基于可靠性優(yōu)化設(shè)計的客車碰撞安全性研究

基于可靠性優(yōu)化設(shè)計的客車碰撞安全性研究(1．長沙理工大學(xué)工程車輛輕量化與可靠性技術(shù)湖南省高校重點實驗室,湖南長沙410004；2．湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計制造國家重點實驗室,湖南長沙410082)摘要：為了提高某客車在正面碰撞過程中的安全性，參照我國CMVDR294法規(guī)，采用有限元法建立了該大型客車前碰撞有限元仿真模型。針對其安全性不足的問題，提出對車身骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，并在車身前端安裝“田”字形吸能結(jié)構(gòu)?？紤]到設(shè)計制造過程中的誤差會影響客車碰撞安全的可靠性，將有限元法與試驗設(shè)計、響應(yīng)面法結(jié)合起來對“田”字形吸能結(jié)構(gòu)進(jìn)行可靠性優(yōu)化設(shè)計，并分析了與確定性優(yōu)化設(shè)計所得結(jié)果的差別。結(jié)果表明，對車身骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，在車身前端安裝“田”字形吸能結(jié)構(gòu)能顯著提升客車在正面碰撞過程中的安全性，且可靠性優(yōu)化設(shè)計與確定性優(yōu)化設(shè)計都能進(jìn)一步提高其正面碰撞安全性能；而當(dāng)設(shè)計變量取值發(fā)生變動時，可靠性優(yōu)化設(shè)計使吸能量的可靠度從原來的64.5%提高到了97.8%，更好地滿足了大型客車碰撞安全性的要求。關(guān)鍵詞：汽車工程；客車碰撞安全；可靠性優(yōu)化；客車；“田”字形吸能結(jié)構(gòu)0引言隨著我國汽車保有量的不斷增加，道路交通事故逐年上升，特別是一些特大交通事故總會引起人們的深入思考。大中型客車作為客運的主要載體，對它的碰撞結(jié)構(gòu)安全性研究已成為各研究機(jī)構(gòu)與汽車企業(yè)的重要方向[1]。我國2000年頒布實施的CMVDR294《關(guān)于正面碰撞乘員保護(hù)的設(shè)計規(guī)則》法規(guī)，總重2.5

t以下的小客車(M1類)在上市前必須進(jìn)行正面碰撞試驗。2003年，國家批準(zhǔn)發(fā)布《乘用車正面碰撞乘員保護(hù)》(GB

11551—2003)強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)。這些法規(guī)對乘用車和小客車的碰撞安全性都做出了明確的要求[2-5]。但是關(guān)于大客車碰撞安全性的標(biāo)準(zhǔn)目前還沒有。早在20世紀(jì)90年代，美國汽車企業(yè)就對校車進(jìn)行了整車的正面碰撞試驗。試驗方法和評價指標(biāo)均參照美國FMVSS208《碰撞乘員保護(hù)》法規(guī)，在駕駛員和乘員位置分別放置50%的HybridⅢ型假人，試驗速度為乘用車測試速度48.6

km/s，假人的損傷指標(biāo)評價參考其乘員保護(hù)的對應(yīng)規(guī)定。近幾年歐洲的客車安全研究人員開展了對客車的正面碰撞試驗，包括100%正面碰撞、部分偏置碰撞、正面柱碰撞試驗。但是關(guān)于碰撞過程中客車前部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的考核指標(biāo)以及碰撞能量的大小還沒有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。近年來，國內(nèi)各大型客車企業(yè)已開始關(guān)注大型客車的碰撞安全性，并開展了一定的工作。如2009年2月，鄭州宇通客車ZK6127H在國家汽車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心(襄樊)進(jìn)行了正面擺錘撞擊試驗[6]。2012年2月，廈門大金龍大型客車XMQ6900Y在北京交通部汽車試驗場進(jìn)行了正面碰撞試驗[7]。這些企業(yè)在大客車安全性方面的探索和嘗試對提高我國客車安全性技術(shù)水平起了推動作用。本文在分析大型客車與乘用車結(jié)構(gòu)差異的基礎(chǔ)上，建立了某大型客車的前部有限元模型，針對其碰撞安全性的問題，提出對大型客車底盤骨架進(jìn)行改進(jìn)并增加吸能結(jié)構(gòu)的方法。最后對大型客車吸能結(jié)構(gòu)進(jìn)行了可靠性優(yōu)化設(shè)計，使吸能結(jié)構(gòu)在不確定性因素的影響下可靠度更高，吸能特性更好。1大型客車前部有限元模型大型客車車身的主要結(jié)構(gòu)是車身骨架和底架，它們起了主要的承載作用[8]，發(fā)動機(jī)、變速箱、離合器等其他部件和內(nèi)外飾件，均通過鉚接、螺栓連接等方式固定在骨架或底架上。在行駛過程中，車身還要承受多種載荷的共同作用；同時，骨架還應(yīng)該滿足可以給乘員和駕駛員提供舒適便利的乘坐與工作環(huán)境；大型客車在發(fā)生碰撞等交通事故時，骨架應(yīng)該具有良好的緩沖吸能特性和抵抗變形的能力，使客車具有較好的安全性能，減輕對乘員的傷害。根據(jù)某廠家提供的大型客車前部結(jié)構(gòu)的二維\t"/content/17/0623/19/_blank"CAD圖紙以及相關(guān)技術(shù)參數(shù)，建立了客車前部結(jié)構(gòu)的幾何模型，將其轉(zhuǎn)為igs格式，并導(dǎo)入到Hypermesh前處理器中，進(jìn)行網(wǎng)格劃分。首先要對幾何模型進(jìn)行簡化處理，忽略車體的內(nèi)外飾以及密封板，刪除那些對整個模型力學(xué)性能影響很小的特征，如工藝孔、螺栓孔、小圓角及壓印等[9-11]。大型客車前部結(jié)構(gòu)主要為板、殼結(jié)構(gòu)，故在網(wǎng)格的劃分過程中，通過抽取中面，在中面上進(jìn)行二維網(wǎng)格的劃分，然后再設(shè)置中面的厚度和材料屬性。在有限元建模過程中對于客車前部變形部位，網(wǎng)格劃分較細(xì)，車身及底盤骨架的單元基本尺寸設(shè)為10

mm；對于吸能較少的車身蒙皮等部分的單元尺寸設(shè)為50

mm。網(wǎng)格劃分完成后，檢查網(wǎng)格的質(zhì)量，對不滿足質(zhì)量要求的網(wǎng)格進(jìn)行重新劃分，使其符合計算要求。大型客車車身骨架采用Q235B材料，底盤前段骨架采用高強(qiáng)鋼材料QSTE700TM，后段采用Q235B材料，蒙皮采用Q235A材料，設(shè)置相應(yīng)的材料密度、彈性模量、泊松比及應(yīng)力屈服強(qiáng)度，詳細(xì)參數(shù)見表1。表1材料參數(shù)

Tab.1Material

parameters材料名稱密度/(kg·mm-3)泊松比彈性模量/GPa屈服強(qiáng)度/GPaQ235A7.85×10-60.32100.206Q235B7.85×10-60.32100.370QSTE700TM7.86×10-60.32100.719我國CMVDR294法規(guī)規(guī)定M1類汽車正面碰撞瞬時速度為50

km/h，車輛碰撞安全性評價以及對成員保護(hù)能力的評價均是在該速度下進(jìn)行的，故本文模型的碰撞速度取為50

km/h。輪胎選擇等效轉(zhuǎn)動角速度，使其與地面保持只有相對轉(zhuǎn)動。車身骨架的各個總成采用共節(jié)點實現(xiàn)各部件的連接，蒙皮與車身骨架的連接采用焊接的方式。車身骨架和剛性墻的接觸、輪胎與地面的接觸、骨架和蒙皮之間的接觸均采用面面接觸方式，同時還要考慮車身各個部件的自接觸，設(shè)置動靜摩擦系數(shù)為0.2，并要求碰撞過程中的沙漏能占總能量的比重不超過5%。大型客車都是采用發(fā)動機(jī)后置、后輪驅(qū)動的方式，在正面碰撞過程中，主要的吸能部分在車身前端；而車身中后部，包括發(fā)動機(jī)在內(nèi)的動力總成等部分，在碰撞過程中幾乎不變形。為了減少有限元分析計算的工作量，本文將客車后端部分以集中質(zhì)量的方式添加在客車模型的尾端，并使添加了集中質(zhì)量的有限元模型與原客車總質(zhì)量8235

kg保持一致，建立的客車前部有限元模型如圖1所示。模型的計算時間設(shè)為100

ms。圖1客車前部有限元模型

Fig.1Finiteelementmodeloffrontbus有限元仿真計算的正面碰撞車身變形結(jié)果如圖2所示，從圖2中可以看出車體在發(fā)生碰撞時，碰撞能量完全通過客車的前圍以及駕駛艙的變形來吸收，駕駛艙的最大壓縮量超過450

mm，駕駛員生存空間被嚴(yán)重侵入，極易因擠壓和碰撞導(dǎo)致傷亡，安全性極低。因此有必要對客車的前部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)以提高其安全性。圖2原車正面碰撞變形圖

Fig.2Deformationgraphoforiginalbusfrontalcollision2客車吸能結(jié)構(gòu)的設(shè)計由于大型客車都是發(fā)動機(jī)后置的結(jié)構(gòu)形式，其前部無發(fā)動機(jī)艙，因此客車相對于乘用車來說其縱向吸能空間要小很多，但是其橫向空間大，吸能結(jié)構(gòu)可以均勻分布在整個前部鋼板上。同時考慮到客車質(zhì)量大，在碰撞過程中需要吸收的能量多，因此需要在客車的前端安裝多根吸能梁。2.1改變傳遞路徑由圖2可知，客車在碰撞過程中的主要變形在駕駛艙部分，這表明起主要吸能作用的客車底盤骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理。從圖3客車底盤骨架在碰撞前后的變形圖可以看出，駕駛艙對應(yīng)的底盤骨架變量很大，正面碰撞過程中的能量沒能有效傳遞到駕駛艙后方的底盤骨架上。因此需要對底盤骨架進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，改變其傳力路徑，使碰撞力向后傳遞，減少前部變形。改進(jìn)前、后的底盤骨架如圖4所示。圖3客車底盤骨架在碰撞前后的變形圖

Fig.3Deformationgraphsofbuschassisframebeforeandaftercollision圖4原客車底盤骨架和改進(jìn)后的客車底盤骨架

Fig.4Originalandimprovedchassisframe2.2吸能結(jié)構(gòu)的設(shè)計在駕駛室底盤的前方布置9個吸能梁結(jié)構(gòu)，吸能梁通過支撐板安裝在客車底盤骨架上，如圖5所示。駕駛員處于車身的左前側(cè)，在碰撞中受傷的風(fēng)險較大，因此在駕駛員側(cè)布置了更多的吸能梁。文獻(xiàn)研究[12-13]表明“田”字形梁的吸能特性較好，故本研究主要采用這兩種截面的吸能梁。由于客車本身的質(zhì)量較大，從輕量化的角度考慮，吸能結(jié)構(gòu)選用鋁合金6061，其材料密度為2.71×103kg/m3，只占鋼材的1/3左右，但它的單位質(zhì)量吸能量較大，能同時滿足吸能和輕量化的要求。由于受到客車前圍空間的限制，吸能梁的長度最長為230

mm。梁的邊長影響安裝吸能梁的數(shù)量。在該模型中，“田”字形吸能梁的邊長為160

mm，長度有200，150，130

mm

3種，不同長度的吸能結(jié)構(gòu)可以在吸能過程中起到緩沖的作用。安裝鋁合金“田”字形吸能結(jié)構(gòu)后的車身總重量增加了2.6

kg，初始動能增加了2.5

kJ，其質(zhì)量和動能的增加量在0.3%左右，對整車的影響幾乎可以忽略。3種長度的吸能梁分別安裝在客車的不同位置，如圖5和圖6所示。圖5“田”字形吸能梁安裝

Fig.5Schematicdiagramofinstalling“田”-shapedenergy-absorbingbeams圖6“田”字形吸能梁安裝示意圖(單位:mm)

Fig.6Schematicdiagramofinstalling“田”-shapedenergy-absorbingbeams(unit:mm)2.3改進(jìn)前后模型對比圖7為安裝“田”字形吸能結(jié)構(gòu)的模型在完全變形時的狀態(tài)，通過對比圖3可知，駕駛艙的變形量明顯減少。安裝“田”字形吸能結(jié)構(gòu)客車模型駕駛艙的最大變形量為241

mm，遠(yuǎn)小于原始模型的450

mm，為駕駛員保留了較大的生存空間，可以在很大程度上減少駕駛員因擠壓和碰撞而導(dǎo)致的傷亡。圖7改進(jìn)后的客車前部變形圖

Fig.7Deformationgraphoffrontofimprovedbus對于正面碰撞而言，加速度是衡量車輛車身結(jié)構(gòu)吸能特性好壞的另一個重要指標(biāo)，若加速度峰值大，則表明車身結(jié)構(gòu)剛性太強(qiáng)，傳遞到乘員的加速度有可能會超過人體的耐受極限而造成傷害。在駕駛員座椅上方位置安裝加速度傳感器，并進(jìn)行濾波處理，得到了客車改進(jìn)前后的加速度變化曲線如圖8所示，對應(yīng)的各模型的最大加速度值如表2所示。從表2可以看出安裝“田”字形吸能結(jié)構(gòu)模型的最大加速度值顯著降低，降低值超過30%。圖8加速度變化曲線

Fig.8Accelerationcurves

表2各模型最大加速度值

Tab.2

Maximum

acceleration

value

of

each

model模型無吸能結(jié)構(gòu)“田”字形最大加速度/(×g)116.870.3表3為原始大型客車模型、安裝“田”字形吸能結(jié)構(gòu)模型在碰撞中的能量情況，其中“田”字形吸能結(jié)構(gòu)吸收的能量為229.7

kJ，占總內(nèi)能的比重為30.3%。表3各模型主要能量及吸能比

Tab.3Main

energy

and

energy

absorption

ratio

in

each

model模型總能量/kJ總內(nèi)能/kJ吸能結(jié)構(gòu)吸收的內(nèi)能/kJ吸能比/%無吸能結(jié)構(gòu)799.5775.0——“田”字形802.0758.0229.730.33吸能結(jié)構(gòu)的可靠性優(yōu)化設(shè)計按照廠家的設(shè)計要求，吸能結(jié)構(gòu)的吸能比應(yīng)超過30%，“田”字形模型剛達(dá)到要求。考慮到零件的加工、裝配誤差，一旦設(shè)計變量因一些不確定因素而產(chǎn)生波動時，吸能結(jié)構(gòu)就有可能不滿足設(shè)計要求，因此在設(shè)計過程中要求吸能比盡可能達(dá)到35%(260

kJ)，這就需要進(jìn)行可靠性優(yōu)化設(shè)計。可靠性優(yōu)化設(shè)計的核心就是使設(shè)計的產(chǎn)品在達(dá)到最佳的性能指標(biāo)的同時又要求它的工作可靠度不低于某一個規(guī)定水平[8]。它把設(shè)計變量處理成具有一定概率分布的隨機(jī)變量，并把確定性約束條件修改為隨機(jī)性約束條件,即構(gòu)成了一個可靠性設(shè)計優(yōu)化問題?！疤铩弊中挝芙Y(jié)構(gòu)的板厚、截面尺寸以及長度是影響薄壁梁吸能特性的重要因素[7]，故選它的厚度t、邊長a以及長度l為設(shè)計變量。加速度是衡量乘員損傷程度的重要指標(biāo)，加速度峰值越小越好?？紤]到加速度峰值易受噪聲的影響，因此優(yōu)化的目標(biāo)設(shè)為包含波峰的10

ms內(nèi)加速度的平均值。同時吸能比要滿足約束要求，即吸能量大于260

kJ。則確定性優(yōu)化數(shù)學(xué)模型可表示為：(1)式中，Aav為加速度的平均值；E為吸能結(jié)構(gòu)吸收的總能量；a為“田”字形吸能結(jié)構(gòu)的邊長；t為厚度；l為長度。采用最優(yōu)拉丁方試驗設(shè)計方法對設(shè)計變量進(jìn)行取樣，抽取了20組試驗數(shù)據(jù)，利用LS-DYNA軟件對20組設(shè)計變量進(jìn)行仿真計算，得到相應(yīng)的響應(yīng)數(shù)據(jù)。根據(jù)這些數(shù)據(jù)可以建立平均加速度以及總吸能的多項式響應(yīng)面模型，然后采用多島遺傳優(yōu)化算法對式(1)進(jìn)行求解，結(jié)果如表4所示。表4優(yōu)化結(jié)果對比

Tab.4Comparison

of

optimization

results設(shè)計變量及目標(biāo)初始值確定性優(yōu)化可靠性優(yōu)化結(jié)果可靠度結(jié)果可靠度t/mm22.68—2.74—a/mm160140—160—l/mm200230—228.8—E/kJ229.7269.564.5%287.897.8%Aav/(×g)52.642.2—45.3—由表4可知,確定性優(yōu)化得到的優(yōu)化結(jié)果使得總吸能量處于臨界狀態(tài)，由可靠性分析可知,確定性優(yōu)化結(jié)果僅有64.5%的可靠度，一旦由于加工制造等因素使得設(shè)計變量產(chǎn)生輕微波動，就可能使得確定性優(yōu)化設(shè)計超出約束范圍，因此有必要在確定性優(yōu)化的基礎(chǔ)上進(jìn)行可靠性優(yōu)化設(shè)計?？煽啃詢?yōu)化設(shè)計要充分考慮設(shè)計變量的波動性，因此假設(shè)設(shè)計變量服從正態(tài)分布，Nt(2,0.1)，Na(160,8)，Nl(200,10)。同時要求總約束條件具有95%的可靠度?？煽啃詢?yōu)化數(shù)學(xué)模型可表示為：(2)式中，μt，μa，μl分別為“田”字形吸能結(jié)構(gòu)的厚度、截面邊長以及結(jié)構(gòu)長度的均值;σt，σa，σl分別為田字形吸能結(jié)構(gòu)的厚度、截面邊長以及結(jié)構(gòu)長度的方差;函數(shù)P()表示概率?？煽啃栽O(shè)計優(yōu)化流程如圖9所示?？煽啃詢?yōu)化相當(dāng)于在確定性優(yōu)化的每一步迭代中對優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行一次可靠性分析，表4給出初始設(shè)計、確定性優(yōu)化以及可靠性優(yōu)化的對比分析。通過比較可知，相對于確定性優(yōu)化而言，可靠性優(yōu)化設(shè)計得到的各設(shè)計變量值皆遠(yuǎn)離約束邊界，約束條件的可靠度提高了33.3%，達(dá)到97.8%，已具有較高可靠度。另一方面可靠性優(yōu)化后的平均加速度值略有增加，但總吸能有了明顯提高，這表明吸能結(jié)構(gòu)可靠性優(yōu)化設(shè)計實質(zhì)是安全性與可靠性的最優(yōu)結(jié)合。圖9可靠性設(shè)計優(yōu)化流程圖

Fig.9Flowchartofreliabilityoptimization圖10可靠性優(yōu)化前后加速度曲線圖

Fig.10Accelerationcurvesbeforeandafterreliabilityoptimization將可靠性優(yōu)化設(shè)計所得的“田”字形薄壁梁安裝于客車的前端，重新進(jìn)行碰撞模擬，并將所得的加速度與原“田”字形模型進(jìn)行對比，如圖10所示。結(jié)果表明，可靠性優(yōu)化后的加速度峰值得到明顯降低，降幅達(dá)16.7%，客車的安全性進(jìn)一步得到提高。4結(jié)論本文對大型客車正面碰撞的安全性進(jìn)行了研究。針對原大型客車結(jié)構(gòu)安全性不足的問題，提出了一種“田”字形吸能結(jié)構(gòu)。將有限元法與試驗設(shè)計、響應(yīng)面法結(jié)合起來對客車“田”字形吸能結(jié)構(gòu)進(jìn)行了可靠性優(yōu)化設(shè)計，并與確定性優(yōu)化設(shè)計的結(jié)果進(jìn)行比較。結(jié)果表明，當(dāng)設(shè)計變量取值發(fā)生變動時可靠性優(yōu)化設(shè)計能更好地滿足客車碰撞結(jié)構(gòu)安全性要求。參考文獻(xiàn)：[1]王若平,陳豫.基于LS-dyna和HyperWorks的大客車正面碰撞仿真分析[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2014,33(3):419-422.WANGRuo-ping,

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KeyLaboratoryofLightweightandReliabilityTechnologyforEngineeringVehicleofUniversitiesofHunanProvince,ChangshaUniversityofScienceandTechnology,

ChangshaHunan

410004,

China;2.

StateKeyLaboratoryofAdvancedDesignandManufacturingforVehicleBody,

HunanUniversity,

ChangshaHunan

410082,

China)Abstract：Inordertoimprovethesafetyofabusintheprocessoffrontalimpact,

withreferencetochineseCMVDR294

lawsandregulations,

thefiniteelementmethodisadoptedtoestablishthefiniteelementsimulationmodelforthelarge-scalebusfrontalcollision.

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