小客车侧翻试验仿真研究与影响因素分析*

周廷美 严 燕 莫易敏 刘昌业

(武汉理工大学机电工程学院1) 武汉 430070) (上汽通用五菱汽车股份有限公司技术开发中心2) 柳州 540057)

小客车侧翻试验仿真研究与影响因素分析*

周廷美1)严 燕1)莫易敏1)刘昌业1,2)

(武汉理工大学机电工程学院1)武汉 430070) (上汽通用五菱汽车股份有限公司技术开发中心2)柳州 540057)

为研究小客车侧翻碰撞安全性能，建立了基于客车上部结构强度要求及试验方法的目标车型小客车侧翻有限元仿真模型，并验证了模型的有效性和准确性.研究了侧翻试验初始翻转角度、初始翻转角速度、挡板高度和翻转平台高度等四个初始碰撞参数对侧翻碰撞安全性能的影响.结果表明，所选取的A柱、上边梁和顶盖等关键结构最大变形量,以及地面最大接触力四项评价指标与初始翻转角度和翻转平台高度大体上呈正相关，与初始翻转角速度和挡板高度呈负相关，并且翻转平台高度即跌落高度对试验结果的影响最为明显.

小客车；侧翻试验；有限元模型；碰撞参数

0 引 言

在汽车安全相关事故中，主要有侧翻、平台翻滚、正碰、侧碰、追尾等几种形式，车辆发生侧翻的比例较低，虽然如此，在正面碰撞和侧面碰撞中，由于车辆自身的结构特点，可采用不同的结构和装置进行吸能[1]，而在侧翻事故中车体变形较大，特别是车辆上部如顶盖、上边梁等结构的变形较大，侵入乘员的生存空间，对乘员保护比较困难,因此，侧翻事故对乘员的伤害程度远远大于其他几种形式.目前，国内外在车辆侧翻安全性能的相关法规和标准主要面对大中型客车及校车等[2]，主要考核客车侧翻时上部结构的承载能力.在面向小客车的侧翻试验方面国内外目前还没有发布相关法规，在侧翻试验设计方面也主要是按文献[2]的整车侧翻试验和车体截断试验方法来进行，因此，研究车辆特别是小客车的侧翻安全性能对车辆侧翻试验的设计和安全性能的优化具有重要意义.本文研究了侧翻试验中试验条件参数对目标车型小客车的侧翻碰撞安全性能的影响规律.

1 仿真模型的建立与验证

在汽车被动安全的研究中，解析法、多刚体动力学法和有限元法是比较常用的三种数学物理分析方法.三种方法都具有研究成本低、开发周期短的特点，并且对于车辆碰撞的计算准确性和有效性依次提高，在汽车被动安全研究中的重要性也依次提升，同时，有限元仿真分析方法是目前车辆被动安全仿真分析的主要方法.因此，本文中采用有限元仿真分析方法进行研究.

1.1 有限元模型的建立

在建立目标车型小客车侧翻仿真试验有限元模型时，根据已有的小客车的几何模型，参照文献[2]客车上部结构强度要求及试验方法进行建立和处理，具体处理和分析流程见图1[3].

图1 目标车型侧翻有限元仿真分析流程

1.1.1整车网格模型的建立

模型导入与几何清理是获得高质量网格的关键.将目标车型小客车的CAD几何模型导入有限元前处理软件Hypermesh中，进行中面抽取操作后，根据导入模型的特征进行相应的几何清理操作，得到分析适用的模型，进一步进行模型的网格划分.

在汽车碰撞安全中，模型网格的划分一般遵循变形较大的部位网格密度比较高、单元尺寸比较小，而对于变形小或者基本不变形的部位，网格密度可以比较低、单元尺寸比较大的原则[4].本文中采用自动划分网格的方法来划分网格，网格的大小选为10 mm，网格的形状选为四边形壳单元为主，辅以三角形单元.

1.1.2材料和属性的赋予

网格划分完成后，需要为各个部件分配独自的Component，并通过该Component给这个部件赋予材料类型和属性.本文中，整车模型变形构件均采用各向同性的弹塑性材料，并使用MATL24本构模型；焊点、胶粘等采用MATL100本构模型进行模拟；对于发动机等变形较小且对上部结构强度试验影响较小的部件采用刚性体材料MATL20模型；另外，对大部分部件采用Belytschko-Tsay算法，厚度取为0.8～1.5 mm.

1.1.3连接、接触等的设置

连接、接触、约束和加载的设置是有限元仿真分析中重要的设置内容.连接主要包括螺栓连接、胶粘连接、缝焊连接和点焊连接；接触的设置除了定义所有部件的自接触和相应部件之间的面面接触之外，还单独定义了车体与翻转平台以及车体与挡板之间的接触；加载的设置通过定义关键字*INITIAL_VELOCITY_GENERATION对整车模型的初始翻转角速度进行定义.

1.1.4其他设置

小客车上部结构强度试验从水平位置开始，车体随翻转平台以一个匀速的翻转角速度进行翻转，翻转至小客车的临界侧翻稳定角处开始利用自身重力继续翻转，在从水平位置翻转到临界侧翻角处车体的翻转角速度以及车体形态没有任何的改变，所以在仿真试验中，以车体在临界侧翻角处的位置为初始状态，根据小客车的受力分析计算得出小客车的临界侧翻稳定角为46.364°.目标车型小客车的上部结构强度仿真试验有限元模型见图2.对相应的输出控制卡片进行设置，仿真时间长度设置为3 500 ms，时间步长设置为1×10-6s.

图2 目标车型小客车侧翻试验仿真模型

1.2 有限元模型的验证

在建立小客车的上部结构强度试验有限元模型后，为了保证模型的有效性和后续研究的可靠性，对所建立的小客车有限元模型进行试验验证，试验同样参考文献[2]客车上部结构强度要求及试验方法来进行.本文中选取仿真模型与试验小客车的临界侧翻角的对比以及仿真试验和实车试验中小客车关键运动状态即小客车第一次接触地面的时刻进行对比和相对误差分析进行验证，对比结果见表2，车体第一次与地面发生碰撞时刻的仿真与实验对比见图3.

表1 仿真试验与实车试验结果对比

图3 仿真与实验车体第一次与地面发生碰撞时刻

根据表1和图3进行误差分析，可以得到：

1) 仿真中小客车与地面发生碰撞后发生了回弹现象，与试验相符.

2) 选取的对比分析参数结果中，相对误差均在5%以内，满足仿真要求.

另外，在仿真试验的过程中，沙漏能始终控制在总能量的5%以内，满足仿真结果的可靠性要求[5].因此，所建立的小客车上部结构强度试验仿真模型是可行的，具有一定的可靠性，可以进行后续的研究工作.

2 试验参数影响规律研究

基于小客车上部结构强度仿真试验有限元模型，研究试验中每个初始试验参数对车辆静态侧翻碰撞安全性能的影响.每一次进行仿真分析时，只改变一个初始试验参数，其他参数选定为基础数值来进行研究.

2.1 影响因素确定

上部结构强度试验中可以改变的因素主要有：车体初始翻转角度、车体初始翻转角速度、试验挡板高度、试验平台距离地面高度等四项.选取上述四项初始试验参数为试验的影响因素，并选定文献[2]客车上部结构强度要求及试验方法中的相关规定参数值为基础数值，另外，基于上部结构强度试验的可实现范围，并根据均匀试验设计原则，对初始角速度、挡板高度、跌落高度三项参数分别选取与基础数值偏差±5%,±10%和±15%共六个数值来进行仿真对比研究，而对翻转角度，由于初始状态基础数值选取的是目标车型的静态侧翻稳定角，是可以实现翻转的最小角度，因此选取基础数值偏差的5%,10%,15%,20%,25%,30%共六个数值.仿真参数选取结果见表2[6-7].

表2 仿真参数数值

2.2 结果分析

在文献[2]客车上部结构强度要求及试验方法中，规定上部结构应具有足够的强度以保证生存空间没有受到侵入，参考生存空间的确定方式以及顶压试验(FMVSS216轿车车顶抗压强度)中的相关指标，本文选取A柱最大变形量、上边梁最大变形量、顶盖最大变形量，以及刚性墙(也就是地面)的最大接触力共四项指标作为侧翻碰撞安全性能的评价标准.为了更直观地了解各项侧翻碰撞试验条件参数对侧翻碰撞安全性能的影响规律，利用各输出结果与基础数值的比值进行分析研究[8].

首先设定侧翻碰撞参数全部为基础数值时进行仿真，结果见图4.图4a)为车辆侧翻仿真试验过程中A柱变形量、上边梁变形量和顶盖变形量的变化曲线以及出现最大变形量时刻对应的车辆形态；图4b)为车辆侧翻仿真试验过程中刚性墙(地面)接触力的变化曲线以及刚性墙最大接触力出现时刻对应的车辆形态.

图4 以基础数值作为参数时的仿真结果

目标车型在基础数值即翻转角度为46.364°、翻转角速度为0.087 rad/s、挡板高度为50 mm、翻转平台高度为800 mm进行侧翻仿真试验时，A柱、上边梁和顶盖均在车体第一次接触地面时变形量出现第一次峰值，随着与地面的撞击发生一定的回弹，在之后的过程中，车体继续与地面发生碰撞，并产生累积变形，各关键结构在仿真结束时产生最大变形量，A柱、上边梁和顶盖的最大变形量分别为131.108，120.712，144.842 mm；同时，刚性墙的接触力在车体与地面发生第一次碰撞时达到最大，为65.683 kN，后续碰撞过程中，随着车体与地面的接触产生相应的碰撞力.

2.2.1初始翻转角度

设置不同的初始翻转角度进行仿真分析，初始翻转角度对各关键结构的最大变形量的影响趋势见图5.

图5 初始翻转角度对各项指标的影响曲线

通过查看计算输出的d3plot动画以及相关的曲线文件可以发现，在不同的初始翻转角度条件下，车体的A柱、上边梁和顶盖的变形量均在车体与地面发生第一次碰撞的时刻出现了峰值，并且不同初始翻转角度下车体与地面发生第一次碰撞的时刻也非常接近，时间间隔均小于20 ms；在后续过程中，随着车体与地面的继续碰撞，变形量继续增加，到仿真结束时刻变形量达到最大.在其他组不同初始试验条件下亦是如此，后文不再赘述.

由图5可知，随着初始翻转角度的增加，各关键结构的最大变形量也在增加，这是因为初始翻转角越大，车体发生侧翻的趋势越明显，车体在初始翻转角速度的作用下开始侧翻后在接触地面时刻的瞬时角速度越大，第一次与地面发生碰撞产生的变形越大，在后续与地面发生碰撞的过程中产生的累积变形的作用下，其仿真结束时刻的最大变形也越大.

在不同的初始翻转角度条件下，刚性墙的最大接触力随着初始翻转角度的增加呈现上升的趋势，是由于初始翻转角度越大，车辆发生侧翻的趋势越明显，侧翻后到达接触地面时刻的瞬时角速度越大，产生的碰撞力也越大；同时，刚性墙最大接触力在不同初始翻转角度条件下的动态响应相对于A柱等关键结构的最大变形量的动态响应不明显，其中，顶盖最大变形量的动态响应最大，在其他初始碰撞参数下刚性墙最大接触力的动态响应也较小.

2.2.2初始翻转角速度

初始翻转角速度对各项指标的影响趋势见图6.

图6 初始翻转角速度对各项指标的影响曲线

由图6可知，在初始翻转角速度小于基础值0.087 rad/s时，车体关键结构的最大变形量呈下降趋势；当初始翻转角速度大于基础值0.087 rad/s时，初始翻转角速度越大，车体关键结构的最大变形量越大，刚性墙的最大接触力也呈现出相同的变化趋势.当初始翻转角速度小于基础值时，初始翻转角速度越大，车体接触地面的时间越短，接触地面时刻的瞬时角速度越小，第一次碰撞产生的变形越小，仿真结束时刻的最大变形也越小；当初始翻转角速度大于基础值时，角速度增大的作用比较明显，当初始翻转角速度成倍增加时，虽然接触地面的时刻提前，但是在接触地面时刻车体的瞬时角速度也成倍增加，第一次碰撞产生的变形和接触力就越大，仿真结束时刻的最大变形也越大.

2.2.3挡板高度

设置不同的挡板高度对目标车型进行侧翻仿真试验，挡板高度对各项指标的影响趋势见图7.

图7 挡板高度对各项指标的影响曲线

由图7可知，随着挡板高度的增加，车体各关键结构的最大变形量和刚性墙的最大接触力均出现减小的趋势，这是因为当挡板高度增加时，挡板对轮胎翻转过挡板的阻碍作用变大，车体翻转过挡板时的角速度变小，当车体与地面发生第一次碰撞时的瞬时角速度变小，产生的变形量和接触力也变小，所以仿真结束时刻的累积最大变形量也越小.当挡板高度为55 mm时，刚性墙的最大接触力比挡板高度为52.5 mm时较大，可能是因为挡板高度为55 mm时，轮胎翻转过挡板后车体获得的瞬时角加速度变大，从而使车体与地面发生第一次接触时的瞬时角速度变大，产生的碰撞力也变大.

2.2.4翻转平台高度

在不同的翻转平台高度下对目标车型进行仿真试验分析，翻转平台高度对各项指标的影响趋势见图8.

图8 翻转平台高度对各项指标的影响曲线

由图8可知，当翻转平台高度大于760 mm时，随着翻转平台高度的增加，A柱、上边梁、顶盖的最大变形量以及刚性墙的接触力均呈现不断变大的趋势，这是因为当挡板高度变大时，车辆的初始势能变大，车体与地面发生碰撞时的角速度也变大，因此各关键部件的最大变形量和刚性墙的最大接触力也变大.当侧翻平台高度为720 mm时，其各项指标相比于侧翻平台高度为760 mm时较大，可能是由于车身高度的影响关系，当车体与地面发生第一次碰撞时接触力的方向对车体强度的影响较大，所以产生的变形量和接触力也较大.

由上述分析可知，侧翻试验初始翻转角度、初始翻转角速度、挡板高度和翻转平台高度这四个碰撞参数对车体A柱、上边梁和顶盖的最大变形以及刚性墙最大碰撞力的影响趋势各有不同，各指标与初始翻转角度和翻转平台高度呈正相关，与挡板高度呈负相关，而对于初始翻转角速度，在参考文献[2]客车上部结构强度要求及试验方法的试验条件下[9-10]，各项指标与初始翻转角速度呈负相关，并且在上述四项初始侧翻碰撞参数中，翻转平台高度即跌落高度对试验结果的影响最为明显.另外，对于A柱、上边梁和顶盖的最大变形量而言，车体与地面第一次碰撞产生的变形量的大小基本上决定了整个侧翻试验过程中相应部件的最大变形量，并且在这些关键部件中，顶盖的最大变形量最大，而A柱的最大变形量大于上边梁的最大变形量.

3 结 束 语

本文运用非线性有限元分析软件Hypermesh建立了某型小客车的侧翻试验仿真模型，对标分析了仿真模型与实车试验之间的误差，验证了仿真模型的准确性；以试验中车体的A柱、上边梁和顶盖的最大变形以及刚性墙(地面)的接触力为评价指标，分析了侧翻试验中初始翻转角度、初始翻转角速度、挡板高度和翻转平台高度这四个初始碰撞参数对车辆侧翻碰撞安全性能的影响，得到了车体关键结构与各初始碰撞参数之间的影响规律.该研究可以为小客车的侧翻碰撞试验的设计以及小客车侧翻碰撞安全性能的优化提供参考依据.

[1] ALBRODT, SIMON B. Evaluation of different roof strength methods in quasi-static and dynamic rollover tests using finite element analysis of a 2003 Ford Explorer model[R]. SAE Technical Papers,2014.

[2] 中国公路车辆机械有限公司.客车上部结构强度要求及试验方法:GB/T 17578-2013[S].北京:中国标准出版社，2013.

[3] ZHU Y Q, HONG Y Q, HONG T S, et al. Design and simulation of side rollover resistant capability of tracked vehicle for mountain orchard[J]. Nongye Jixie Xuebao,2012(1):19-23.

[4] 曹立波,颜凌波.汽车翻滚安全性研究及试验概览[J].汽车工程学报,2012(4):235-248.

[5] 葛健.客车侧翻安全性仿真与设计改进研究[D].长沙：湖南大学,2010.

[6] PARENT D P, KERRIGAN J, CRANDALL J. Comprehensive computational rollover sensitivity study part 2: Influence of vehicle, crash, and occupant parameters on head, neck, and thorax response[R]. SAE Technical Paper,2011.

[7] HAMDY A, IBRAHIM, AHMED K, et al. A system for vehicle collision and rollover detection. 2016 IEEE Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering (CCECE)[C]. IEEE Conference Publications,2016.

[8] 谢伯元，朱西产，刁增祥.汽车翻滚试验方法研究[Z].长沙：湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室，2008.

[9] 林志立.客车有限元模型对侧翻仿真结果的影响[D].柳州：广西科技大学,2015.

[10] 高云凯,张朋,吴锦妍,等.基于kriging模型的大客车侧翻安全性多目标优化[J].同济大学学报(自然科学版),2012(12):1176-1181.

Simulation Study on Minivan Stumbling Rollover Test and Influence Factors Analysis

ZHOUTingmei1)YANYan1)MOYimin1)LIUChangye1,2)

(SchoolofMechanicalandElectronicEngineering,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)1)(TechnicalDevelopmentCenter,SGMWCorporation,Liuzhou540057,China)2)

In order to study the safety performance of the minivan in stumbling rollover, a finite element simulation model of the target car based on the strength requirement and test method of the bus upper structure was established, and the validity and accuracy of the model were verified. The influence of four initial collision parameters including the initial rollover angle, the initial turning angular velocity, the height of the baffle and the height of the flipping platform on vehicle safety performance in stumbling rollover was researched. The results indicate that the selected four evaluation indices including the largest deformation of A pillar, upper beam and the roof, and the largest rigid wall force are positively correlated with the initial rollover angle and the height of the flipping platform, which are negatively correlated with the initial turning angular velocity and the baffle height, and the flipping platform height is the most obvious effect on the test results.

minivan; stumbling rollover test; finite element model; collision parameters

U467.1

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.05.017

2017-07-12

周廷美(1962—)：女，博士，教授，主要研究领域为管理信息系统、CAD、包装动力学等

*校企合作基金项目资助(S-C08-01W10-904-010-OR19)