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道路交通事故中，車輛翻滾事故的死亡率較高。在美國(guó)，約40%的致命交通事故與車輛側(cè)滾翻有關(guān)。滾翻時(shí)，車輛頂部承受地而的強(qiáng)烈沖擊載荷作用，使客車頂部發(fā)生嚴(yán)重變形和壓潰，侵入乘員生存空間，對(duì)乘員的生命安全造成嚴(yán)重威脅團(tuán)。研究表明，車頂強(qiáng)度不足是導(dǎo)致乘員受傷的直接原因。目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)大客車、轎車進(jìn)行了較全面的CAE分析研究，并取得了一定成果。2012年5月1日，兩項(xiàng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)制性實(shí)施，國(guó)內(nèi)根據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)中型校車頂部強(qiáng)度安全的研究尚未見到報(bào)道。
本文以某中型校車為研究對(duì)象，參照標(biāo)準(zhǔn)，利用有限元分析法分析車頂結(jié)構(gòu)的變形、接觸力的變化，得到車頂載荷的主要承載結(jié)構(gòu)，并對(duì)關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，為校車頂部改進(jìn)設(shè)計(jì)提供參考。
整車CAD模型是由大量的復(fù)雜曲而組成，結(jié)合有限元分析計(jì)算的需求，需對(duì)整車幾何模型進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化，具體包括非承載部件；較小倒圓、倒棱、圓角等工藝結(jié)構(gòu)；各處的螺栓及螺栓孔；車身中非重要結(jié)構(gòu)，如轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、玻璃和各種內(nèi)飾件等。
這樣可省去大量的建模時(shí)間，而且在對(duì)模型后續(xù)處理中會(huì)更加高效與方便，使得求解的時(shí)間銳減，并且不會(huì)影響計(jì)算結(jié)果的精度。
車輛滾翻是一個(gè)復(fù)雜過(guò)程，是大轉(zhuǎn)動(dòng)、大應(yīng)變、大位秘的幾何非線性特征過(guò)程，以材料彈塑性變形為特征的材料線性過(guò)程，以接觸摩擦為特征的邊界非線性特征過(guò)程，所以模型變形構(gòu)件采用各向同性的彈塑性材料MAT 3f模型。通過(guò)在RADIOSSS求解器中的材料屬性卡對(duì)模理中的鋼材、合金鋼和非金屬材料進(jìn)行設(shè)置，各材料屬性如表所示。
整車結(jié)構(gòu)中包含了如發(fā)動(dòng)機(jī)、油箱、蓄電池等大質(zhì)量密度的非結(jié)構(gòu)部件，由于在車翻滾中變形很小，所以設(shè)定為剛性體。整車模型由幾大部件組裝而成，其中可變形部件之間采用點(diǎn)焊連接，Constained Rigid Body選項(xiàng)用來(lái)定義剛性件與可變形件之間的連接，Rigid Body選項(xiàng)用來(lái)定義剛性件之間的連接。整車模型各組件如圖所示。
結(jié)合輕型客車頂部碰撞的特點(diǎn)，將整車網(wǎng)格密度分為上、中和下三個(gè)不同區(qū)域：上部碰撞區(qū)域，網(wǎng)格密度高，網(wǎng)格長(zhǎng)為10mm；中部次變形區(qū)域，網(wǎng)格密度較高，網(wǎng)格邊長(zhǎng)為15mm；下部非碰撞區(qū)，網(wǎng)格邊長(zhǎng)為20mm。整車網(wǎng)格模型共包含422 972個(gè)殼單元。這樣，既保證了計(jì)算精度，又降低了計(jì)算機(jī)仿真時(shí)間。最終生成的整車模型如圖所示。
車身頂部承壓能力與車輛在發(fā)生滾翻時(shí)頂部結(jié)構(gòu)的變形密切相關(guān)。在試驗(yàn)中，車身置于地而上，為消除懸架及輪胎等結(jié)構(gòu)變形對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，將車架牢固固定在剛性面上。在頂部結(jié)構(gòu)上的壓力板在垂直方向緩慢地勻速向下移動(dòng)對(duì)車頂施加載荷，如圖所示。當(dāng)載荷達(dá)到整車裝備質(zhì)量的1.5倍時(shí)，并保持不少于5s直至變形穩(wěn)定時(shí)試驗(yàn)。
在仿真中車身結(jié)構(gòu)整體保證完整，車頂變形成規(guī)律分布，首先從最高處開始變形，使得頂部橫梁與側(cè)窗立柱發(fā)生壓縮變形，隨后橫梁發(fā)生彎曲變形，直至變形趨于穩(wěn)定，壓力板與頂部完全接觸，如圖所示。
壓力板與車身頂部的接觸力如圖所示。當(dāng)仿真進(jìn)行到122ms時(shí)車身結(jié)構(gòu)承受的載荷為41 895 N，是文獻(xiàn)中要求的1.5倍整車裝備質(zhì)量載荷，此時(shí)頂部最大變形為65.2 mm，并且在151ms時(shí)達(dá)到111 569 N，符合標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于承載能力的要求。
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