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1、低地板大型公共汽车翻滚碰撞分析MarathwadaUniversity2.2有限元模型2.2.1划分网格通过对车辆模型的分析计算获取车辆在碰撞过程中各组成部分和子系统变形及相互作用的信息。对碰撞行为描述的精确性取决于CAD参数的设置和网格划分质量的好坏。CAD几何模型的形状和尺寸应与实际车辆完全一致。有限元模型网格划分密度要合理，使计算时间较为合理。限元前后处理软件，能建立车辆有限元模型、显示结果及对进行数据分析。首先利用Pro-E或CATIA建立CAD模型，并转化为IGES格式。客车CAD模型由厂商提供，将CAD模型导入HyperMesh。第一步从模型中提取中面，如图2.2所示。第二步使用g
2、eomcleanup和defeature选项对中间层进行几何清理，为划分网格做好准备。MidSurface（Red）图2.2抽取中面2.2.2网格质量评价标准HyperMesh中有默认的网格质量评价标准，如下:1Solid(Green)最小边长一个网格单元最小的边长最大边长一个网格单元最大的边长纵横比一个网格单元最大边长与最小边长的比值扭曲度一个网格单元偏离平面的角度最小（最大）四边形内角四边形单元最小（最大）内角最小（最大）三角形内角三角形单元最小（最大）内角三角形单元百分率三角形单元占所有网格单元的比例表2.1列出了网格质量评价标准，该标准适用于网格划分的全过程。最小单元的尺寸不应小于5m
3、m,以缩短网格划分的时间。表2.1网格质量评价标准NoQualityParameterAllowableMill/Max1MinimumSideLengtli52MaximumSideLength1003MaxiimmiAspectRatio54MaximiunWarpageAngle155MinimumQuadInternalAngle456MaximiunQuadhitemalAngle1357MinimumTriaInternalAngle158MaximumTriahitemalAngle1209PercentofTriangularElements52.2.3非结构部件一些非结构部件
4、如发动机、油箱、蓄电池隔间、车顶空调等与车身非常近，需要把它们的质量均分到各个节点上去。由于这些部件在汽车翻滚中变形很小，所以定义它们为刚性体，只影响客车模型的质量和重心（CoG）。车身内部的附件也要进行建模，以考察它们在客车翻滚试验中与车身有限元模型的相互作用。为了使客车有限元模型的重心（CoG）与真实客车的重心（CoG）重合，还需要把一些质量分配到各个节点上去。对发动机模型划分网格采用长方体单元，对轮胎模型划分网格采用封闭球体单元，这样便于定义内部压力。图2.3客车非结构部件2.3定义材料参数车身结构使用的材料主要是钢和铝，而汽车碰撞是一个高速的动力学过程，在碰撞过程中客车车身各部构件以不
5、同的应变率产生变形。由于客车模型要在060Km/h的侧碰速度下产生不同的变形，因此需要考虑应变率对不同构件力学属性的影响。为了获取各部构件材料参数和应力-应变曲线，分别采用三种装置对客车进行了碰撞试验：（1）机械装置或液压伺服装置一一准静态条件、应变率为小于0.1/s（2）液压伺服装置应变率为0.1500/s（3）分离式霍普金森杆装置一一应变率为5001000/s，或更大2.4连接形式在HyperMesh里fe-joint选项可以对连接单元进行创造、检查和优化。由于连接单元默认为建立刚性体之间的连接，因此连接部位要定义为刚性件。CONSTRAINED-EXTRA-NODES-SET选项用来创建
6、连接单元和刚性件之间的连接。每个连接单元都存有相关的参数，如连接形式、方位。整个客车有限元模型共创建了32个连接如表2.2所示。这些连接用来定义客车的悬架系。表2.2客车各构件间的连接形式NameofHiejointDesciiptioiiNumberofjointsTranslationaljoint12Revolutejoint,18Sphericaljoint22.5悬架系该客车采用空气悬架，它通过高度控制阀来调节空气弹簧内的体积，使车体保持合适的高度。图2.4所示为运动学连接在客车前悬架中的应用，其中前轴的四个空气弹簧建模为具有非线性阻尼减震功能的平移连接，两个液压减震器建模时也采用这
7、种形式；控制臂采用球连接；车轮采用卷曲连接。空气弹簧和减震器的动力学曲线如图2.5所示：客车后轴的四个空气弹簧采用具有非线性阻尼减震功能的平移连接；两个液压减震器也采用这种连接形式；四个控制臂采用了八个球连接；车轮采用两个卷曲连接，如图2.6所示。其空气弹簧和减震器的动力学曲线与图2.5相同。客车有限元允许改变车体的高度和弹簧的压力。JREVOLLTTEJOINTTRANSLATIONALJOINTWITHNCMUNEARSPRINGSTIFFMESTP.ANELiI.TjONALJOINTWITHNDNJhEARDAF/PER图2.6客车后轴运动学连接模型2.6各部件固有振动特性分析整车模型
8、由几大部件组装而成。可变形部件之间采用点焊连接，Constrainedrigidbody选项用来定义刚性件与可变形件之间的连接，Rigidbodymerge选项用来定义刚性件之间的连接。整车模型各组件如图2.7所示。为了使整车装配合理，需要对各组件进行固有振动特性分析，使用的指令是CONTROL-IMPLICIT-GENERAL和CONTROL-IMPLICIT-EIGENVALUE。分析时给各组件输入其固有频率，通过分析可以检查各种连接形式是否合理。进行固有振动特性分析时计算时间短，但占用内存大。RoofwitliwiiidsliicldChasuisiwithsidepanels：Frrr
9、lWTprirFionRunrtiifpcimon图2.7客车模型组件2.7整车装配客车整车有限元模型如图2.8/2.9所示。图示模型为客车结构模型，去掉了车身内部附件。若添加车身内部附件，整车模型则有282025个单元、20306个点焊和26种材料，如表2.2所示。图2.8客车有限元模型装配图图2.9客车有限元模型表2.2客车有限元模型参数No.ofParts1J38No.ofNocles298,833No.ofElements282,025No.ofSpotWelds20J06No.ofMaterials26No.ofSectionalPi1opcities1J48No.ofSub-ass
10、emblies43No.ofKinematicJoints32No.ofTireModels(ControlVolimies)62.8加速度计为了得到各点的加速度数据，以便于与实车碰撞试验进行对比，以及不同碰撞速度下各点加速度的对比，需要安装加速度计。在客车模型中加速度计的安装位置如图2.10所示。加速度计为刚性材料(MAT-RIGID)三维单元模型，受客车部件的约束。一些节点的加速度受多因素的影响，没有参考意义，会带来误导。在客车地板、侧梁、座椅、保险杠和顶部等重要部位都装有加速度计。每个加速度计都有协调性的局部系统。NODOUT文件包含了所有加速度计的位置参数和历史记录数据。图2.10加速
11、度计女装位置DATABASE-SECFORC和DATABASE-CROSSSECTIONPLANE-ID指令用来测量剪切力，并以ASCII格式写入SECFORC文件。2.9创建客车有限元模型乘员生存空间生存空间在客车翻滚碰撞中保存完好能使乘员的生存率大大提高。生存空间的定义以ECER66法规为依据。生存空间的描述如图2.11所示，生存空间应与客车地板(客车翻滚过程中不变形)相连接，确保在客车翻滚过程中其位置不变，通过CONSTRAINED-EXTRA-NODES-SET指令可以完成此操作。图2.11乘员生存空间2.10客车模型顶部冲击试验使用CATIA对车顶冲击架进行三维建模，然后导入Hype
12、rMesh划分网格，车顶冲击架如图2.12所示。其网格尺寸与客车顶部相同，执行MAT-RIGID指令可以完成此操作。去掉空气调节装置后客车模型的质量为9.712吨，设定车顶冲击架的密度参数使它的质量是客车进行客车顶部冲击试验时，客车地板置于一个刚性底板上，而不是由轮胎支持车体，这样确保了所有载荷都由车身结构承担，不会分配到悬架系上。底板是固定不动的，即在任何方向上没有自由度。冲击架的放置如图2.13所示，所有横梁都应在车顶上。图2.13车顶静压试验冲击架在自身重力的作用下冲击客车顶部。冲击后客车各部件之间的接触由AUTOMATIC-SINGLE-SURFACE指令生成。冲击架与客车顶部的接触由
13、AUTOMATIC-SURFACE-TOSURFACE指令定义，该指令也用来定义客车地板与刚性底板之间的接触。客车顶部冲击试验结果由生产商提供，如下：客车顶部达到的载荷为165105N内部构件最大静态偏移量为111.2mm如图2.14所示，客车翻滚碰撞仿真过程中内部构件的最大动态偏移量达到143mm,弹性变形恢复后，静态的塑性变形量为95115mm,与真实试验结果相符。支持底板承受的载荷为：底板承受的载荷=客车质量+冲击架质量=9.712+14.568=24.28吨=24280Kg因此，支撑底板承受的压力=242809.71=2.3575x105n。MaximuminteriorDeflect
14、ion旳斡9000-J-1EE,u.e一we审-140a-IGO-O.10.20.30.40.50.6SuppoflPlatformCojilactForce讥l5ll*UW117AH*0M1M*W1Cl0404OATimet图2.14车顶静压试验结果图2.15所示为最大偏移量区域受力变化曲线：ForcaViRoofCruillRoofCruili(mm)Fsr&eWRooTCrifh=冒y图2.15最大偏移量区域受力变化曲线冲击区域受力变化曲线用来计算应变能，即曲线下方的面积就是碰撞中客车顶部吸收的能量。如图2.16所示：RoofEnergyinStaticCriehTestRoofEnergyhStaticCrushTestLinear(RoofEnergyinStarticCrushTest)图2.16静态冲击试验冲击区域能量变化曲线3结构分析3.1基于ADAMSView进行ECER66翻滚碰撞试验按照ECER66法规要求，翻滚试验台的几何形状如图3.1所示。试验台应有足够的刚度，并至少可以转动1度的角度。试验台车轮支撑平面与翻滚沟平面的高差为80020mm。翻滚转轴中心线与车轮支撑平面和翻滚沟垂直壁的最大距离为100mm。车轮侧滑挡块用来防止试验台翻转时车轮发生侧滑，它的位置应尽量靠近翻滚转轴。试验台的设计应避免车辆发生纵向移动。翻滚沟碰撞区域应水平、干燥
