CN110399701A - 一种利于客车正面碰撞保护的前部车体结构及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的是一种利于客车正面碰撞保护的前部车体结构，前部车体结构包括主吸能区、刚性区和辅助吸能区，主吸能区布设有吸能机构；刚性区布设有司机椅和转向器安装支架；辅助吸能区位于客车S4截面之前除主吸能区和刚性区外的区域，客车S4截面为客车前桥后横梁所在的横向截面。本发明还同时披露了一种利于客车正面碰撞保护的前部车体结构的设计方法。本发明利用等效双线性加速度曲线，采用仿真分析的方法，确定车体前部典型结构，从而实现车体前端耐撞性结构快速正向设计，解决了现有客车前部结构功能划分不清楚，传力路径不合理，结构复杂，制造困难，车身质量大且成本高等问题。
Description
技术领域
本发明涉及的是汽车生产与设计的技术领域，更具体地说是一种利于客车正面碰撞保护的前部车体结构及其设计方法。
背景技术
根据相关资料表明，客车正面碰撞伤亡事故已仅次于客车侧翻造成的伤亡，为了应对日益严峻的交通问题，目前客车正面碰撞法规的制定及实施已经迫在眉睫了。依据交通部制定的法规要求，既要保证驾驶区有足够的生存空间，又要保证乘客区的加速度不要过大，这样才能减轻乘客伤害及座椅的变形。
当汽车发生前碰撞时，碰撞时间的长短直接决定了碰撞加速度的激烈程度，同时不同时间段的数值对假人各部位伤害的影响程度也不同。因此，要系统的研究加速度曲线对假人伤害的关系，采用优化软件，寻找符合要求的假人伤害最大和最小值所对应的加速度曲线，然后利用这个曲线采用拓扑优化的方法，把客车前部结构的传力路径解析出来，接着布置功能结构件，然后再设计功能件与传力路径的连接结构，从而设计出满足正碰要求的最优碰撞结构，并进行试验验证。
目前，客车前部结构由于空间紧凑，且重量集中在后悬处，故主吸能区该怎么设计，刚性区怎么采用什么结构，布置什么功能结构件，辅助吸能区变形空间多大均无法提供等，这些对设计人员来说均是个挑战。
发明内容
本发明公开的是一种利于客车正面碰撞保护的前部车体结构的设计方法，其主要目的在于克服现有技术存在的上述不足和缺点。
本发明利用等效双线性加速度曲线，采用仿真分析的方法，确定车体前部典型结构，从而实现车体前端耐撞性结构快速正向设计，解决了现有客车前部结构功能划分不清楚，传力路径不合理，结构复杂，制造困难，车身质量大且成本高等问题。
本发明采用的技术方案如下：
一种利于客车正面碰撞保护的前部车体结构，所述前部车体结构包括主吸能区、刚性区和辅助吸能区，所述主吸能区位于客车S1截面之前的区域，该客车S1截面为与客车转向立柱连接的左、右横梁之间的横向截面，所述主吸能区布设有吸能机构；所述刚性区位于客车S1截面与S2截面之间的左侧区域，所述S2截面为与客车司机椅连接的左、右横梁的横向截面，所述刚性区布设有司机椅和转向器安装支架；所述辅助吸能区位于客车S4截面之前除主吸能区和刚性区外的区域，所述客车S4截面为客车前桥后横梁所在的横向截面；所述前部车体结构设有至少四路的传力路径。
更进一步，所述传力路径有四路，分别为从前往后方向依次连接的第一级传力路径和第二级传力路径，以及从上、下两平面方向传递的上层传力路径和下层传力路径。
更进一步，所述第一级传力路径和第二级传力路径为前、后两级传力路径，所述上层传力路径和下层传力路径为同一级传力路径。
更进一步，所述上层传力路径的刚度从前往后逐渐减小，并通过客车前桥上的第二级传力路径传到客车中央通道处；所述下层传力路径有两路且为同一级传力路径，通过该下层传力路径把碰撞力传到上层传力路径与前桥前端面上。
更进一步，所述主吸能区的变形吸能行程为190-215mm。
更进一步，所述吸能机构为吸能盒，该中吸能盒的截面形状优选为圆台形，且该吸能盒为从前往后逐渐变形吸能。
更进一步，所述辅助吸能区的变形吸能行程为195-235mm，最终主、辅吸能区的变形量控制在325-385mm。
一种利于客车正面碰撞保护的前部车体结构的设计方法，所述设计方法包括以下具体步骤：
步骤1：根据产品规划人员对产品的定义和人体损伤的要求，选择相对应的等效双线性加速度曲线（即在0~t1时间段，加速度值快速上升至峰值；在t1~t2时间段，加速度值缓慢下降，且在t2时刻，车辆速度降至0m/s；在t2~t3时间段，即碰撞回弹至某一速度；）为客车第一排乘客区的碰撞加速度曲线，并确定前部车体结构由三部分组成：主吸能区，刚性区和辅助吸能区；
步骤2：确定主吸能区的变形量L主，主吸能区的变形量为
其中，v0表示客车的初始速度，t1表示等效双线性加速度曲线第一个拐点出现时刻，a(t)表示客车的加速度；同时，求出主吸能区上吸能盒最大、最小压缩变形量，并由此可求得吸能盒的设计长度，吸能盒的厚度可以根据吸收的能量及变形方式，采用仿真分析的方法来确定；
步骤3：确定辅助吸能区的变形量L辅，辅助吸能区的变形量可根据选取的等效双线性曲线及初始碰撞速度进行两次积分得到整个前部结构的变形量，故可知，辅助吸能区的变形量为；
步骤4：确认传力路径及设计结构，基于非线性动态拓扑优化的碰撞力等效方式主要是整个碰撞过程的平均碰撞力，故求出该平均碰撞力值的大小，，其中，f2(s)为整个位移域内碰撞力随位移历程，s为最大位移；然后再把值按照传力路径上力的分散百分比进行分配，并作用在主吸能区的前端，确认传力路径；
再将与客车前桥连接的左、右后横梁之间的截面之前的区域作为拓扑优化的区域，并对各功能区域进行分割，得到拓扑优化区域，经过拓扑优化计算得到分析结构，然后根据该优化结果进行客车前部车体结构的模型重构，其中上层设计两路以上的传力路径，并且分为前、后两级传力路径，刚度从前往后逐渐减小；下层设计两路的传力路径，并且只分为一级传力路径；
步骤5：设计布置功能件的结构，根据客车总布置的要求进行车体结构设计，以使功能件布置在该设计区域内；
步骤6：设计传力路径与功能件间的结构，设计传力路径与功能件间的结构，保证功能件与传力路径上的结构连接牢固，并具有一定的刚度，不会引起共振或异响；
步骤7：前部结构子模型试验验证，验证该前部结构在与整车中吸收能量相同的情况下，以相同速度进行试验，查看其主吸能区的吸能盒变形和辅助吸能区的变形是否都是从前往后逐渐吸能变形，每个功能区上的加速度是否合理；
步骤8：提取加速度曲线进行等效，通过步骤7的试验验证后，提取乘客区的加速度曲线，然后对其进行双线性等效，查看其等效加速度曲线是否落在确定的最大、最小加速度曲线区间，如果不在该区间，则返回步骤2重新调整结构，使其落在等效最大最小加速度曲线区间；
步骤9：整车（含假人）模型仿真计算，通过步骤8得到的等效双线性曲线满足要求后，即可把该前部结构移植到整车结构中，并按法规要求放置仿真假人，进行仿真计算，以检验假人伤害值是否在法规要求范围内，如果不在法规范围内，则需适当调整传力路径与乘客区骨架间方钢的连接形式，如果在法规范围内，即可定版。
更进一步，所述步骤9中，当吸能盒与刚性墙碰撞接触时，能在较短的时间（即0~t1时间段）和较小的变形空间上吸收尽量多的能量，使乘客区加速度迅速抬升至合理区间，且在这段时间内乘客区假人还未与约束系统起作用。
更进一步，所述步骤9中，当前端吸能盒完全压溃变形后，此时辅助吸能区开始起作用，且在较长的时间内变形吸能，使乘客区加速度平稳下降，避免假人受到的冲击加速度过大，从而确保假人伤害值满足法规要求。
通过上述对本发明的描述可知，和现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明利用等效双线性加速度曲线，采用仿真分析的方法，确定车体前部典型结构，从而实现车体前端耐撞性结构快速正向设计，解决了现有客车前部结构功能划分不清楚，传力路径不合理，结构复杂，制造困难，车身质量大且成本高等问题。
附图说明
图1是本发明采用的等效双线性加速度曲线示意图。
图2是本发明客车正面碰撞的前部车体的侧视结构示意图。
图3是本发明客车正面碰撞的前部车体的俯视结构示意图。
图4是本发明采用的前部车体结构的拓扑区域示意图。
图5是本发明客车正面碰撞的前部车体结构的第一、二级传力路径的结构示意图。
图6是本发明客车正面碰撞的前部车体结构的司机侧（左侧）的传力路径的结构示意图。
图7是本发明客车正面碰撞的前部车体结构的乘客门侧（右侧）的传力路径的结构示意图。
图8是本发明客车正面碰撞的前部车体结构安全性的正向设计流程图。
具体实施方式
下面参照附图说明来进一步地说明本发明的具体实施方式。
如图2和图3所示，一种利于客车正面碰撞保护的前部车体结构，所述前部车体结构包括主吸能区、刚性区和辅助吸能区，所述主吸能区位于客车S1截面之前的区域，该客车S1截面为与客车转向立柱连接的左、右横梁之间的横向截面，所述主吸能区布设有吸能机构；所述刚性区位于客车S1截面与S2截面之间的左侧区域，所述S2截面为与客车司机椅连接的左、右横梁的横向截面，所述刚性区布设有司机椅和转向器安装支架；所述辅助吸能区位于客车S4截面之前除主吸能区和刚性区外的区域，所述客车S4截面为客车前桥后横梁所在的横向截面；所述前部车体结构设有至少四路的传力路径。
如图5、图6和图7所示，所述前部车体结构设有至少四路的传力路径。
更进一步，所述传力路径有四路，分别为从前往后方向依次连接的第一级传力路径和第二级传力路径，以及从上、下两平面方向传递的上层传力路径和下层传力路径。
更进一步，所述第一级传力路径和第二级传力路径为前、后两级传力路径，所述上层传力路径和下层传力路径为同一级传力路径。
更进一步，所述上层传力路径的刚度从前往后逐渐减小，并通过客车前桥上的第二级传力路径传到客车中央通道处；所述下层传力路径有两路且为同一级传力路径，通过该下层传力路径把碰撞力传到上层传力路径与前桥前端面上。
更进一步，所述主吸能区的变形吸能行程为190-215mm。
更进一步，所述吸能机构为吸能盒，该中吸能盒的截面形状优选为圆台形，且该吸能盒为从前往后逐渐变形吸能。且吸能盒的材料选择顺序：铝合金、不锈钢、高强度钢；
更进一步，所述辅助吸能区的变形吸能行程为195-235mm，最终主、辅吸能区的变形量控制在325-385mm。
如图1至图8所示，一种利于客车正面碰撞保护的前部车体结构的设计方法，所述设计方法包括以下具体步骤：
步骤1：根据产品规划人员对产品的定义和人体损伤的要求，选择相对应的等效双线性加速度曲线（即在0~t1时间段，加速度值快速上升至峰值；在t1~t2时间段，加速度值缓慢下降，且在t2时刻，车辆速度降至0m/s；在t2~t3时间段，即碰撞回弹至某一速度；）为客车第一排乘客区的碰撞加速度曲线，并确定前部车体结构由三部分组成：主吸能区，刚性区和辅助吸能区；
步骤2：确定主吸能区的变形量L主，主吸能区的变形量为
其中，v0表示客车的初始速度，t1表示等效双线性加速度曲线第一个拐点出现时刻，a(t)表示客车的加速度；同时，求出主吸能区上吸能盒最大、最小压缩变形量，并由此可求得吸能盒的设计长度，吸能盒的厚度可以根据吸收的能量及变形方式，采用仿真分析的方法来确定；
步骤3：确定辅助吸能区的变形量L辅，辅助吸能区的变形量可根据选取的等效双线性曲线及初始碰撞速度进行两次积分得到整个前部结构的变形量，故可知，辅助吸能区的变形量为；
步骤4：确认传力路径及设计结构，基于非线性动态拓扑优化的碰撞力等效方式主要是整个碰撞过程的平均碰撞力，故求出该平均碰撞力值的大小，，其中，f2(s)为整个位移域内碰撞力随位移历程，s为最大位移；然后再把值按照传力路径上力的分散百分比进行分配，并作用在主吸能区的前端，确认传力路径；
再将与客车前桥连接的左、右后横梁之间的截面之前的区域作为拓扑优化的区域，并对各功能区域进行分割，得到拓扑优化区域，经过拓扑优化计算得到分析结构，然后根据该优化结果进行客车前部车体结构的模型重构，其中上层设计两路以上的传力路径，并且分为前、后两级传力路径，刚度从前往后逐渐减小；下层设计两路的传力路径，并且只分为一级传力路径；
步骤5：设计布置功能件的结构，根据客车总布置的要求进行车体结构设计，以使功能件布置在该设计区域内；
步骤6：设计传力路径与功能件间的结构，设计传力路径与功能件间的结构，保证功能件与传力路径上的结构连接牢固，并具有一定的刚度，不会引起共振或异响；
步骤7：前部结构子模型试验验证，验证该前部结构在与整车中吸收能量相同的情况下，以相同速度进行试验，查看其主吸能区的吸能盒变形和辅助吸能区的变形是否都是从前往后逐渐吸能变形，每个功能区上的加速度是否合理；
步骤8：提取加速度曲线进行等效，通过步骤7的试验验证后，提取乘客区的加速度曲线，然后对其进行双线性等效，查看其等效加速度曲线是否落在确定的最大、最小加速度曲线区间，如果不在该区间，则返回步骤2重新调整结构，使其落在等效最大最小加速度曲线区间；
步骤9：整车（含假人）模型仿真计算，通过步骤8得到的等效双线性曲线满足要求后，即可把该前部结构移植到整车结构中，并按法规要求放置仿真假人，进行仿真计算，以检验假人伤害值是否在法规要求范围内，如果不在法规范围内，则需适当调整传力路径与乘客区骨架间方钢的连接形式，如果在法规范围内，即可定版。
更进一步，所述步骤9中，当吸能盒与刚性墙碰撞接触时，能在较短的时间（即0~t1时间段）和较小的变形空间上吸收尽量多的能量，使乘客区加速度迅速抬升至合理区间，且在这段时间内乘客区假人还未与约束系统起作用。
更进一步，所述步骤9中，当前端吸能盒完全压溃变形后，此时辅助吸能区开始起作用，且在较长的时间内变形吸能，使乘客区加速度平稳下降，避免假人受到的冲击加速度过大，从而确保假人伤害值满足法规要求。
通过上述对本发明的描述可知，和现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明利用等效双线性加速度曲线，采用仿真分析的方法，确定车体前部典型结构，从而实现车体前端耐撞性结构快速正向设计，解决了现有客车前部结构功能划分不清楚，传力路径不合理，结构复杂，制造困难，车身质量大且成本高等问题。
Claims (10)
1.一种利于客车正面碰撞保护的前部车体结构，其特征在于：所述前部车体结构包括主吸能区、刚性区和辅助吸能区，所述主吸能区位于客车S1截面之前的区域，该客车S1截面为与客车转向立柱连接的左、右横梁之间的横向截面，所述主吸能区布设有吸能机构；所述刚性区位于客车S1截面与S2截面之间的左侧区域，所述S2截面为与客车司机椅连接的左、右横梁的横向截面，所述刚性区布设有司机椅和转向器安装支架；所述辅助吸能区位于客车S4截面之前除主吸能区和刚性区外的区域，所述客车S4截面为客车前桥后横梁所在的横向截面；所述前部车体结构设有至少四路的传力路径。
2.根据权利要求1所述的一种利于客车正面碰撞保护的前部车体结构，其特征在于：所述传力路径有四路，分别为从前往后方向依次连接的第一级传力路径和第二级传力路径，以及从上、下两平面方向传递的上层传力路径和下层传力路径。
3.根据权利要求2所述的一种利于客车正面碰撞保护的前部车体结构，其特征在于：所述第一级传力路径和第二级传力路径为前、后两级传力路径。
4.根据权利要求3所述的一种利于客车正面碰撞保护的前部车体结构，其特征在于：所述上层传力路径的刚度从前往后逐渐减小，并通过客车前桥上的第二级传力路径传到客车中央通道处；所述下层传力路径有两路且为同一级传力路径，通过该下层传力路径把碰撞力传到上层传力路径与前桥前端面上。
5.根据权利要求1所述的一种利于客车正面碰撞保护的前部车体结构，其特征在于：所述主吸能区的变形吸能行程为190-215mm。
6.根据权利要求1所述的一种利于客车正面碰撞保护的前部车体结构，其特征在于：所述吸能机构为吸能盒，该中吸能盒的截面形状优选为圆台形，且该吸能盒为从前往后逐渐变形吸能。
7.根据权利要求1所述的一种利于客车正面碰撞保护的前部车体结构，其特征在于：所述辅助吸能区的变形吸能行程为195-235mm。
8.一种利于客车正面碰撞保护的前部车体结构的设计方法，其特征在于：所述设计方法包括以下具体步骤：
步骤1：根据产品规划人员对产品的定义和人体损伤的要求，选择相对应的等效双线性加速度曲线（即在0~t1时间段，加速度值快速上升至峰值；在t1~t2时间段，加速度值缓慢下降，且在t2时刻，车辆速度降至0m/s；在t2~t3时间段，即碰撞回弹至某一速度；）为客车第一排乘客区的碰撞加速度曲线，并确定前部车体结构由三部分组成：主吸能区，刚性区和辅助吸能区；
步骤2：确定主吸能区的变形量L主，主吸能区的变形量为
其中，v0表示客车的初始速度，t1表示等效双线性加速度曲线第一个拐点出现时刻，a(t)表示客车的加速度；同时，求出主吸能区上吸能盒最大、最小压缩变形量，并由此可求得吸能盒的设计长度，吸能盒的厚度可以根据吸收的能量及变形方式，采用仿真分析的方法来确定；
步骤3：确定辅助吸能区的变形量L辅，辅助吸能区的变形量可根据选取的等效双线性曲线及初始碰撞速度进行两次积分得到整个前部结构的变形量，故可知，辅助吸能区的变形量为；
步骤4：确认传力路径及设计结构，基于非线性动态拓扑优化的碰撞力等效方式主要是整个碰撞过程的平均碰撞力，故求出该平均碰撞力值的大小，，其中，f2(s)为整个位移域内碰撞力随位移历程，s为最大位移；然后再把值按照传力路径上力的分散百分比进行分配，并作用在主吸能区的前端，确认传力路径；
再将与客车前桥连接的左、右后横梁之间的截面之前的区域作为拓扑优化的区域，并对各功能区域进行分割，得到拓扑优化区域，经过拓扑优化计算得到分析结构，然后根据该优化结果进行客车前部车体结构的模型重构，其中上层设计两路以上的传力路径，并且分为前、后两级传力路径，刚度从前往后逐渐减小；下层设计两路的传力路径，并且只分为一级传力路径；
步骤5：设计布置功能件的结构，根据客车总布置的要求进行车体结构设计，以使功能件布置在该设计区域内；
步骤6：设计传力路径与功能件间的结构，设计传力路径与功能件间的结构，保证功能件与传力路径上的结构连接牢固，并具有一定的刚度，不会引起共振或异响；
步骤7：前部结构子模型试验验证，验证该前部结构在与整车中吸收能量相同的情况下，以相同速度进行试验，查看其主吸能区的吸能盒变形和辅助吸能区的变形是否都是从前往后逐渐吸能变形，每个功能区上的加速度是否合理；
步骤8：提取加速度曲线进行等效，通过步骤7的试验验证后，提取乘客区的加速度曲线，然后对其进行双线性等效，查看其等效加速度曲线是否落在确定的最大、最小加速度曲线区间，如果不在该区间，则返回步骤2重新调整结构，使其落在等效最大最小加速度曲线区间；
步骤9：整车（含假人）模型仿真计算，通过步骤8得到的等效双线性曲线满足要求后，即可把该前部结构移植到整车结构中，并按法规要求放置仿真假人，进行仿真计算，以检验假人伤害值是否在法规要求范围内，如果不在法规范围内，则需适当调整传力路径与乘客区骨架间方钢的连接形式，如果在法规范围内，即可定版。
9.根据权利要求8所述的一种利于客车正面碰撞保护的前部车体结构的设计方法，其特征在于：所述步骤9中，当吸能盒与刚性墙碰撞接触时，能在较短的时间（即0~t1时间段）和较小的变形空间上吸收尽量多的能量，使乘客区加速度迅速抬升至合理区间，且在这段时间内乘客区假人还未与约束系统起作用。
10.根据权利要求8所述的一种利于客车正面碰撞保护的前部车体结构的设计方法，其特征在于：所述步骤9中，当前端吸能盒完全压溃变形后，此时辅助吸能区开始起作用，且在较长的时间内变形吸能，使乘客区加速度平稳下降，避免假人受到的冲击加速度过大，从而确保假人伤害值满足法规要求。
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