客车侧翻仿真全程计算方法的研究黄祖强

客车侧翻仿真全程计算方法的研究黄祖强

黄祖强高克发

珠海广通汽车有限公司519000

摘要：本文就客车侧翻仿真全过程计算方法展开分析，提出有限元显式计算刚柔转换方法得到应用，在确保计算效果的基础上提升了计算结果精确性。基于能量曲线与车身骨架变形进行对比研究，得出客车侧翻仿真全过程计算方法科学有效。

关键词：客车侧翻；仿真全过程计算；方法分析

相对于客车碰撞事故，客车侧翻事故的死亡率是其几倍。因此，加强客车发生侧翻时的被动安全性能尤为重要。客车生产制造初始阶段，选择动态有限元软件展开侧翻仿真有助于了解侧翻的被动稳定性，减少由于客车结构强度而导致设计反复问题，节省经济投入。据调查显示，现阶段全球在客车侧翻仿真中多结合相关物理定律得出客车触碰地面时的角速度，进而展开仿真计算。但是，这种方法计算容易导致偏差结果缺少科学依据。

一、半程计算原理

笔者以某厂新研发的19座客车为例，参照相关资料再现半程计算步骤。同时，立足于边界条件与显示积分方法分析存在的不足。

（一）常规过程

（二）半程计算方法存在的不足

现阶段，大部分单位多使用半程计算方法，因为正常客车侧翻仿真计算模型网格单元数量为106个，想要完成该计算所需时间较长并且仅能对接触地面过程展开仿真计算，把物理时间从1.5s降低至0.45s，节省较多时间。不过，该方法无法真正的看见客车现实侧翻物理过程，存在一些不足使得边界条件与积分开始条件计算不够精准。

第一，边界条件中该方法缺少对客车翻转阶段的侧向平动速度分量的考量，过于强调客车重力势能。同时，也缺少对翻转台对车辆翻转阶段的作用力。参照相关翻转台挡板高度与客车大小要求，能够得出客车与地面接触前侧翻阶段轮胎保持和翻转台的挡板接触。挡板对客车具有一定作用力；半程计算缺少对作用力的考量。边界条件偏差直接制约计算精准性。

随后，在显式积分计算方法上中，DYNA选择的显示积分计算方法是中心差分方法，列式为：Man+Cvn+Kdn=Fnext。其中，M为结构质量矩阵；C为结构阻尼矩阵；K为结构刚度矩阵；Fnext。Fnext外界作用力矢量；an为时步n时的加速度。此外，vn为时步n时速度；dn为时步n时的位移。鉴于以上两种边界条件分析，因为半程计算时间速度和加速度与现实参数存在偏差，伴随着积分计算的开展，该偏差被扩大。因此，半程计算方法不够精准。

二、刚柔转换技术

尽管半程计算存在一些不足，不过因为计算高效、能够节省较多时间而被更多单位使用。针对这一问题，本文通过LnS--DYNA软件显式计算的刚柔转换技术推动下，选择全程计算方法展开客车侧翻仿真，其技术根本是通过有限元计算的刚体模型计算有效性大于柔性体。结合侧翻时客车运动特征将客车接触地面时间作为划分点，把侧翻全过程划分成2个时期。因为第一时期为客车静止从翻转台边缘位置触碰地面时间，这一过程中客车进行刚体运动。因此，本文经过LnS--DYNA软件核心字*DEFORMABLE_TO_RIGID_AUTOMATIC_D2R_flag，计算初始阶段吧客车模型转为刚形体，能够提升计算效果上千倍。第二时期为：从接触地面时间至计算结束，其过程客车车身和地面接触，为突出客车碰地的响应结果，要求定义相近核心字*DEFORMABLE_TO_RIGID_AUTOMATIC_R2D_flag，设置碰地时间把车辆模型转为柔性体。通过刚柔交换技术后，全程计算时间从90h减少至18.5h，有了明显提升。另一方面，因为边界条件与现实物理过程相吻合。因此，全程计算方法结果精准性更明显。

三、计算结果比较

（一）能量比较

首先，基于动能角度研究，半程计算动能峰值在2.9*107mJ,全程计算动能峰值在2.8*107mJ。经过计算得出两种方法相差是3.4%，得出半程计算的旋转角毒素答案更为精准。其次，基于滑移界面能角度研究，半程计算方法峰值在7.1*108mJ,全程计算峰值在1.0*106mJ,结合DYNA软件中滑移界面能概念不难看出，存在摩擦条件下滑移界面包括摩擦力所做的功。基于客车有限元模型与摩擦参数相等条件下，导致该偏差的主要因素为边界条件。究其原因，全程计算综合了挡板对车轮的制约，因为车轮胎的滑动提高了系统的滑移界面能。最后，基于内能上研究，半程计算内能峰值在3.7*107mJ；全程计算内能峰值在3.4*107mJ,偏差在8.1%，内能偏差基于动能偏差条件下有了提高。出现该结果影响因素为：第一，半程计算方法缺少对挡板和轮胎摩擦消耗量考量，仅关注动能整体转化为内能，导致内能参数较高。第二，半程计算注重把客车侧翻重力势能全部转为接触方向的转动动能，但现实中客车碰地时间速度也包含客车平动分量，该动能碰撞阶段无法转为客车结构内能。第三，因为开始积分条件的不同，导致计算结果变动。

（二）结构变形研究

经过比较能够看出：半程计算结构变形量高于全程计算。为进一步进行偏差量化，结合有关规定进行方针计算客车立柱对生存空间的侵入状况测量。因为A柱未存在要求范围内，因此，测量从B柱到F柱（如图一）。

图一，各立柱在车身结构上的位置图

经过测量参数比较，半程计算立柱对生存的侵入量高于全程计算结果，尤其是立柱E，半程计算侵入量在1.6mm。全程计算E柱未侵入生存空间存在12.2mm空余。

（三）结论研究

根据能量分析与客车变形研究看出：客车侧翻全程计算的车辆变形量低于半程计算，说明物理过程偏差性的三方面描述。第一，全程计算动能包括一些不转化为内能的平动分量。第二，轮胎和挡板摩擦做功消耗一些动能。第三，半程计算开始条件不同，导致全程计算内能低于半程计算。

结语：

有限元仿真计算时，边界条件概念是决定仿真计算对错决定因素，尤其是动态显式计算。一些表面等效边界条件其实在积分过程微小偏差将回增大，造成无法接受结果偏差。笔者选择全程计算和半程计算比较，尽管半程计算等效开始条件和全程计算只有3%偏差。不过，在立柱侵入量上偏差高达7.6%。因此，有限元计算分析需要综合考量目标的运动与制约条件，让有限元计算边界条件和现实条件相等，进而确保计算准确性。

参考文献：

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