4转弯工况
客车满载高速转向时，车体会产生一定的离心加速度。由于离心加速度的大
小由转弯半径以及行驶车速决定，一般大型客车受到悬架系统和车身的限制，作
为近似计算，本文通过在横向◇轴正方向)施加一个侧向加速度0．49来模拟右转弯
工况。
载荷处理的方法同紧急制动工况类似，只是将纵向的制动力影响改为横向的
惯性力影响，制动加速度0．79改为横向(即Y向)加速度0．49，用于模拟转向惯
性力对车身结构的影响。在模拟分析中，只约束各支承点处的Y和z方向的平动
自由度。
图3．11急速转弯工况车身变形和应力分布图
Fig．3．1l Deformation and stress distribution ofbody frame under the sharp turn condition
图3．11为急速转弯工况车身骨架变形和应力分布图，从图中我们可以看到，
最大应力出现在车身中段的侧围裙部与底架横梁的连接处，最大应力值为
156MPa。车体中段是水平横向弯矩最大的区域，模拟分析和实际情况相吻合。整
车模型的最大应力都在各自的最大许用应力范围之内，满足此工况使用要求。
综上分析，各工况下该大客车结构强度均有一定的安全余量，满足基本使用
要求，因此本模型工况验证符合要求。
第二章大客车车身建模及模型验证43
3．4模型模态验证
在验证各工况下模型的静态强度之后，需要对模型的动态响应特性进行验证。
如果模型仅进行静态强度分析，而动态响应特性较差，在后续的侧翻碰撞仿真中
会出现局部结构变形过大，变形速度不真实，碰撞力不能有效传递等，不能真实
反映碰撞过程，仿真结果不可靠。本文借鉴和参考以往成熟的大客车实际试验的
相关方法和试验结果，分析该模型的模态响应特性，对比同类型车的试验结果，
如果模拟结果和同型车的真实试验结果有较大偏离，则需要修改和调整模型，直
到模型能够满足最低动态响应特性的要求为止。
模态分析的实质是求解具有有限个自由度的无阻尼和无外载荷状态下运动方
程的模态矢量咖1，因此又称为结构的固有振动特性分析。大客车行驶于各种不同
路面时，零部件在路面激振力及其他激振力的作用下会产生多种形式的振动，这
种振动值若处在结构固有振动频率附近就会产生共振和噪声，甚至造成车身结构
的疲劳破坏，车身的模态参数直接影响整车的震动、噪声以及疲劳特性。此外，
随着乘坐舒适性要求的越来越高，对车身结构的固有振动特性进行分析，并以此
确定车身结构的频率响应特性和振型具有十分重要的意义。
模态分析结果可以用作验证和修正用于动态分析的有限元模型；通过对振型
和频率数据的比较，可以定性或定量的判断大客车车身有限元模型的可靠性；模
态分析也在一定程度上也反映了整车结构刚度的分布情况。因此，可利用模态分
析来进行进行模型的有效性验证，其原则如下晦"：
①骨架低阶频率，即整体一阶扭转和一阶弯曲频率的值。该值应高于悬挂下
共振频率而低于发动机怠速频率，以避免发生整体共振现象。
②骨架弹性模态频率应尽可能避开发动机经常工作频率。
⑧骨架振型应尽可能光滑，避免有突变。
3．4．1大客车车身模态仿真计算
在模态分析过程中，一般只对白车身结构特性进行研究，不考虑如发动机、
速箱等部件与车身的刚度和惯性的耦合作用。对于大客车这样的大型空间薄壳结
构，通常高频振动一般只是局部振动，对整车影响较小，而低阶的振动则对结构
影响较大，低阶模态基本可以反映客车车身的刚度特性。因此，本文只对大客车
白车身结构无约束自由模态进行了分析。
应用有限元法对客车进行模态分析的主要步骤是：建立有限元模型、施加载
荷并求解、应用子空间迭代法扩展模态、检查计算结果。
经计算得出该大客车的前12阶模态，其中前6阶为车身的刚体模态，频率基
本为0，因此从第七阶模态开始分析，具体结果见表3．5。
第三章大客车车身建模及模型验证
表3．5大客车车身自由模态分析结果
Tab．3．5 Modal analysis results of coach body
阶数振型图频率振型麓￡蠡氢隐、
l 醺氏双恢强勰㈣整体～阶
一—‘乏，嚣蠢N覃=^ 6．9965
麴塑秽扭转
氨一阶水平
2 8．4026 稠爿k0娜
侧弯
届车身上部
l 3 11．8418
横向弯扭
IkN器扩瓢吵
整车侧向
4 13．2720 一阶
弯扭
第二章大客车车身建模及模型验证45
垂直
5 15．1137
弯扭
憋二L 。凋鬣爱霁融掣———罗馨囊震翳缀囊渺篚墨萄)瓷研＼>y
一一积鼐、黧} 二阶侧向
6 愆阐圈_鬣瞪弹因斟aRP莎yf 16．2154
弯扭
*一弋℃型少
3．4．2大客车车身模态评价
在汽车行驶过程中，激励源主要来自于路面的不平度以及车轮、发动机、传
动轴等转动时的不平衡引起的。其中，路面激励一般由道路条件决定，目前高速
公路和一般城市较好路面的激励力多在3Hz以下(路面波长取10m，车速为
120kin／h)，此激励分量较大；因车轮不平衡引起的激振频率一般低于11Hz(最高车
速取120km／h，轮胎滚动半径为950mm)，随着现代轮辋制造质量及检测水平的提
高，此激励分量较小；发动机引起的激振在35Hz以上(取怠速为700r／min)，此激
励分量较大；城市中一般车速控制在50"-"80km／h，高速公路上一般车速控制在
120km／h左右，传动轴的不平衡引起的振动的频率范围在33Hz以上，此激励分量
较小。因此，从振动和强度角度考虑，若以避开敏感频率2Hz为标准，对结构强
度影响较大或有几何约束要求的振型应远离较大激励分量的激励频率，车身前几
阶主要振型(主要指弯曲和扭转等)应出现在13Hz～33Hz之间，若考虑到车轮不平
衡力较小，车身前几阶主要振型可出现在5Hz---,33Hz之间脚1。
按照大客车车身结构的动态设计要求，其模态频率应错开载荷激振频率。由
以上各阶的模态分析可见，该大客车车身结构的固有频率避开了主要激振频率，
车身前几阶振型的固有频率在6．99Hz,-．-16．21Hz的范围内，满足5Hz,--．,33I--Iz的设
计要求要求，且各阶的模态变化较平顺，不存在刚度、强度的突变现象。
另外也可以按类比的方法来评价大客车的模态特性，表3．5为本文中的大客
车模型模态频率和某同型车模态试验测得的固有频率的对比，两车的低阶固有频
第三章人客车车身建模及模型验证
率比较接近，这同样可以反映本文所建立大客车模型是可靠和有效的。
表3．6客车仿真模型和同类车模态特性对比
Tab．3．6 Contrast from modal analysis results between coach simulation model and similar vehicle
阶数l 2 3 4 5 6
仿真模型模态频率
6．9965 8．4026 11．8418 13．2720 15．1137 16．2154
(Hz)
同型车试验模态频率
7．575 9．525 13．388 15．244 15．634 17．566
(Hz)
3．5本章小结
本章，首先明确制定了客车侧翻碰撞仿真流程，为整个仿真研究打下基础。
接下来阐述客车车身结构特点，结合侧翻碰撞仿真需求，合理简化客车的几何模
型，详细分析有限元网格划分中存在的影响因素网格尺寸与网格密度，通过
HyperMesh划分网格，并制定网格质量检查标准，建立符合标准要求的较高质量
的大客车骨架有限元网格模型。
其次，通过赋予网格模型材料属性，依照实际情况连接各大部件，按照力学
特性加载载荷，建立大客车骨架的静力学有限元分析模型。在此基础上，对各工
况下模型的变形及应力分布情况进行了详细的分析，结果表明没有出现任何屈服
现象，该大客车有限元模型能满足常用工况车身结构强度使用要求。
最后，计算该大客车模型前十二阶自由模态，模态分析的结果显示，大客车
模型模态固有频率为6．99"一16．21Hz出现在正常的范围内，各阶的模态变化较平顺，
不存在刚度、强度的突变现象。前六阶固有频率与同型车模态试验所测得的固有
频率比较接近，该大客车动态响应特性良好。
通过上述分析，说明本文所建立的大客车模型是可靠和有效的，可以用来进
行下一步分析。
第四章大客车侧翻碰撞试验仿真研究47
第四章大客车侧翻碰撞试验仿真研究
近年来，我国客车行业蓬勃发展，国内市场旺盛，出口也保持良好的势头，
但客车安全性能总体上还有一定差距。随着国内对客车安全性的日益增加，而且
海外市场普遍对侧翻安全性有严格的准入制度。客车车身结构的侧翻安全性问题
研究，已摆在各大厂家面前。客车侧翻试验是一个动态的过程，因此需要动态模
拟来直观和准确地反映出来。
本章基于前文建立的大客车骨架有限元网格模型，按照LS．DYNA格式建立并
完善客车整车侧翻有限元模型，参照ECE R66标准建立侧翻试验台，按照试验流
程简化并模拟客车侧翻碰撞过程。提交LS．DYNA对大客车有限元数值模型进行计
算，利用HyperView、HyperGraph并结合LS—PREPOST对仿真结果进行分析。这
样所建立的从前处理、模型验证、计算到后处理仿真系统模拟实验，可以得到车
身结构在侧翻碰撞时发生的变形与能量等全部的动态过程信息。仿真流程化、结
果精度较高，使得仿真分析可在设计阶段进行，可直观动态演示整个碰撞过程中
的各种物理量变化，便于对数据结果进行分析以及对结构设计的不足之处及时改
进，从而缩短设计试验周期，节省大量的人力和生产费用。
4．1大客车侧翻安全性的试验概述
4．1．1客车侧翻安全性标准ECE R66简介嘲1
本文将参照欧洲客车侧翻安全性标准ECE R66即客车车身上部结构强度法
规，进行相关的客车侧翻仿真模拟研究与试验，因此，下面本文将对本研究将会
用到的部份法规标准进行简单的阐述。
ECE R66标准中详细规定了关于客车上部结构强度验证以及客车静态侧翻试
验的相关信息。诸如：剩余空间的定义：试验台以及其它试验条件的规定。还有
关于试验审核要求方面的详细内容，例如：车辆的上层机构应具有足够的强度来
保证通过客车静态侧翻试验；在对剩余空间侵占评估时，任何原先位于剩余空间
中的结构部件均应忽略；剩余空间的任何部分都不会延伸到变形结构以外等。
ECE R66车身上部强度试验可以采用以下四种方法中的一种进行试验：
①整车侧翻试验；
②车身段或代表车身的几段侧翻试验；
③车身段的摆锤试验；
④上部结构强度计算机模拟验证。
在试验后，车身骨架必须具有足够的强度和刚度，并要求：车身任何结构部
48 第四章大客车侧翻碰撞试验仿真研究
分的位移都不允许侵入乘客的生存空间：生存空间内的任何部份都不能突出至变
形的车身结构外。本次模拟仿真将采用第四种方法进行试验，因此对法规中的详
细规定进行逐一介绍。
4．1．2翻转平台与试验过程的规定
在ECE R66中，对倾斜平台和水泥地面各方面都作了详细规定。倾斜平台应
具有足够的刚性和充分可控的转速，以保证同时举起车轴，所测的轴下与平台间
的斜角差小于10。倾斜平台相对于水泥地面，应按尺寸要求放置(见图4．1)：车
轮支架应置于车轮靠近旋转轴处，防止车辆倾斜时滑向一边。车轮支架的主要尺
寸特征见图4．1。
车辆的垂直纵向中心平面(VLCP)可平行于旋转轴。建造的倾斜平台应可防
止车辆沿其纵轴移动。水泥地面的撞击区域应为水平、均匀、干燥、光滑的水泥
表面。
maX
图4．1倾斜台的几何图
Fig．4．1 Geometry of the tilting bench
试验时，如图4．2所示车辆位于翻转平板上，悬置锁止，翻倒方向为大客车翻
滚时车身和生存空间最容易发生相互穿透的方向；翻转平台以不超50／s(0．087rad／s)
的角速度绕倾斜轴旋转；在车辆未达到不稳定平衡和倾翻前，倾斜过程中不得有
摇动和动力影响；车辆达到不稳定平衡角度时，倾斜平台停止转动，车辆靠自身
重力开始倾翻，直到翻倒在水泥地上。通过安装在车内的变形规和车外安放的高
速摄像机或其他适宜的装置，来查看和记录客车结构对生存空间的侵入量，判断
是否满足标准要求。此要求至少应在两个位置进行验证，一般是在乘客区的前部
和后部。
第四章大客车侧翻碰撞试验仿真研究49
图4．2侧翻过程中客车重心从开始到不稳定平衡点的运动轨迹
Fig．4．2 Showing the path ofthe centre ofgravity through the starting,unstable equilibrium,position
4．1．3生存空间的规定和要求
生存空间是指在乘客车厢、乘务员和驾驶员车厢中预留的，以增加乘客和司
乘人员在侧翻事故中逃生可能性的空间。ECE R66法规规定，①车身任何部分的
位移都不允许侵入生存空间；②生存空间内的任何部分都不能突出至变形的车身
结构外。该规定适用于客车上的所有结构零件、部件、板件以及所有凸出的刚性
零件，如行李架、通风装置等，但不适用于车内的隔板、隔墙以及酒吧、厨房或
洗手间等固定设施。
生存空间尺寸定义为：车辆生存空间的外围通过在汽车内建立一个垂直横向
平面进行确定，其边缘如图4．3(a)和图4．3(c)所示，将该平面按以下方法移动
穿过整个车长(见图4．3(b))，说明如下：
@SR点是确定客车生存空间测量的基准点。位于外侧每个朝前或朝后的座位
(或假定的座椅位置)靠背上，距座椅下的地面500mm处，离侧围内表面150mm。
如果位于中间平面上的座位朝里，这些尺寸也适用。
②如果客车的两个侧面因地板排列而不对称，因此SR点的高度也不同，生存
空间的两条地板线间相差的距离应作为车辆的纵向垂直中心平面(见图4．3(c))。
③生存空间的最后面是一个垂直平面，离最后面外侧座位的SR点200mm，
或离汽车后围内表面200mm，如果SR点后面距离少于200mm的话。生存空间的
最前面是一个垂直平面，在车辆最前面的座位(不论是乘客、乘务员或是驾驶员
第四章大客车侧翻碰撞试验仿真研究
座位)最大限度向前调整后，距其SR点前方600ram。如果客车两侧的最前面和
最后面的座位不在同一横向平面上，每侧的生存空间的长度则不同。
④在乘客、乘务员和驾驶员车厢内，生存空间在其最后面和最前面的平面上
连续不断的，沿车辆两侧穿过SR点的直线按整个车长移动设定的垂直横向平面而
确定。通过最后面及在最前面的座位之前的SR点的直线是水平的。
⑤生产商可确定一个比给定座位安排所需要空间更大的生存空间，以模拟车
型组中的一种最坏情况，以便日后设计上的改进。
a}横向捧纠示意围c)
图4．3生存空间示意图
Fig．4．3 Specification ofresidual space
4．2大客车侧翻试验台有限元模型的建立
4．2．1大客车临界侧翻角的计算
在侧翻试验模拟仿真中，由于客车的碰撞能力来自于客车自身重力做功，重
心位置影响碰撞能量，直接决定仿真精度。由于仿真做的是刚性汽车的准静态侧
翻实验，故计算的是静态侧翻角度的大小，所以临界侧翻角是关系建模质量的另
一重要因素。虽然侧翻角在试验时通过仪器可以测得，但是作为工程设计，必须
求得其理论解恻。
第四章大客车侧翻碰撞试验仿真研究5l
大客车具有整车尺寸大、质量大、重心较高的结构特点。对于大客车来说，
临界状态下侧翻角的大小，是衡量车辆操纵稳定性的一个重要标志，也是车辆设
计的重要依据之一。这里，“刚性汽车"是指忽略汽车悬架及轮胎的弹性变形，“临
界侧翻角"是指汽车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
角哺¨。在侧倾平面内，刚性汽车的准静态侧翻模型示意图如图4．4所示。
图4．4刚性汽车准静态侧翻模型
Fig．4．4 Rigid quasi—static model of rollover vehicle
对图4．4中的刚性汽车进行受力分析，司得：
F：iB+mgh譬s伽∥一吉mgBcosfl=0 式(4．1)
式中：巴为路面对车辆垂直反力，曰为轮距，m为整车质量，k为质心高度，
∥为临界侧翻角。由式4．1可知，足减小到零时，汽车在侧倾平面内不能保持平
衡，从而开始侧翻。
可得临界侧翻角：∥=撇t舳瓦B 式(4．2)
如果考虑偏心距e(nun)，则
∥：arctan罢当式(4．3) ’
2^。
’
代入大客车的各个参数，就可以得出临界侧翻角的具体值，然后可与试验所
得的值进行比较，本文中所选择分析的大客车模型的侧翻角经计算为35．20。
52 第四章大客下侧翻碰撞试验仿真研究
4．2．2翻转平台与生存空间有限元模型的建立
按照ECE R66法规尺寸要求建立了翻转平台的几何模型，然后进行网格划分，
网格大小为100ram，建立有限元网格模型，并赋予翻转平台单元及材料属性，定
义翻转平台为壳单元，刚性材料。
对于水泥地面则用刚性墙来代替。刚性墙的建立有四种类型的刚性强可供选
择见图4．5：
①无限平面；
②任意直径的无限圆柱体形状的刚性墙；
③任意直径的球体形状的刚性墙；
④平行四边形刚性墙。
凸Ml圆柱体
图4．5刚性墙类型
Figure 4．5 Types ofrigid walls
I
I。
从节直
体
每种刚性墙都可以设定为固定的或是移动的，并且刚性墙的定义中要有一个
主节点和一组从节点，对于从节点的定义可以通过选择确定的节点或者是给定一
定的距离长度，在该范围内的一切点都是从属节点。刚性墙是一个可设定的结构，
每个节点的每个方向都是一个动力学条件，所以刚性墙的定义是一个运动学方程。
本文采用的是无限平面的固定刚性墙，该刚性墙在仿真过程中不发生任何变
形。首先选择无限平面刚性墙这种形式，然后设定一个基点，并给定其法向方向。
对于给定的基点就是主节点，刚性墙就是主面，本模型的从节点是通过给定距主
节点一定的距离范围内的所有节点来设定的。之后，要给刚性墙赋予一定的参数，
例如摩擦系数等。最后，按照上述要求建立了翻转平台模型如图4．6所示。
第四章大客车侧翻碰撞试验仿真研究53
图4．6翻转平台模型
Fig．4．6 Finite element model of the tilting bench
根据ECE R66法规规定的生存空间位置尺寸，建立刚性平面模拟生存空间，
由于地板骨架变形很小，可忽略不计，其与地板骨架采用EXTRA NODES的连接
方式固连在一起，随整车侧翻，如图4．7所示，黄、红、紫色部分即分别为乘员、
驾驶员、后排乘员的生存空间。
模型中生存空间的质量及其大小，对整车质量不构成影响，不影响仿真精度，
网格大小为50mm。在侧翻仿真过程中，生存空间与侧围、地面之间均不设置接触，
若生存空间被侵入，则生存空间将穿透侧围骨架。采用逆向思维方式，生存空间
穿透出侧围内表面的部分即为生存空间被侵入空间，从而可在仿真中确定生存空
间是否被入侵，且可测量出侧围任何一点侵入生存空间的距离，定量地分析生存
空间受入侵的程度。
图4．7按照法规要求建立生存空间模型
Fig．4．7 Residual space in accordance with regulations established model
第四章大客车侧翻碰撞试验仿真研究
4．3大客车侧翻动态模拟有限元模型的建立
数值仿真是研究客车侧翻碰撞安全性的一个重要手段№2|。在前文已验证的大
客车车体骨架有限元模型基础上，本节将继续完善大客车的侧翻碰撞有限元模型，
如轮胎、车轴等模型建立，模型接触、载荷、约束、输出参数、时步及沙漏控制
的定义等。最后，本节将对建好的客车侧翻碰撞模型进行仿真计算并对其结果分
析评价。
大客车侧翻过程的动态模拟是在LS．DYNA的环境中进行计算的，需要按照
LS．DYNA的格式重新对单元类型的选取、单元属性及材料的定义、算法选取、部
件的连接等方面进行重新定义。基于动态显式非线性有限元分析的计算机仿真，
与隐式算法不同，其算法是有条件稳定的，包括由简化单元计算使用的单点高斯
积分引起的沙漏模态与应力波传递带来的数值震荡均需进行有效控制哺31，同时，
显式积分的稳定性还受临界时间步长的控制。为了确保使用LS．DYNA软件进行碰
撞仿真模拟的有效性，需要对单元选择、积分点选取、材料定义、接触设置等进
行分析。
4．3．1单元类型选择与积分点的选取
对于有限元碰撞仿真分析，建立有限元模型时基于什么样的单元进行分析是
非常重要的。选择单元类型，主要考虑结构的几何形状，其次是分析目的，加载
条件和经济性。客车车身骨架是由大量不同截面的型钢焊接组成，是典型的空间
框架结构，型钢属于典型的薄壁构件，进行侧翻模拟计算时，需描述载荷的分布
情况、客车承受撞击的能量和方向。当结构的应力超出材料的弹性极限时，还应
模拟在塑性大变形下结构的变形特性。所以，在进行模拟计算时，如使用全梁单
元仿真分析，虽能够节省时间，提高效率，但是计算模拟的精度不能保证。因此
本文在进行客车侧翻碰撞分析中选择用全薄壳单元来进行空间离散。
在非线性动力问题的研究发展中，产生了多种薄壳单元算法，LS．DYNA970
为壳单元提供了16种算法，薄壳单元的选择和算法对于计算的效率与正确性有着
重要的意义。它们之间的主要差别在于采用的积分方法不同以及能否控制沙漏。
对相同单元，不同的壳单元算法导致的计算时间差别会很大。
从计算的精度、仿真的效率以及计算稳定性来考虑，本文将单元类型选择为
BT单元，如图4．8所示，为右侧围壳单元的定义。同时，contr01．shell中关于几何
翘曲刚度的计算选用BWC的计算法，自动设置四边形退化单元应用Co三角形单
元公式计算，防止横向剪切时发生锁死。在对仿真结果分析后，如果某些部件沙
漏较大，则需要改变部件的单元属性，采用S／R Hughe．Liu选择性缩减积分壳单元，
避免沙漏模式。
第四章大客车侧翻碰撞试验仿真研究55
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． 巴! 【眦】． !竺坠! l∞F1 ．叠璺楚壁．盈
广—1—1阿广f r om T' fr 0111 T1 f rom T1 0．0 r——r丽10厂————1
图4．8壳单元定义
Fig．4．8 The definition ofshell elements
积分点是相对于壳单元的厚度方向而言的，其示意图见图4．9，积分点的选取
对计算结果有很大的影响，一般的单点积分很容易出现仿真失真的情况，原因在
于若单点积分时，仅仅考虑了中心面的积分，而上、下表面的没有参与计算，这
是与实际有很大的差别。一般最常选用的积分点是2点积分，即上下表面参与计
算，但是中心面不参与计算。在本文中，选择考虑中心面参与计算的情况。图4．8
中，侧围壳单元定义为5个积分点。
对于BT壳单元可以指定在单元厚度方向上的积分点数，增加积分点可以更好
地反映单元在厚度方向上的变形，但同时会增加模拟计算的时间。综合计仿真精
度和效率两方面来考虑，在本文中对不同部分采用了不同的积分点。在侧翻碰撞
中，大变形的区域，如侧围、腰梁和顶盖等部件，其壳单元的积分点选则5积分
点，而在大变形附近的部件选择3个积分点，同时在远离碰撞区域的如大客车的
底架、轮胎等部件选择2个积分点。
J I S=l
～t
图4．9积分点示意图
Fig 4．9 Schematic diagram of integral points
4．3．2材料属性定义
有限元计算是对模型单元的计算，有限元本身的算法决定了如何计算，怎样
计算，材料参数设置直接决定了计算单元的响应。材料模型的定义是仿真模拟中
一个非常重要的环节，它直接影响着数值仿真模拟的精度和可靠性，因此有必要
对材料模型的定义有一个正确的认识，也成为近年来碰撞仿真研究的一个热点。
侧翻碰撞有限元仿真结果的准确性很大程度上依赖于材料模型的选择和材料
参数的确定，在LS．DYNA中有将近140多种材料模型，提供了丰富的材料库。由
第四章大客下侧翻碰撞试验仿真研究
于本文主要研究客车侧翻结构碰撞性能分析，侧翻过程属于大变形过程，且侧翻
碰撞的速度相对静态或者准静态过程而言可谓高速，而车身骨架材料为对应变率
较敏感的低碳钢，因此必须考虑应变率对材料性能的影响。各种材料都定义了详
细的应力一应变曲线。LS．DYNA对于应变率的影响提供了四种常用方法：
①Cowper-Symonds：
②屈服应力为应变率的函数方法；
③幂指数方法；
④不同应变率的硬化曲线以图标的方式输入的方法。
本文采用LS-DYNA默认的Cowper-Symonds方法：
；!
盯y=厂1+f，号夕P，·(00+胚p占易，) 式(4．4)
o
式中：
盯。一一动态屈服应力；
仃。一一静态屈服应力；
C、P一一用户定义的应变率参数。本文设定为：C=40，P=5。
根据厂家提供的资料，车身底架材料为16MnL，其余骨架材料为Q235A，弹
性模量为207GPa，密度为7800kg／m3。在LS．DYNA3D软件中采用线性各向同性
材料进行模拟，图4．10为16MnL材料的定义。
‘M^T．PI ECEWI SE—LI NEAR．PL^SI I CI lY—I I T LF 恻3dle
———————l 汗了【鼬_o】百前衙广而【霄E1 阿衙广—【1NO】__矿广了弱【s—IGYl而百_广—【L5'I1"A1N】陌r厂—【1ErPP而F】面一广—【帆1】1厅r
r等％丽_厂—‰矿逝盥坠斗盥丝叫‘嚣I
图4．10 16MnL材料定义
Fig．4．10 The material definitions of 16MnL
由于大部分有限元软件都是无量纲的，为保证输出结果的一致性，必须保证
输入参数量纲的一致性，根据HyperMesh软件通常采用输入的量级为长度／mm，
时间／s，质量／t，力／N，输出的量级为应力／Mpa，能量／Nmm。
4．3．3接触定义
在大客车侧翻碰撞过程中，车身结构的大变形和大位移必然会导致部分构件
之间的相互接触和摩擦。LS．DYNA提供了40多种接触类型可供选择，具有强大
的接触分析能力。本仿真模型中，可以预见，接触主要发生在车体与刚性地面、
车体与翻转平台以及车体本身之间。其中车体与刚性地面之间的接触将发生在车
体右侧零件和刚性地面之间；车体与翻转平台之间的接触发生在轮胎和平台之间；
第四章人客车侧翻碰撞试验仿真研究57
车体本身的接触发生在除了生存空间以外的所有车体结构之间。各接触对的类型
及定义方法：
表4．1接触定义
Tab．4．1 Defmition of contact
接触对接触类型静摩擦系数动摩擦系数关键字
地面一车体点面接触0．4 O．4 ·rigidwall-planar-id
平台．车体面面接触O．6 0．4 *contact．．automatic．．surface．．to．．surface．．id
单面
车体自身O．15 0．15 ·contact-automatic—single-sufface-id
自接触
同时，在接触卡片中，要定义接触算法。控制SLSFAC接触刚度设置为O．2，
RWPNAL刚性墙罚因子系数设置为1，ISLCHK初始穿透检查设置为1，IGNORE
设置为l消除在接触碰撞过程中初始穿透影响，具体接触算法设置见图4．11。
1．CONTROL—CONTACT
广fSLSFA—C】可【附一F，N^百L】广【眦c帐1—fTSHLT丽HKl !l阼lNO町!】I!fTHlKCHG!l．f0RiEN)!lI!刚M^ss】
广[—US船—TR—l 可厂【U—S列m—C]—可f广NSBC—S】——丁fME0刚】【炉ENEl 【SSTHKl [ECOT] 【11EDPRJl r——r百而一0 1 0 l o
【簖托】【DFRIcl 广—1r而r广—1广_前百_厂—[1E■DC矿]—厂——雨1广雨而厂广一厂—1广【矿TH厂】——11广百_矿酾厂丁——1—广—而丽‘瓦才F一r————一
【IGNORE】[FRCEN6] fSKIPRWG】[otrr汪6】【钎u舯】[SPOTDEL】【SPOTHIN】
! I ! l ! l ! I ! l !厂—11莉一
图4．11接触控制卡片
Fig．4．11 Contact control cards
把客车模型放入翻转试验平台，并准确定位，经过以上定义与设置后，如图
4．12为最后建立的翻转至临界侧翻角客车侧翻碰撞有限元计算模型，其中包含
305601个单元，共292303个节点。
图4．12客车骨架侧翻碰撞有限元计算模型
Fig．4．1 2 Coach body frame rollovcr crash finite element model
58 第四章大客车侧翻碰撞试验仿真研究
4．4大客车侧翻碰撞仿真过程参数设置与控制
4．4．1基于能量守恒的侧翻安全性仿真试验过程简化
如果在LS．DYNA中模拟整个侧翻过程，需要计算的时间相当长。由于条件限
制，结合本文分析目的，只对客车接触到地面开始分析。通常在现实的实验当中，
客车车体在未接触到地面的那一段过程不是我们所关注的，通过能量转换或者在
计算中设定柔性体和刚体的相互转换都可以大大提高计算效率，本文采取了能量
转换的方法简化大客车侧翻碰撞过程。
图4．13客车有限元模型侧翻示意图
Fig．4．1 3 Schematic diagram of the rollover coach finite element model
图4．13为客车侧翻过程示意图，其中点1、2、3分别为初始、临界侧翻、触
地三个阶段大客车的重心位置。h，为大客车上边梁接触地面时，整车的质心高度。
Ah为从达到不稳定平衡角度到大客车触地时，整车质心高度变化值。
本文，从客车开始接触地面时刻模拟。从临界侧翻位置到接触地面的过程中，
重心降低了Ah=970mm。侧翻时刻翻转平台和大客车旋转角速度保持恒定为50／s
即0．087rad／s，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：
E置l+E，l=E石2+Ep2 式(4．5)
寺励12+mghl=去砌22+嘲2 式(4．6)
‘ 二
妻，(缈22 COl2)=mgAh 式(4．7)
Z
，：2唑式(4．8)
COl。一C02。
第四章大客车侧翻碰撞试验仿真研究59
式中。E石。为临界侧翻时刻动能，E，．为临界侧翻时刻势能，E置：为接触地动
能，EP，为接触地面时刻势能，J为整车转动惯量，h．为临界侧翻时刻整车重心距
离地面高度，九为接触地面时刻整车重心距离地面高度。
设定任一角速度国。的值，将模型导入到LS．DYNA中计算，可以LS．DYNA
中计算出初始动能的值，由于：
1
．
Exo=i1． 02 式(4．9)
Z
，'D 可得：J=TL．E．,K0 式(4．10)
‰‘
将，带入式(4．8)，可求得，角速度国，=2．52tad／s。
4．4．2边界及约束条件设置
完成客车有限元建模之后，要根据仿真要求及实车侧翻试验实际情况，对其
施加约束和边界条件。
①初始角速度
根据4．4．1节对翻转过程的简化，求出大客车初始角速度国，=2．52rad／s。用
关键词·INITIAL_-vELOCITY_GENERATION定义，定义有两张卡片，卡片一给定
初速度值，卡片二给定旋转中心、旋转方向，具体定义见图4．14所示。
‘I N I T I A L—VE LOC I TY—GENERAT l ON
‰旦墼I l 12翌曼坠! fwJ fwl
1 3 8 1 l ·2 5 2 0
【XC] 【VC] [zcl 【似】【Ny】
厂丌可污_了n。广雨可行■疆彳厂及Tr可而一厂—_1■旷丽一
图4．14初始条件定义
Fig．4．14 Definition ofthe initial conditions
【vz]
【Nz】
[WATN]
[F，HASEl
②边界条件及约束的处理
在客车侧翻碰撞过程中，几乎所有的碰撞能量均来自于重力所做的功，因此
必须考虑重力加速度，取其值为9810mm／s2。重力加速度具体定义见图4．15所示。
用关键词·LOAD_BODY_Z,)及*DEFINE_CURVE_TITLE定义。
臣=霍墅【：] I呈!! 鏊；避蹩墨盈
2l 9 81 O O 0 0 0
⋯⋯一广X．．Diree60n
广Y Direclion
∥Z_Oim删on
图4．15重力加速度定义
Fig．4．1 5 Def'mition ofthe gravity acceleration
第四章人客乍侧翻碰撞试验仿真研究
在侧翻试验过程中，当客车轮胎离开翻转平台的一瞬间，平台停止转动，由
于模拟过程为大客车与地面碰撞的最后阶段，而此阶段翻转平台是固定不动的，
需要约束翻转平台的所有自由度，用关键词*BOUNDARY SPC_NODE ID定义。
4．4．3计算及输出参数设置
在递交LS—DYNA求解器进行解算前，还需要进行一系列的计算参数设置。
①碰撞模拟时间的确定
碰撞试验中，一般汽车碰撞过程通常在接触刚性壁后80．120ms内结束。由于
通常情况下轿车的碰撞速度要高于客车侧翻碰撞速度，且本文研究的大客车为发
动机后置式，前部刚度相对较低，平台对大客车还有一定力的作用，因此，侧翻
碰撞结束时间要长一些。参考试验数据，本文整个求解过程时间设置为400ms。
②沙漏控制
本文计算所用的大部分是Belytschko-Tsay壳单元采用的是单点高斯积分求
解，该算法可以极大地节省数据存储量和运算次数，但同时也会引起单元的零能
模式，或称沙漏模态。如果计算过程中，沙漏能超过模型总体内能的5％，一般认
为仿真结果是不可靠的，因此有必要对沙漏能进行控制。
通过第二章对沙漏模式的分析，可知，控制沙漏通常有五种方法。尽可能使
用均匀的网格划分，避免单点载荷，这两种方法在建立有限元模型时已使用；对
shell和solid的某些单元使用全积分方法，这种方法过于耗用计算机机时且很容易
造成另一问题——负体积，本模型网格质量较高，沙漏已较小，因此不采用这种
方法；弹性刚度算法一种是增加系统的弹性刚度，只要增加沙漏系统，就可以达
到增加系统弹性刚度的目的。然而，在大变形问题中，增加沙漏系数时必须格外
谨慎，因为增加沙漏系数后将会导致模型的响应过分刚硬，当沙漏系数超过0．15
时会导致计算失稳，此方法多数用在较低速度的碰撞分析中；因此本文综合考虑，
采用调整全局模型体积粘性。
粘性阻尼算法是调整模型的体积粘度。调整模型的体积粘度、人工体积粘度
最初用来处理应力波问题，在快速变形过程中，结构内部产生应力波，形成压力、
密度、质点加速度和能量的跳跃，为增加求解的稳定性，加入人工体积粘性，使
应力波的强间断模糊成在相当狭窄区域内急剧变化但却是连续变化的体积粘度可
以减少沙漏变形的发生。此沙漏控制方法是针对整个模型的。在LS．DYNA中采用
关键字木CONTROL BULK VISCOSITY来控制。
Ql为二次体积粘性系数，默认为1．5；Q2为线性体积粘性系数，默认为0．06。
③时间步长与质量缩放
考虑LS．DYNA采用显式算法进行直接积分，虽然每步计算时间和内存开销很
小，但求解的稳定性是有条件的，所以只有选用较小的时间步长才能保证计算结
第四章大客车侧翻碰撞试验仿真研究6l
构的正确。时间步长的选择决定了求解效率和中心差分法的稳定性。对于本文所
建客车侧翻有限元模型，控制实际计算时间步长的是最小壳单元尺寸，当模型的
网格质量不是很好的时候，如有很多小单元存在，此时计算时间将成倍增加。为
了减小计算量，在计算时对时间步长的控制是很有必要的啪1。
通过在第二章对时间积分算法的分析，我们知道单元的弹性模量、密度及泊
松比直接影响到时间步的大小，因此可以通过调整单元以上物理量的方式来调整
时间步长的大小。由于接触中需要真实的弹性模量，大小不宜作调整，因此实际
当中我们通常通过调整单元密度的方式来增大它的时间步长，称之为质量缩放。
LS．DYNA由关键字*CONTROL 中参数来人为控制时间．TIMESTEP DT2MS
步长，通过输入期望的实际计算时间步长，程序会自动增加对应单元的密度。在
LS．DⅥ呵A中，有两种质量缩放方式啪1：
(1)DT2MS为正的时间步。调整单元密度，使得所有单元都具有指定的时间步
长，质量缩放施加到全部单元上，一般只用于惯性效应不重要时。
(2)DT2MS为负的时间步。质量缩放只用于小于指定时间步长的单元。
本文采用第二种质量缩放方式，质量缩放系数TSSFAC设为默认0．9，指定时
间步长DT2MS为．2．4e。6s。虽然使用质量缩放可以有效降低求解时间，但某些单元
密度的增加必然导致有限元模型整体质量的额外增加，但却可以节省大量的计算
时间，为了保证求解结果的有效性，质量增加百分比应控制在5％以内。
④输出参数设置
本文采用LS—DYNA求解器进行仿真计算，需要定义一些控制卡片对计算结果
的输出进行控制。在LS—DYNA中有很多的这类控制卡片，并不是每个参数都需要
定义，应根据实际分析需要进行选择定义。在大客车侧翻碰撞仿真中，本文主要
定义了如表4．2所示的控制卡片：
表4．2主要的ASCII输出文件
Tab．4．2 The main ASCII output file
DATABASE BNDOUT 输出边界力及能量
DATABASE_GLSTAT 输出整个模型的整体信息
DATABASE——ELOUT 输出模型中定义的单元集合中所有单元的计算结果
DATABASE_NODFOR 输出模型中定义的节点力
DATABASE_NODOUT 输出节点的计算结果信息
DATABASE——MATSUM 输出与材料相关的信息
DATABASE_RCFORC 输出接触面的合成力计算结果
DATABASE——RWFORC 输出所有刚性墙的受力计算结果
62 第四章大客车侧翻碰撞试验仿真研究
在定义这些文件的输出卡片时，只需定义数据输出的时间间隔，这根据分析
精度来确定。具体在HyperMesh软件中定义如图4．16：
l●●DATABAsE—OPT 1 0N·一C o n t r o co r d·f o r ASC o u t p u t
【ABSTAT】【AVSFLT】IBNDOUT】【DEFGEO】【DEFORC] 【ELOUT】[GOEOUT】[GLS3"AT】广r1百百f百r广r百丽^雨广丁1育f而
【JNTFORCl 厂【MrATS可UM】而i[MO可VIEl T厂广[MPG--,S】丽百[N丽CFOPqC广] 广lNO可DFOR】而i[N玎ODOUT了】【RBDoUT】
lRCFORC】fRWFORC】【SBTOUT】[SECFORC】[SLEOUT] [SPCFORC】lSSSTAT] [SWFORC] r—r-可百百i可厂1—1而_石1丽．⋯⋯⋯一⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一
图4．16输出卡片设置
Fig 4．16 The set ofoutput card
4．5仿真过程及结果分析
利用本文建立的侧翻试验仿真系统，对大客车骨架侧翻碰撞模型进行侧翻试
验模拟，400ms的碰撞仿真计算过程需要17小时，同时质量缩放导致模型整体质
量增加不足1．12％，满足仿真系统关于模型质量增加不超过5％的稳定性要求，下
面是对仿真结果的分析。
4．5．1整车结构变形分析
整个碰撞仿真过程时间为400ms。由仿真结果可知，整个骨架侧翻过程有两个
碰撞阶段，第一阶段为车身顶部边梁先与地面碰撞，此阶段参与变形的区域较小，
只有顶盖、前风窗、左右侧围参与变形，而下车体部分变形较小。第二阶段为车
身脱离翻转平台，整个侧面与地面碰撞，此时整个骨架都参与变形。图4．17是客
车分别在0ms、O．06s、0．15s、0．2s、0．3s、0．4s六个不同时刻的车体变形图。
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西／ 啜／ 函／
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图4．17不同时刻的车体变形
Fig．4．17 The deformation of the coach body at different time
第四章大客车侧翻碰撞试验仿真研究63
从车体开始接触地面，碰撞瞬间，巨大的冲击力使整车开始发生变形，随着
碰撞的进行，接着冲击力通过骨架被传递到右侧围，导致右侧围也发生弯曲变形，
变形主要集中在接触点临近区域。从图4．17可以看出，碰撞时间持续到0．2s时，
车体变形逐渐增加变形达到最大，在0．22s时客车底架接触地面，与地面发生碰撞。
0．3s以后整车骨架变形迅速回弹，0．4s碰撞基本结束，车体沿着刚性地面滑动。
由于底架刚度比立柱刚度大很多，因此客车底架基本没有变形只发生少量弯曲。
顶部结构及车身立柱腰部强度偏弱，尤其是立柱腰部处出现了较大的塑性变形，
导致了客车上部结构侵入量较大。
畔
Stress(vonMlse}，Max)
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Global System
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Contour Plot LOldc{神1 Time=0 2999'38
Sttess(vonMise#．№_)
Global Syglem
ContourPlot Loadcase 1 Time。0 40亡哪2
Strer，s(vonMtBe}．MaxI
GIobal System
图4．18不同时刻的应力变形图
Fig．4．1 8 The deformation stress of the coach body at different time
图4．18为不同时刻车身结构的应力变形图，通过对应力分布结果分析，我们
可以看到应力主要发布在侧围立柱、顶盖及几个主要的塑性铰部位。其中，塑性
铰主要为侧围与顶盖上边梁、侧围和地板横梁的连接处、风窗立柱与腰梁的连接
处，应力较大。因此在客车设计过程中，要加强对这些部位的刚度强度。
4．5．2立柱变形分析
由于骨架翻转是一个动态变化的过程，为能测量乘员的生存空间变化情况。
考虑到底架部分变形很小，所以参考坐标系选在车底架上，图4．19为建立的局部
坐标。由于生存空间刚性材料且与底架通过部件连接在一起，因此在侧翻过程中
第四章大客车侧翻碰撞试验仿真研究
不变形，可作为参考标准。其中测量点选择在生存空间的最高位置处，统一选取
在距地板骨架为1250ram的高度处，如图4．20所示为选择的测量点。
图4．19定义的局部坐标
Fig．4．1 9 Definition of local coordinate
图4．20选取测量点
Fig．4．20 Select the measuring points
取变形大的第二根立柱(碰撞侧)进行测量，与生存空间的变化距离如图4．2l
所示，在0．22s附近变形量达到最大，沿所建局部坐标系x负方向变形量达354mm。
即此刻立柱已侵入生存空间量。
图4．21测量点距离时间历程
Fig．4．2 1 Time course of distance between the measuring points
第四章大客车侧翻碰撞试验仿真研究65
4．5．3碰撞能量分析
能量的转化贯穿于大客车侧翻整个过程，能量变化清楚表现在车体的碰撞过
程中。从碰撞开始阶段，动能迅速下降，车体动能转化为地面和车体由于摩擦而
产生的接触能及车体塑性变形能。由于碰撞过程中车体在地面上位移较小，所以
在整个分析过程中，由地面摩擦力所产生的热能转化可忽略不计。因此，客车侧
翻过程中的能量变化主要为车体动能转化为车体材料塑性变形能。
能量变化曲线见图4．22，清楚地反映了在车体的碰撞过程中，碰撞开始是大
客车和刚性地面的接触、变形由小到大，至最大，而后整个车体与地面接触，之
后车体迅速回弹，滑动直至停止。这一规律即揭示了碰撞过程的能量变化特征，
也为识别车体塌陷变形提供了重要的理论依据。
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之
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SlDE．ROLLING CARSH OF COACH BODY STRUCT
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0 0．15 0．2
Time／s
0．25 0．3 0．35 0．4
图4．22车体结构能量时间历程曲线
Fig．4．22 Time history curve of the the vehicle structure energy
由于采用单点高斯积分进行求解计算，沙漏现象不可避免。初始总能量最大
值为101070J，沙漏能为737J，由于沙漏能只占系统总能量0．73％，远小于仿真要
求沙漏能占总能量5％的要求，所以本模型的求解过程是可以接受的，结果是较准
确的。
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第四章大客车侧翻碰撞试验仿真研究
⋯． SIDE—ROLLING CARSH OF COACH BODY STRUCT
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23总能量与额外功
F．4．23T0al enrgy觚d exwork
图24能量比率
F．4．24Enrgy raio
的增加是因额外功引起的，总能量与外力做功趋势基本吻合，如图4．23
所其中Curve3为总能量与重力做功之差，总能量减去额外功后在仿真过程中
基持不变。图4．24所示为总能量与初始能量的比率，其比率始终严格控制在
正．05以内，能量守恒，满足仿真要求。综上分析，此次仿真分析所建立的有
限型，其仿真计算过程是稳定、准确、有效的。
第四章大客车侧翻碰撞试验仿真研究67
4．5．4速度响应与碰撞力分析
速度曲线能直观反应碰撞过程整车的响应状况。本文在仿真分析中，重点考
察了车身右侧围风窗处第二根立柱和整车质心的速度变化情况，并记录了相应的
速度曲线(见图4．25)。参考SAEJ211标准中有关车体速度截止频率的规定，以60Hz
的截止频率对所采样本进行了高频滤波处理，以除去碰撞过程中的高频振荡部分，
本文通过HyperCrcaph后处理软件编写滤波函数，经过滤波后的质心速度曲线(见
图4．26)。
图4．25质心速度一时间曲线
Fig．4．25 Curve of eentroid velocity V8 time
图4．26滤波之后的质心速度一一时间曲线
Fig．4．26 Curve ofeentroid velocity V8 time after filter
68 第四章大客车侧翻碰撞试验仿真研究
通过对质心处速度响应曲线如图4．26，
速度有一定的增大，到整车脱离翻转平台，
速下降到0，并在附近震荡。
我们可以看到，随着碰撞的开始质心
与地面接触发生碰撞后，质心速度迅
图4．27风窗立柱变形速度一一时间曲线
Fig．4．27 Curve of windshield pillar deformation velocity VS time
而从风窗立柱的速度响应曲线如图4．27，我们可以看出，风窗立柱变形速度
要大于质心变化速度，即碰撞触地瞬间对人体损伤较大。随着顶部、侧围骨架以
及其他吸能部位与地面接触、碰撞的开始，风窗立柱变形速度迅速下降，并在0
附近震荡。
图4．28碰撞力时间历程曲线图
Fig．4．28 CⅧrve of crash force Vs time
第四章大客车侧翻碰撞试验仿真研究69
图4．28为车身与地面接触力变化图。在整个碰撞过程中，存在两个碰撞力峰
值，第一阶段碰撞比第二阶段碰撞车身骨架受到的地面碰撞力要大。第一个峰值
出现在项部横梁及侧围与地面的接触碰撞阶段，吸收了大部分的能量，碰撞力达
4．5x106N。第二个峰值出现在整车脱离翻转平台，整车与地面接触碰撞阶段。
4．5．5乘员生存空间评价
分析车身骨架变形的目的，是评价车内乘员的生存空间的好坏。大客车侧翻
碰撞安全的最根本目的就是要保证驾驶员与乘员的生存空问。本文采用按照ECE
R66尺寸要求分别建立了驾驶员、乘员的生存空间有限元模型，便于直观评价车身
侧翻结构安全性能。图4．29-4．31分别为乘员、后排乘员、驾驶员的剩余空间。
图4．29乘员生存空间
F噜．4．29 Passengers residual space
图4．30后排乘员空间
Fig．4．30 Rear passengers residual space
70 第四章人客车侧翻碰撞试验仿真研究
图4．3l驾驶员生存空间
Fig．4．3 1 Driver residual space
通过对仿真结果分析可知，在0．215s时，第二根风窗立柱和前部腰梁，侵入
生存空间，侵入量达40．606ram，而后排乘员以及驾驶员生存空间均有一定的安全
余量。但ECE R66规定生存空间内的任何部份都不能突出至变形的车身结构外，
因此判断该客车结构侧翻安全性不满足法规要求。
4．6本章小结
本章主要依据ECE R66法规，建立大客车侧翻试验平台。然后对单元选择、
积分点选取、材料定义、接触设置等碰撞仿真模型建立过程中的影响因素进行分
析，建立有效的大客车侧翻碰撞模型。按照法规，设置仿真试验边界条件及约束，
并设置计算、输出参数。
通过对仿真结果能量、能量比率、沙漏能、速度响应及碰撞力等分析发现，
仿真过程及可靠有效，但是该客车生存空间侵入量40．606ram，不满足法规要求，
需要对该大客车进行结构改进。
第五章大客车侧翻碰撞安全性研究与模犁改进71
第五章大客车侧翻碰撞安全性研究与模型改进
客车侧翻碰撞事故中，客车上部结构强度的考核和乘员生存空间的研究是两
个最重要的研究对象。研究客车侧翻安全性的最终目的是保护车内乘员的安全，
所以对乘客生存空间的评价方法的研究便显得尤为重要。目前，在计算机模拟客
车侧翻的评价方法有多种，本文介绍了现有的几种试验和仿真评价方法，分析发
现如何科学、合理、量化评价仿真结果还没有深入研究。
本章对国内存在的侧翻评价方法进行分析，然后引进一种国外对客车数字仿
真的评价方法，并利用该评价方法量化蒙皮对客车侧翻碰撞的影响程度。同时探
讨客车侧翻车身结构的薄弱部位，加以改进，并对客车改进前后进行等级评价。
5．1侧翻试验评价方法
目前客车倾翻事故中结构对乘客的保护研究主要集中在对其上部结构强度的
考核和乘员生存空间的研究。在客车侧翻试验中，ECE R66法规对生存空间的确
定和要求都有严格规定。目前，客车的侧翻结构碰撞性能评价方法无论是实车倾
翻试验，还是计算机模拟仿真也围绕上述两方面展开。
5．1．1现有试验评价方法
对侧翻试验中生存空间的检测，主要有颜料、变形规、高速摄像仪三种方式。
目前主要采用变形规测量和高速摄像测量，以及他们相结合的方式。
①颜料测量法
颜料测量法，是最先在侧翻试验中采用的一种方式，现在很少用的一种。是
通过在模拟变形空间的框架上涂颜料，根据侧翻试验后车身上是否沾染到颜料来
判定，侧翻试验中是否有部件侵入生存空间。这种检测方式只能从整体上判断生
存空间是否被侵入，但无法准确地反映生存空间受到入侵程度。
②变形规测量
根据生存空间的定义，同时考虑到试验主要是检测碰撞侧的立柱变形，在制
作变形规时只模拟碰撞侧的生存空间。图5．1即为目前采用的主流的第三代变形
规。变形规的后部是钢架结构，结构中空以便固定嵌入的泡沫材料，泡沫材料的
边界根据生存空间定义的高度、离立柱的距离等确定。生存空间确定后用大约
800mm长的钢丝测针穿透泡沫设置测量点，一般一个变形规上会设置34个测点，
测点的钢丝测针与生存空间的泡沫边界垂直。试验时，随着结构立柱的变形，变
形规上的钢丝测针会沿着与泡沫边界垂直的方向往后缩，当立柱变形最大时其产
生最大的回缩量，通过比较试验前后钢丝测针暴露在泡沫外面的长短，从而实现
72 第五章大客下侧翻碰撞安全性研究与模型改进
倾翻试验过程立柱动态变形的最大值测量，也即实现了乘员生存空间的量化检测。
同时，还可以根据钢丝测针是否完全缩回泡沫判断乘员生存空间是否被侵入。
在放置变形规时，一般放置在乘客区的前后端等认为是客车结构最为薄弱的
地方，变形规的数量可以根据厂家要求或者出口认证时认证机构的工程师的要求
布置。
图5．1变形规测量实验图
Fig．5．1 Deformation Measurement Experiment Figure Regulation
③高速摄像测量
在车辆外侧前后各放置一个高速摄像机，记录试验过程中整个车辆结构的变
形情况。同时还可以利用高速摄像的后处理软件，测量位移、速度和加速度等各
种数据，作为结果分析和判定的重要依据。这些技术资料对厂家以后的车型设计
工作起到重要的参考和依据作用。
5．1．2现有仿真评价方法
第一种方法，利用生存角评估生存空间。是在客车侧翻碰撞计算机仿真中，
将右侧围(试验中与地面接触一侧)与客车地板平面形成的夹角作为生存空间的
评价指标一一生存空间评估角口如图5．2所示，夹角变小表明生存空间有被侵入的
趋势。此评价方法将侧围视为是绕地板与侧围的交点D转动，侧围各段相对不变
形。在实际试验和仿真中，侧围各段变形情况通常不一致，一般是车窗处变形量
大于侧围立柱处变形量，而生存空间为梯形和长方形的组合，故生存空间评估角9
的变化难以准确反映生存空间受到入侵的情况。
另一方法是将侧围某点的侵入量作为生存空间的评价指标。由于在侧翻试验
中，侧围各部分变形不一致，测量点在各方向都有位移，生存空间为梯形和长方
形的组合，故只以某一点或几点的侵入量为指标也难以准确地反映生存空间是否
受到入侵。
第五章大客车侧翻碰撞安全性研究与模型改进73
图5．2生存空间评估角矽图图5．3接触力式生存空间有限元模型
Fig．5．2 Assessment ofresidual space angle 0 Fig．5．3 FEM ofcontact force-type residual space
第三种方法，是生存空间接触力式仿真评价方法。根据生存空间位置尺寸，
建立一系列刚性平面和弹性面模拟生存空间。在客车侧围内表面建立3个与立柱、
横梁共节点的弹性平面，在侧翻过程中随其一起变形，如图5．3所示。根据生存空
间与侧围弹性平面接触所产生的接触力判断出是否侵入生存空间，并可通过观察
接触力曲线峰值大小，评价乘员生存空间被侵入的严重程度。但这种方法中的接
触力是生存空间和侧围弹性平面的总接触力，只能从整体上判断生存空间被侵入
的程度。
第四种方法是㈣1，生存空间穿透式评价法，本文在乘员生存空间分析即用此
种方法，但本文评价是基于所建立局部坐标系。它根据生存空间的位置尺寸，建
立刚性平面模拟生存空间，其与地板采用部件连接的方式固连在一起，随整车侧
翻。模型中生存空间的质量及其大小，对整车质量影响很小，对仿真精度的影响
忽略不计。在侧翻仿真过程中，生存空间与侧围、地面之间均不设置接触，若生
存空间被侵入，则生存空间将穿透侧围。采用逆向思维方式，生存空间穿透出侧
围内表面的部分即为生存空间被侵入空间，从而可在仿真中确定生存空间是否被
入侵，且可测量出侧围任何一点侵入生存空间的距离，定量地分析生存空间受入
侵的程度。此种方法，评价生存空间较合理、简单，但不能反映顶部的变形情况。
5．1．3基于截断数字模型各PH的上部结构强度评价方法∞51
目前版本的法规ECE R66对客车的生存空间没有一个量化的检测，对结构的
安全性也没有一个量化指标的评价。国外文献，提出了一种基于客车截断数字模
型各塑性铰PH(plastic hinge)的上部结构强度评价方法。本文尝试引入该评价方
法，评价该客车上部结构强度。
74 第五章大客车侧翻碰撞安全性研究与模型改进
图5．4各塑性铰处结构夹角图5．5结构侵入生存空间临界图
Fig．5．4 Angles of interest in the bus CROSS section Fig．5．5 Geometry of the failure mode
图5．4标出了用于评价的整车上部结构各塑性铰处的结构夹角，其中：
al，n。为侧围与地板的夹角；
口，，n。为腰梁夹角；
n，，n。为侧围与车顶的夹角。
客车上部结构变形指数191。与上述角度的变化有关系。对于侧翻碰撞，指数
所。主要由碰撞侧的角度变化口。，口：或者％，‰决定，本文以嘶，n：侧为碰撞
侧。其函数关系可以定义为：
DI口=f(AnI，△口2) 式(5．1)
Anl、An2在图5．5结构侵入生存空间临界图中定义，其中An：等于口l和n2的
角度变化之和。图5．5中M，w2定义如下：
wl=，·tan(Anl) 式(5．2)
W2=(JIl—f)．tan(An2) 式(5．3)
设：d="14，1+W2=，·tan(△口1)+(^-I)·tan(An2) 式(5．4)
对式(5．4)右边等式两边同时除以d，得到：
了1．缸栉(△口1)+堕兰．ta刀(△口2)：l 式(5．5)
口“
因此，定义客车上部结构变形指数为
所口：喜．ta刀(△口1)+堕导．ta刀(△口2) 式(5．6)
第五章大客车侧翻碰撞安全性研究与模型改进75
由wl=150，W2=250己知
d=150+250=400mm 式(5．7)
将式(5．7)代人上(5．6)式，得到： 优。=去·tan(AaI)+百(1250-／)·tan(Aa2) 式(5．8)
从式(5．5)知道，饼。=l时，结构处于生存空间的临界点；当优。>1时，乘
员生存空间被结构侵入，结构不满足要求；当所。、I
、、．
＼＼ 一———且—一一1 ＼、
、、。p一、’、＼ —／
～’、皂一⋯ ／／
- ●
_ime棚l
图5．15改进前后侧围与地板骨架夹角al时间历程图
Fig．5．15 Time coursc view ofal contrast between before and after improvement
由图5．15可知侧围与地板骨架夹角由初始时刻的87．00220，变化最大时刻的
75．35350，变化角度Act，为11．6480，比改进前的18．2620减少6．6140。曲线也明显
反映侧围与地板夹角变化趋势，改进后侧围变形较小。
第五章大客车侧翻碰撞安全性研究与模型改进81
有了Aa。和△口：，则可计算出改进后该大客车的％值为O．65，依据客车上部
结构强度星级评价表0．6<0．65=DIu<0．8，星级评价结果为★★★，所以改进后
该客车上部结构强度较好，改进措施有效。
5．4本章小结
本章，首先对国内存在的侧翻试验评价方法进行分析，然后借鉴一种国外对
客车数字仿真的评价方法，并利用该评价方法量化蒙皮对客车侧翻碰撞的影响。
同时探讨客车侧翻车身结构的薄弱部位，加以改进，并对客车改进前后进行等级
评价。得到结论如下：
①蒙皮在侧翻碰撞过程中，对车身结构加强作用十分有限，可使生存空间侵
入量减少2．76mm，吸收4．1％的能量。在大客车侧翻碰撞仿真试验中，权衡效率与
精度，来决定是否考虑蒙皮作用。
②通过对侧翻过程进行分析，确定简单改进措施，仿真结果表明改进措施有
效，乘员有89．645mm的剩余生存空间。改进后的巩值由改进前的1．03减少到
O．65，星级评价结果为★★★，所以改进后该客车结构强度较好，满足法规要求。
以上的方法和手段为今后客车上部结构强度和生存空间的分析的等级评价提
供了参考，有一定的借鉴意义。
第六章结论与展望
第六章结论与展望
6．1结论
本文以某大型客车为研究对象，对客车侧翻安全性有限元仿真方法与车身结
构侧翻安全性及评价方法展开研究。研究大客车建模方法与大客车侧翻碰撞试验
过程，利用计算机仿真模拟大客车的侧翻碰撞试验，研究侧翻碰撞的车体结构响
应、能量、速度、碰撞力等，并分析蒙皮在侧翻碰撞中的影响程度。分析研究客
车车身的侧翻碰撞结构安全性，并针对薄弱部位从侵入量及车体变形进行相应的
结构改进，并借鉴国外客车上部结构强度的评价方法，分析评价改进效果。
本文主要结论如下：
①从模型简化、网格划分及质量控制标准三方面，提出基于侧翻碰撞性能研
究的大客车车身建模方法，经对模型工况、模态计算结果及侧翻仿真结果分析，
该方法是具有较高的精度是有效可靠的。
②针对整个侧翻碰撞试验过程较长、模型过大、计算时间过长，提出一种基
于能量守恒的侧翻仿真试验简化方法，在本文研究中表明，可以缩短计算时间提
高仿真效率。
③该大客车顶部结构及车身立柱腰部强度偏弱，尤其是立柱腰部处出现了较
大的塑性变形，导致了客车上部结构侵入量较大，第二根风窗立柱侵入量达
40．606mm，该客车不满足ECE R66法规要求。这些薄弱部位，是该大客车车身结
构安全设计需要重点改进的部位。
④对比分析客车张拉蒙皮在侧翻仿真试验中的影响程度。蒙皮吸能占吸收总
能量4．1％，可使侵入量减少2．816mm，蒙皮对侧翻结构有一定的加强作用。加蒙
皮模型计算时间增加19％，以后的侧翻碰撞试验仿真，要权衡效率与仿真实际需
求，来决定是否考虑蒙皮作用。
⑤本文就大客车模型顶盖、侧围、腰梁、斜撑等薄弱部位，提出对这些部位
的材料和厚度进行改进，经仿真分析，结果表明：改进后距生存空间还有89．645mm
的剩余生存空间，改进效果明显，达到侧翻安全性法规要求。
⑥鉴于目前法规对客车的结构安全性还没有一个量化指标的评价。本文，借
鉴一种国外客车上部结构强度的评价方法，尝试对改进前后模型进行星级评价，
评价结果表明该评价方法有效可行。
第六章结论与展望83
6．2展望
本文在研究过程中，虽然取得了一定的成果，但总体来说还有许多方面需要
做进一步的研究，本文下一步将主要对以下几个方面进行重点研究：
①本文在对客车侧翻碰撞的模拟中，应将假人以及客车中必备的约束系统加
入模型当中，分析客车的安全性，更加直观地得到乘员的损伤值，将是下一步研
究的重点。
②在客车车身结构的改进设计中，没有考虑整车的结构优化，仅仅对薄弱部
件更换材料，对梁结构壁厚的也改进仅仅作了简单的总体增厚和减薄处理，若能
进行进一步的优化研究，在车身结构的改进设计中考虑变截面的梁结构，就能更
好的考虑到客车轻量化和优化方面的问题。
③适当扩大模拟仿真客车种类及数量。通过对多种车型进行仿真分析，寻求
侧翻碰撞的车身变形规律与具有高可靠性和说服力的结论，以此指导产品开发和
设计。
④由于条件所限，本文的研究完全基于计算机仿真，虽然计算机仿真可以达
到较高的精度，但是最终还需要实车试验的检验。
致谢
致谢
本文是在导师邵毅明教授的精心指导下完成的，邵老师开阔的学术视野、严
谨的治学态度、勤于进取的精神、宽厚待人的学者风范、忘我奉献的工作作风，
这些深深地影响着我，激励着我!在导师的谆谆教诲下，本人在治学态度、科研
能力等方面有了很大的进步。在此，我首先向邵老师表示衷心地感谢，感谢他近
三年来对我的培养、教育、关心和支持!
论文工作过程中，得到了交通运输部公路科学研究所汽车运输技术研究中心
李强助理研究员，重庆车辆检测研究院王欣副研究员以及颜长征、覃祯员等工程
师，重庆大学吴胜利博士等给予的无私帮助与指导，在此向他们表示由衷的感谢!
同时，感谢各位同学，同门在论文写作中给我的指导和帮助。向所有在我论
文撰写过程中，关心和提供帮助的老师和同学表示最真挚的谢意。
感谢家人多年来的默默支持和关怀，正是他们在精神上的鼓励和物质上的支
持，使作者顺利完成研究生阶段的学习，没有他们的关爱和付出就没有我的今天。
在此，由衷的说一声：谢谢!
在此学业完成之际，向邵老师表示最衷心的感谢，并致以最崇高的敬意!向
所有关心和帮助过我的老师、同学和朋友表示由衷的感谢!同时也向参与本文评
阅和答辩工作的各位专家表示深深的谢意!
参考文献85
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在学期间发表的论著及取得的科研成果
一、在校期间发表的论文
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二、在校期间参与的科研项目
【1】重庆市科技攻关计划项目《路面快速修补养护车研究与开发》，参与稳定性分析设计与研
究报告撰写；
【2】重庆市自然科学基金计划项目‘高速公路车辆安全行驶速度智能化动态控制技术基础研
究》，参与交通运行系统建模方法与理论研究；
【3】重庆市交通委员会重点科技计划项目‘重庆市营运车船能源消耗及环境影响评价与管理对
策研究》，参与研究报告节能驾驶技术部分撰写；
【4】重庆市自然科学基金计划项目‘城市道路交通信息检测技术基础研究》，参与资料搜集整
理与相关调研工作。
大客车车身结构侧翻试验仿真与安全研究
作者： 查官飞
学位授予单位： 重庆交通大学
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1. 庞进军 客车侧翻安全性改进研究[学位论文]2011
2. 刘正愚.刘志宇客车侧翻试验[期刊论文]-四川兵工学报2010,31(12)
3. 唐建春.陈娜.李湘臣满足ADR要求的客车侧翻安全性试验方法[期刊论文]-城市车辆2008(11)
4. 高少华 客车侧翻试验法规及其发展趋势[期刊论文]-机电技术2009,32(3)
5. 张庭龙 某重型卡车侧翻性能的试验与仿真研究[学位论文]2011
6. 酒军亮 营运客车侧翻碰撞性能及乘员损伤研究[学位论文]2011
7. 范素芹.高顺喜.赵丽芳.赵树国.FAN Su-qin.GAO Shun-xi.ZHAO Li-fang.ZHAO Shu-guo 高速公路上防止货车侧
翻的研究[期刊论文]-河北工业科技2010,27(4)
8. 连金江 混凝土搅拌模型车防侧翻预警控制系统硬件设计及软件开发[学位论文]2010
9. 孙治华 营运客车正面碰撞车身结构安全性仿真与评价[学位论文]2011
本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Thesis_Y1901977.aspx

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