摘 要：根据国家车辆高速碰撞法规要求，利用Hypermesh软件建立客车正面碰撞有限元模型，并基于Ls-Dyna求解器对客车正面撞击速度为50km/h进行数值仿真，得到了整车变形情况、碰撞力曲线、整车加速度曲线和前围板侵入量，这些数据对客车的结构设计具有重要参考价值。

关键词：客车；碰撞；仿真分析；前围板

基金项目：重庆交通大学研究生创新基金项目（20130138）

Non-linear Finite Element Analysis for Bus High-speed Crashing Performance

LIN Fan-guo， WAN Zhao-jun，QU Xian

（School of Mechatronics and Automobile Engineering， Chongqing Jiaotong University， Chongqing 400074， China ）

Abstract： According to the national vehicle speed collision regulations，this paper utilized Hypermesh software to establish a finite element model of the mini bus for crashing， and the ANSYS/Ls-Dyna solver was used for the numerical simulation of the bus under the velocity condition as 50 km/h， got the vehicle deformation ， the curve of collision force ， the curve of vehicle acceleration and the intrusion of dash panel，these data have important reference value for the structural design of passenger cars。

Key words： bus； impact； simulation analysis； dash panel

随着机动车辆和公路交通的快速发展，全球交通事故死亡总人数每年也在持续增长，据统计全球每年将近有120万人死于交通事故[1]，据统计，我国2011年死于交通事故的人数达6.5万人，交通事故已经成为危害人类安全的重大问题，并且在这些交通事故中碰撞事故为主要形式，碰撞事故造成的死亡人数占60%。为此提高车辆的被动安全尤为重要，在汽车碰撞安全性研究中，为了保证驾乘人员有足够的生存空间，驾乘舱不应有过大的碰撞变形。

本文利用仿真软件Hypermesh和Ls-dyna对客车整车100%正面刚性壁障碰撞安全性能进行数值模拟，得到整车变形情况、碰撞力曲线、整车加速度曲线和前围板侵入量。这对于提高客车的安全性设计具有重要参考价值。

1 碰撞模型的建立

本次仿真实验参考国内某客车模型尺寸，客车的主要参数总长4140mm，宽1590mm，高1935mm，整备质量1060kg。

碰撞过程中，障碍壁墙基本不变形，因此墙壁可以选用MAT20号刚性体材料。画分网格时，面网格单元为20mm，体网格单元为20mm，单元总数为889579，节点为983019，三角形单元总数为31493，比例为3.5%。整车模型使用的主要材料为DC01、DC03、BLD、20#、B340/590DP、BUSD、ABS、PP等。由于整车零件很多，这里只列举重要零件选用材料。

在定义整车与壁障的接触时，将其定义为面与面的自动接触[2]，整车为主动接触。依据《GB11551-2003乘用车正面碰撞的乘员保护》的技术要求[3]，对小型客车的模拟速度设为50km/h。在本次仿真实验中，重力加速度g=9.81m/s2，小型客车与壁障墙的碰撞角为零度。

因为小型客车的有限元模型大本分都是面网格，即四节点的BT单元，Hypermesh软件中的算法为单点高斯计算方法，经过积分后，这种方法会造成有限元模型的能量损失，即沙漏能。沙漏能不可避免，并且它越大，计算结果越不准确，越小数据越精确。必须对它进行控制，一般通过设置沙漏系数来确保沙漏能维持在很小范围内，本文可将沙漏系数设为0.1[4]。

2 碰撞性能分析

由仿真实验数据可知总能量近似于120kj，沙漏能最大值近似为2.11kj，，所占比为1.7%，远远小于10%，沙漏能很小，说明本次仿真实验数据可靠。

图1和图2分别为碰撞力和整车加速度变化曲线，这两图表明整车加速度随着碰撞力的变化而变化，碰撞力最大时，整车加速度也最大。在35ms时碰撞力达到最大值488KN，整车加速度最大值为40g。

图3为碰撞过程中80ms时整车的变形情况，碰撞过程中，前纵梁吸收了碰撞的大部分能量，为主要吸能部件，当碰撞时间为40ms时，前纵梁变形最大，吸能盒基本被压溃，两边的纵梁轻微的向中间方向变形，在纵梁中部有折弯情况。

图4为前围板侵入量位移云图，前围的侵入是造成人胸部、腹部以及大腿受到伤害的重要原因之一，如果侵入量过大，则可能导致这些部位伤害过大，该图表明前围最大侵入量为139.5mm。

4 结论

1）整车加速度随着碰撞力的变化而变化，碰撞力最大时，整车加速度也最大，在客车结构改进中应重点考虑碰撞力影响。

2）高速碰撞后，吸能盒吸能充分，但左右纵梁在中间位置有折弯情况，这对驾驶室有潜在危害，本文建议应在左右横梁间加一条或两条横板作为支撑；

3）前围板最大侵量为139.5mm，这个数值对成人胸部、腹部以及大腿有潜在危害，在客车结构设计中应加大改进。

参考文献

Masao NAGAI. Perspectives of Research for Enhancing Active Safety Based on Advanced Control Technology[J]. Journal Automotive Safety and Energy， 2010， 1（1）：14-22.

BENSON DJ.A single surface contact algorithm for the post-buc-king analsys of shell at structures[J].Computer Methods in Applied Meehanies and Engineering，1990，7-8：141-163.

张金换，杜汇良，马春生等.汽车碰撞安全性设计[M].北京：清华大学出版社，2010.

胡远志，曾必强，谢书港.基于LS-DYNA和HyperWorks的汽车安全仿真与分析[M].北京.清华大学出版社.2012.