10.16638/jki.1671-7988.2021.05.034
江兴洋1，吴胜军2，龙志军1
（1.佛山职业技术学院，广东佛山528000；2.湖北汽车工业学院，湖北十堰442000）
摘要：建立东风EQ6110HEV6混合动力客车和某MPV有限元模型，基于美国公共交通协会（APTA）对侧面碰撞要求，联合HyperWorks和LS-DYNA软件建立了混合动力客车与MPV侧面碰撞的有限元模型，仿真计算了MPV 以40km/h的速度从侧面90°撞击该混合动力客车。以该混合动力客车结构变形、各测点加速度值、乘员生存空间侵入量为评价指标，分析了该混合动力客车侧面耐撞性能，为客车碰撞安全性的判定提供参考。
关键词：混合动力客车；汽车安全性；车体耐撞性；侧面碰撞；有限元仿真2013款奔驰g500
华菱重卡中图分类号：U469.1 文献标识码：A 文章编号：1671-7988(2021)05-117-05
Analysis of Side Crash Worthiness of HEV Bus*
Jiang Xingyang1, Wu Shengjun2, Long Zhijun1
( 1.Foshan Polytechnic, Guangdong Foshan 528000;
2.Hubei University of Automotive Technology, Hubei Shiyan 442000 )
Abstract: The finite element model of the Dongfeng EQ6110HEV6 hybrid bus and an MPV was established. Based on the American Public Transport Association (APTA) requirements for side collisions, the finite element model of the hybrid bus and the MPV side collision was established with HyperWorks and LS-DYNA software. The MPV hits the hybrid bus at a speed of 40km/h from the side 90°. Taking the structural deformation of the hybrid bus, the acceleration value of each measuring point, and the amount of intrusion into the living space of the occupants as evaluation indicators, the side crashworthiness of the hybrid bus is analyzed, which provides a reference for the judgment of the collision safety of the bus. Keywords: HEV; Car security; Crash worthiness of car body; Side Collision; Finite Element Simulation
CLC NO.: U469.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2021)05-117-05
引言
作为传统燃油客车向纯电动客车的过渡，混合动力客车具有两者的优点，既具有纯电动客车低速的燃油经济性和平顺性，又保持了燃油客车的续航里程[1]。然而在结构防撞性上与纯电动客车保持一致，在保证乘员不受车身结构变形的伤害，同时也要防止电池系统受到碰撞与挤压，发生短路、泄露、爆炸等危险事故[2]。
目前国内外尚无客车侧面碰撞的强制法规，但一些社会组织制定了一些客车侧碰安全性的规定，比如美国公共交通协会（APTA）提出的“美国标准公共汽车采购指导方针”中对客车的侧面耐撞性做了如下要求[3-4]：客车的任何一侧（包括车门位置），在受到一个时速为25mile，质量为4000磅（即40km/h，1.814t）的汽车撞击后，客车侧面在碰撞中不应该有超过3inch（76.2mm）的永久结构变形，且碰撞过程中在客车内部不能留下尖角和凸包。
作者简介：江兴洋（1995-），男，湖北十堰人，硕士，研究方向为
汽车被动安全。吴胜军（1973-），男，湖北麻城人，硕士，副教授，
主要从事优化设计方面的研究。基金项目：佛山市科技创新项目
（2017AG100151），汽车零部件技术湖北省协同创新项目（2015XTX
ZX0421），汽车动力传动与电子控制湖北省重点实验室（ZDK1201306）。
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汽车实用技术
118本文以东风公司EQ6110HEV6为研究对象，该车型为城
市混合动力公交车，按照APTA的侧碰要求对其进行侧面碰撞仿真分析，并从乘员测点加速度和乘员生存空间等方面分析混合动力客车的侧面耐撞性，为完善客车侧面碰撞安全性评判以及相关法规的制定提供参考。
1 侧碰有限元模型的建立
1.1 混合动力客车有限元模型
该混合动力客车底盘结构为半承载式底盘，底盘是组合式大梁结构。车体车身骨架与底盘刚性连接，形成闭环结构，与底盘一起承担弯曲和扭转载荷[5]，电池系统安置在车顶的后部。由于主要研究该混合动力客车的骨架，在保证能够表现出车身各构件的真实力学特性的前提下，提高仿真精度并减少计算时长。结合该车型的结构特点以及有限元仿真的相关简化原则，对该混合动力客车进行适当简化[6-8]。用等质量点的形式代替非承载件和装饰件，如仪表、座椅、车身蒙皮、挡风玻璃、车门等；对于工艺结构件，如部件工艺圆角、工艺安装孔、垫片、较小的螺栓孔等进行省略。随后，将模型导入Hy
perWorks中进行网格划分、网格质量检查、部件连结、材料属性的赋予等前处理工作。
该混合动力客车车身骨架结构大多采用闭口矩形管的薄壁结构，薄壁构件的形状相对较为规则，可以较为方便地抽中面，因此本次建模单元类型采用壳单元，不仅能够具有较高的精度，还能够大大节约资源。在侧面碰撞中，混合动力客车的前部和后部变形较小甚至基本不变形，中部区域变形较大。因此为了兼顾仿真结果的可信度和提高计算效率，在碰撞的接触区域选取单元尺寸为10 mm的网格，其他部位网格尺寸为15~20mm。最终客车骨架有限元模型的网格总数为1041802个，节点个数为1054563个，其中三角形单元为3632个。三角形单元过多会使得车身骨架的刚度有所增加，不能够真实反映车身骨架的耐撞性能，从而造成结果偏差过大，本次建模中三角形单元占比不足总单元数量的0.4%，满足不超过5%的要求。该混合动力客车的质量为8吨，车身部分采用共节点方式连接，底架部分采用无质量单元连接。车身和地板部分材料为Q235，底盘部分材料为Q345，材料参数见表1。
朵拉的爱车表1 车身骨架主要材料特性参数
1.2 侧面碰撞有限元模型
特斯拉车在APTA中要求作为撞击车辆的质量约为4000磅，即1814kg。在实际中该混合动力客车大多在城市交通道路上行驶，满足该质量要求的车型为中大型轿车、MPV、SUV等。由于混合动力客车地板距地面距离为700mm，重心较高且质量较大，与轿车等重心较低的车型发生碰撞事故时往往处于较为强势一方，对乘员舱的损伤并不严重。因此将重心高度相当且质量满足要求的MPV车型作为撞击车辆。
根据实际客车侧面碰撞事故分析，当碰撞位置发生在侧面的前部或后部时，车桥等部件也会吸收一部分能量，造成的损伤程度不及发生在侧面中部的位置，侧面中部由于缺少吸能部件以及缓冲空间，发生事故后，乘员生存空间遭到侵入，容易造成车内人员伤亡[9]。因此为了更加准确的评判该混合动力客车侧面碰撞安全性，将碰撞位置选为左侧中部。
将MPV有限元模型导入到预定位置，设置混合动力客车与MVP的接触、两车与地面的接触以及自身接触，接触类型选为面面接触、自接触，地面滑动摩擦系数为0.7，其他接触摩擦系数定为0.2。碰撞初速度设为40km/h，整个仿真计算时间设置为180ms。最终混合动力客车侧面碰撞仿真模型如图1所示。
图1 客车车身骨架有限元模型
2 仿真结果分析
将模型提交LS-DYNA计算，计算结束后，在HyperView 中查看计算结果。
2.1 侧碰仿真结果的验证
在对仿真计算结果进行分析之前，需要对侧面碰撞结果的可靠性进行验证。汽车在发生侧面碰撞事故过程中，能量会通过车身骨架和地面进行传递与转化，在此过程中，能量的变化必须是守恒的，因此通过定量分析方法对仿真结果的可靠性进行评判[10]。
图2 能量随时间历程曲线图
由于本次仿真计算采用单点高斯积分，所以会产生沙漏。如果沙漏能过大，则会导致计算结果失真，因此必须将沙漏能控制在一定范围内。相关规定沙漏能不能超过总能量的
江兴洋 等：混合动力客车侧面耐撞性分析
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5%，各部分能量随时间变化曲线光滑，没有明显的突变，总能量趋于不变，动能转化为内能，质量增加也要控制在5%以内。图2为混合动力客车各部分能量随时间历程曲线图。
由能量变化曲线可以看出，在前5s 由于两车还未发生接触，未发生能量转化，此时内能为0，整个系统的总能量的值与MPV 的动能值相等；从第5ms 开始，两车开始接触，动能和内能开始变化，随着时间的推进，动能开始迅速下降，内能则相对应开始增加，在此过程中，动能转化为内能，直到96ms 内能的值达到最大；随后，车身骨架部件发生回弹，两车分离，直到130ms 时，各部分能量趋于稳定；随后由于地面的摩擦力，两车逐渐停止，碰撞过程结束。整个碰撞过程，总能量的值为117000000mJ ，沙漏能为460000mJ ，沙漏能占总能量的0.4%，沙漏能占比不足总能量的5%，符合要求。各部分能量变化曲线光滑，未发生明显的突变，整个过程符合能量守恒定律。
如图3所示，整个碰撞过程中，模型质量仅仅增加了1.3kg ，占比为0.068%，不足5%，符合质量增加的要求。因此，综合能量变化与质量增加情况，本次仿真计算结果是可靠的。
图3 质量增加随时间历程曲线图
2.2 车身运动状态分析
根据碰撞动画可以看出，在两车发生接触时，混合动力客车侧围发生一定变形，随着碰撞过程的深入，混合动力客车侧围骨架损伤进一步增加并达到峰值，随后两车发生分离，侧围部件开始发生一定回弹，由于地面摩擦力的存在，两车逐渐停止。图4截取了几个主要时刻MPV 撞击混合动力客车的运动状态图。
由图4显示的运动状态图可知：
（1）该混合动力客车侧围骨架变形并不严重，侧围部件并未严重侵入乘员舱，车体并未发生严重损伤；
（2）MPV 的前部部件发生一定变形，可见混合动力客车的侧围具有一定的刚度，碰撞能量一部分被侧围部件吸收，一部分由侧围立柱和底架转移至车身骨架其他部件，能够很好抵抗MPV 碰撞载荷；
长城高山（3）随着碰撞时间的推移，在120ms 后，MPV 与混合动力客车分离，车身骨架发生一定回弹，由于该混合动力客车质心位置处于中后部，所以车身前部质量较后部轻，车头发生一定偏移，随后在地面摩擦力的作用下，两车逐渐停止；
（4）通过对碰撞结束后混合动力客车变形程度的分析，车身骨架变形较小，地板并未发生明显凸起或凹陷，乘客座椅不会发生倾斜，整个过程侧围部件很好的吸收并传递载荷，有效的保护了车内乘员的安全。
a ）20ms 时刻车身运动图
b ）80ms 时刻车身运动图
c ）140ms 时刻车身运动图
d ）180ms 时刻车身运动图 图4 HEV 碰撞主要时刻的运动状态图
2.3 测点速度与加速度分析
碰撞事故中产生的速度与加速度的大小，直接影响车内乘员与车内饰部件发生“二次碰撞”的概率，因此，碰撞产生的速度与加速度的值是衡量该车碰撞安全性能的重要指标。本次仿真主要输出了五个点的速度与加速度值，分别为：驾驶员座椅地板处、发生碰撞侧座椅地板处、混合动力客车
质心处、电池质心处和MPV 质心处。在HyperView 中获取各测点的速度与加速度随时间历程曲线图，如图5和图6。
图5 各测点速度曲线
图6 各测点加速度曲线 根据各测点的速度与加速度随时间历程曲线，可得出以
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120 下结论：
（1）各测点速度随时间历程曲线存在一定波动，但振荡并不大，能够较好反映各个位置真实情况。
（2）在5ms 时，MVP 撞击混合动力客车，两车发生接触，此时MPV 质心处加速度开始迅速下降，这与能量变化曲线所反映的接触时间相一致。由于碰撞侧座椅地板处距离碰撞发生的位置较近，因此，
此处位置速度增加明显。在40ms 达到2.45m/s 的峰值。持续到90ms ，此时，碰撞侧座椅地板处速度值与MPV 质心速度相等，随后直到130ms ，这两点速度随时间历程曲线变化趋势大致相同。130ms 后两车分离。
（3）由于混合动力客车质心的位置靠中后部，速度值较小且稳定，这表明MPV 对该混合动力客车并未造成较大冲击。120ms 后，在地面摩擦力的作用下，该测点的速度值逐渐减小。
（4）驾驶员处速度值较混合动力客车质心处速度值大，这是由于该混合动力客车前部轻，后部重，受到MPV 撞击后，车身先是会发生一定的平动，随后车身骨架前部会发生一定转动。
（5）由图6可以看出，混合动力客车四个测点的加速度峰值较小，驾驶员座椅地板处加速度峰值为12.5g ，碰撞侧座椅地板加速度峰值为23g ，参照乘用车对于侧面碰撞相关要求，该值并不会造成车内司乘人员受伤，因此，该混合动力客车具备一定的安全性。 2.4 乘员舱侵入量分析
混合动力客车发生侧面碰撞事故时，由于其侧面缺少吸能部件和缓冲空间，车身侧围容易发生较大变形，从而挤压车内乘员的生存空间，使得乘员容易与车身骨架内部部件发生碰撞而造成伤亡。因此对乘员生存空间的考察也是评价该混合动力客车侧面碰撞安全性的重要指标之一。参照国内客车侧翻的法规GB/T17578-2013《客车上部结构强度规定》中对乘员生存空间的要求，本次研究选择提取四个测点Y 向位移情况来探究该混合动力客车受到撞击后乘员生存空间变化情况，四个测点具体位置如图7
所示。
图7 各测点具体位置图
如图8为该混合动力客车主要两个典型时刻车身骨架变形情况。由于MPV 重心比混合动力客车低，整体车身高度不及混合动力客车，所以对混合动力客车中上部造成的损伤并不严重，只有中下部有一定的变形量，在车身骨架发生完全回弹后，发生的永久变形并不大。
如图9为各测点侵入量随时间历程曲线图，从5ms 开始，
各测点的侵入量逐渐增加，直到90ms 达到峰值状态。各测点的最大变形量分别达到147mm 、135mm 、145mm 和97mm 。90ms 后，两车分离，车身骨架各部件发生回弹，侵入量相应减小并逐渐趋于稳定。仿真结束时，各测点侵入量已经到达稳定值，分别为：75mm 、73mm 、70mm 、34mm 。根据GB/T 17578-2013《客车上部结构强度规定》中对乘员生存空间最大侵入量的规定，各测点的最大侵入量均未超过规定值150mm ，碰撞结束后车身骨架发生的永久变形也符合不超过规定值76mm 的要求。因此，根据乘员生存空间的角度来考量，该混合动力客车具有一定的侧面耐撞性能。
t=90ms t=180ms
图8 混合动力客车典型时刻变形图
图9 各测点侵入量曲线
2.5 电池安全分析
在2011年雪佛兰沃蓝达PHEV 起火事件中，造成事故的主要原因是在碰撞测试过程中，锂电池在碰撞过程中受损，在翻滚试验后，锂电池热管理系统的冷却液发生泄漏并于电池组接触，导致电池内部短路，产生自燃。2013年Tesla Model S 发生起火事件，事故原因为汽车在行驶过程中与路面金属发生接触碰撞，导致电池包外壳被刺穿，造成电池内部短路引起热失控。因此保护电池系统是研究混合动力客车安全性的又一大主要指标。
在碰撞过程中，引发电池安全性的主要形式是碰撞导致电池包外壳受损引发短路、热失控、电解液流出等。存在引发自燃甚至爆炸等隐患，一旦发生上述事故，容易造成重大
生命财产损失。
本次研究的混合动力客车的电池包布置在车顶中后部，通过电池外壳的箱体来保证电池的绝缘性、稳定性和密封性。由于混合动力客车车身尺寸较高，因此直接与电池箱发生接触碰撞的可能性较小，但在碰撞过程中电池箱结构的局部受力如电池箱与车身骨架连接处依然值得重视。本次分析主要从电池
箱受力情况进行讨论，如图10为该混合动力客车电池箱发生碰撞时受力云图。
panameraturbo江兴洋 等：混合动力客车侧面耐撞性分析
121
由图可分析出：电池箱在碰撞事故发生时出现的最大应力位置为电池箱与车身骨架连接处，约为185MPa ，其他位置受力较小，并未超过该电池箱材料的许用应力值，存在安全隐患的可能性较小。
图10 电池箱应力图
3 结论
本文建立了混合动力客车车身骨架的有限元模型，并按APTA 要求完成了侧面碰撞分析。从能量守恒定律的角度出发验证了本次碰撞仿真结果的可靠性。主要从混合动力客车发生碰撞事故过程中整个车体运动情况以及车身骨架变形情况、车体内部乘员区速度、加速度、乘员生存空间和电池安全几个方面综合分析了该混合动力客车的侧面耐撞性能。结果表明该混合动力客车受到MPV 以40km/h 的速度从侧面撞击时，其测点速度与加速度值、乘员舱侵入量都符合标准，对车内乘员以及动力电池系统造成的影响较小。因此可以确定混合动力客车侧面可以抵御来自MPV （1.8吨，40km/h ）
的碰撞，能够保护车内乘员的生命安全，具备一定的侧面耐撞性。
参考文献
[1] 韦宁.混合动力客车骨架侧碰的仿真与分析[D].湖北汽车工业学
院,2017,11.
[2] 郜效保.微型纯电动汽车电池包结构设计与碰撞安全性研究[D].
湖南大学,2016,5.
[3] 高水德，张邵理，姚常青.国外客车被动安全研究[J].客车技术与研
究,2006,28(3):4-7.
[4] 王松，陈婉平，纪绪北.基于美标的纯电动客车侧面碰撞仿真分析
[J]，客车技术与研究,2015,8(4):17-19.
[5] 中国公路学会客车分会，江苏省交通科学研究院.客车制造工艺技
术[M].北京：人民交通出版社,2008.
[6] 崔佳.电动客车侧向被动安全仿真与结构优化研究[D].吉林大学,
2015,5.
[7] 叶子波，符兴锋，周斯加.HEV 后碰撞安全性仿真和试验研究[J].华
南理工大学学报（自然科学版）,2011,11:138-143.
[8] Ravindrakumar Nimbalkar.Finite Element Modeling of a Transit
Bus[D].Florida State University Libraries,2003.11.
[9] 邱少波.汽车碰撞安全工程[M].北京：北京理工大学出版社,2016.1. [10] 郭敬文，姚成.客车侧面碰撞仿真研究[J].海峡科学,2010(12):116-
117.
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