客车上部结构强度试验及仿真技术分析

摘要：根据客车交通事故统计分析，参考我国客车侧翻试验与仿真研究的现状，结合国内外相关法规差异，对国内客车侧翻试验、仿真及其评价方法进行了分析，并对存在的问题进行探讨。

关键词：客车；侧翻；上部结构

中图分类号：U469.1 文献标志码：A 文章编号：1005-2550（2012）02-0031-05

Test and Simulation Study on Strength of Coach Superstructure

LI Shi-feng1，DING Liang-xu2，HUANG Xue-jiao1，QING Guo-zhou2

（1. School of Mechatronics and Automotive Engineering， Chongqing Jiaotong University， Chongqing 400074，China；

2. National Coach Quality Supervision & Testing Center， Chongqing 401122， China）

Abstract: On the basis of statistical analysis of traffic accidents， refering to the status of study on test and simulation of coach rollover in China. According to the relative rules of domestic and international law，this paper analyses the test and simulation and evalution method of coach rollover and discusses related problems.

Key words: coach； rollover； superstructure

在我国，客车是绝对的客运运输主力，公路客运量和客运周转量远远大于其他客运运输方式的总和。据统计，2008年我国公路旅客运输量为220.7亿人，占各类运输方式旅客运输量的92.07%；公路旅客运输周转量为12 636亿人・公里，占各类运输方式旅客运输周转量的54%；全国公路、公交、旅游营运客车高达160多万辆，加上众多的微型和小型面包车，客车总量接近汽车保有量的1/4。

随着客车保有量的急剧增加，客车交通安全事故发生的频次也越来越高。据公安部交管局数据统计：2009年上半年，全国共发生道路交通事故107 193起，造成29 866人死亡、128 336人受伤，直接财产损失4.1亿元。其中，发生一次死亡10人以上特大道路交通事故12起，营运客车共肇事6起，占事故总数的50%，是特大交通事故肇事主要车辆。2010年上半年，全国共发生道路交通事故99 282起，造成27 270人死亡、116 982人受伤，直接财产损失4.1亿元。其中，发生一次死亡10人以上特大道路交通事故15起，同比增加3起，营运客车肇事10起，同比增加4起，占事故总数66.7%。

经统计分析，在这些事故中客车侧翻事故的死亡率是前、后碰撞事故死亡率的6倍，并且客车事故往往是造成群死群伤的特大交通安全事故，带来许多不良的社会影响。从2011年6月开始，我国对II级和III级客车中的单层客车的上部结构强度要求成为公告强制性检测项目，并且国内正在修订客车侧翻试验方法标准GB/T 17578，以确保客车侧翻安全性。

1 国内外法规标准

1.1 国外法规标准

目前，涉及到客车上部结构强度的国外法规主要有：欧洲ECE R52、ECE R66、ECE R107、2001/85/EC，美国FMVSS 208、FMVSS 216、FMVSS 220，澳大利亚ADR 59/00，南非SANS 1563，印度AIS-031等。由于欧洲是最早研究和实施客车上部结构强度要求的，相对来讲欧洲的法规比较全面和完善，许多国家（澳大利亚、南非、印度、中国等）对客车上部结构强度的法规都是在ECE R66的基础上修改制定的，因此ECE R66在国际上影响最大，适用范围也最广泛。

ECE R66法规经过不断修订，现在已有3个系列版本，R66-00系列于1986年12月1日实施，现在使用得较少，我国的GB/T 17578-1998《客车上部结构强度的规定》就是等效采用该系列中整车侧翻试验部分，现在正在按照R66-01系列修订为GB 17578；R66-01系列于2005年11月9日开始实施，现在使用最多，占出口认证的绝大部分；R66-02系列于2010年8月19日开始实施，该系列仅在01系列的基础上，增加了16座以上的B级客车对上部结构强度的要求，技术要求和试验方法上没有变化。

1.2 国内法规标准

国内涉及对客车上部结构强度规定的法规主要有：GB/T 17578-1998《客车上部结构强度的规定》、GB 13094-2007《客车结构安全要求》、GB 18986-2003《轻型客车结构安全要求》和GB 24407-2009《专用小学生校车安全技术条件》等。其中，GB 18986-2003主要是对客车顶部强度的要求；GB 13094-2007虽然增加了对客车上部结构强度的要求，但是主要是引用GB/T 17578-1998的相关规定，而GB/T 17578-1998主要参照ECE R66-00版本制定，只认同整车侧翻试验一种形式，鉴于试验成本高、认证方法单一、不可重复操作等原因，现正完全按照ECE R66-01进行修订；GB 24407-2009里面明确规定专用小学生校车要满足上部结构强度的要求，此部分规定于2012年1月1日起正式实施。这些法规的修订和实施，能很好地反映我国在客车上部结构安全性方面的重视程度，并且正在不断地加大执行力度，为我国客车被动安全性的提高起到很大的推动作用。

2 侧翻试验技术分析

客车侧翻试验是检验客车侧翻时上部结构安全性能最直观、有效的方法，欧美等汽车发达国家早在1986年就强制性要求，我国只在1998年制订的GB /T 17578标准中定为推荐性要求。相比较而言，我国在这方面的研究要滞后发达国家20多年。随着我国客车近几年出口率的增加，国内各大型客车企业纷纷开展了客车侧翻试验和出口认证方面的研究。到目前为止，国内开展的客车侧翻出口认证试验大多是按照ECE R66-00和ECE R66-01要求进行。而GB 13094-2007中规定自2011年2月1日开始强制执行对客车上部结构强度要求，因此今年国内开始按照GB/T 17578-1998《客车上部结构强度的规定》进行客车侧翻公告试验的数量骤然增加。

重庆车辆检测研究院国家客车质量监督检验中心按照GB 13094-2007《客车结构安全要求》和GB/T 17578-1998对客车上部结构强度的要求，仅在2011年6月份就顺利完成了16款国产客车侧翻公告检测试验（见图1）。

通过对比ECE R66（前者）和GB/T 17578-1998（后者），可以发现两者在试验方法上存在着明显区别：

1）前者要求在有安全带的座位上加载和锁止悬架，而后者对此没有要求；

2）前者要求对客车质心加以测量，后者没有要求；

3）前者除了整车侧翻试验的基本认证方法外，还有车身段侧翻试验、车身段准静态负荷试验、根据测试部件进行的准静态计算和整车计算机模拟侧翻试验等4种等效认证方法，而后者只有整车侧翻试验一种认证方法。

据国家客车质量监督检验中心所做过的几十例出口认证试验与国内公告试验统计数据表明，前者通过率约为90%，而后者通过率约为98%。正是由于试验方法的差异导致了不同的试验结果，主要原因有以下两点：

1）前者要求测试车辆为有效质量（整备质量与有安全带座椅上的配重之和），车辆基准能量比未加载的车辆更大，同时悬架锁止使车身和底盘成为整体，加大了侧翻后车辆上部结构的变形量。

2）后者仅要求测试的车辆为整备质量，没有加载，而且悬架不锁止。不加载可以保证车辆有较小的基准能量，悬架不锁止可以保证车辆侧翻过程中车身有一定程度的倾斜（未完全垂直试验台），从而使车辆质心降低，车辆的基准能量减小，进而减小了翻倒后车辆变形量。

为了与国际接轨，制定出可行性较强的法规早已是行业的大势所趋。对此，国家客标委联合国内客车企业、高等院校、研究院所和检测机构等18家单位，正完全按照ECE R66-01版本要求，对GB/T 17578-1998进行修订，预计修订工作在2011年底完成，届时认证方法增至5种，与ECE R66-01完全相同。

正是由于目前国标只有整车侧翻试验一种认证方法，使得国内开展整车侧翻试验的虽逐渐增多，但是开展ECE R66中规定的其他四种等效认证研究的相对很少。从国内某些客车企业和研究机构依据ECE R66完成的客车车身截段试验来看，较多出现焊缝开裂、立柱变形较大，生存空间侵入量过大等现象。国外在这方面已经积累了丰富的经验，开展的试验较为成功，如图２、图3所示，并在提高客车上部结构安全性方面提供了强有力的辅助分析手段和方法。

3 侧翻仿真技术分析

客车侧翻试验的结果能直观和客观反映车身在侧翻过程中是否具有足够的强度和刚度，以验证乘员是否有足够的生存空间，从而确定是否能有效保护乘员的生命安全。由于客车整车侧翻试验存在费用昂贵、试验周期长、不可重复等缺点，许多厂家在没有十足的把握下不会轻易做整车侧翻试验。利用计算机仿真研究客车侧翻，不仅可以缩短产品开发周期，节约试验费用，而且在仿真精度满足要求的情况下，对客车的设计、生产以及安全性评价等起到了很好的指导作用，正好弥补了整车试验的不足，成为众多企业和研究机构使用最多的研究方法。

目前我国在客车侧翻的计算机仿真研究方面越来越成熟，仿真模型越来越接近实际，分析结果与试验数据的一致性也越来越好。但是，从公开发表的文献资料来看，国内对客车侧翻的仿真研究大多数都是按照法规进行整车侧翻分析，对客车车体截段的仿真研究较少，研究的对象主要集中在上部结构强度、刚度等方面，对放置假人模型的客车侧翻乘员损伤研究尚不多见。国外在有限元模型的建立、模型的验证、假人模型的安放、试验与仿真的结合、评价方法的选取等方面进行了较深入的研究，取得了丰富的经验。尤其在客车车身截段侧翻的试验和仿真方面，如图4所示，相比整车的试验和仿真具有较好的可操作性和经济性。

仿真必然要验证数学模型的准确性，在最新的GB 17578报批稿中规定要在实际车辆结构上进行试验以证明数学模型的有效性和验证该模型中的假设。选取用于测试的部位主要是车身骨架的连接部位，包括焊接、螺栓连接以及角支撑部位等。试验方法是截取连接部位，对其施加静态或动态载荷，使构件发生弯折或断裂等破坏，测试连接部位的变形或破坏模式，数学模型采用同样的工况进行比较，验证部件模型的有效性或模型中的假设。

所以，尽管仿真研究较试验研究有明显的优势，但是采用计算机仿真分析并不意味着放弃试验技术。模拟计算阶段得到的结果只是对客车结构安全性的预先估计，只有最终的产品试验才能真实反映客车发生侧翻时的变形过程，并且模型中的有些参数要根据相关的试验才能获得，模型的正确性还要通过实车试验来验证。因此，试验与仿真的关系是相辅相成的，在今后相当长一段时期内，以仿真分析和试验验证相结合的研究方法仍将会是我国客车侧翻安全性研究的主要方法。

4 存在的问题探讨

通过上述分析发现，我国对客车上部结构强度及侧翻安全性的研究紧跟国际最新的法规标准和先进的试验仿真技术，针对我国的具体情况作了相应的修改和创新，相关法规逐步得到健全完善，试验和仿真技术水平逐步提高，但是仍然存在一些问题，现对这些问题进行初步探讨。

1）试验研究方面

GB 17578报批稿中已将车身截段侧翻试验确定为等效认证方法之一，相比整车侧翻试验而言，这种试验方法有更多的时间和成本优势，不久将会是客车侧翻安全性试验研究的重点。另外，许多欧洲国家（如英国、法国、西班牙、比利时、匈牙利、捷克等）制造商在选择ECE R66认证方法上主要为准静态计算，只有德国、荷兰主要采用整车侧翻的计算机仿真分析，这对我国客车制造商今后选择和研究认证方法方面提供了重要参考。

2）仿真研究方面

我国开展的客车侧翻安全性的仿真研究，在客车模型上多数为车身骨架的简化模型，略去了许多的附属部件，这样就忽略了车身薄壳对整体车身结构的加强作用，计算出的车身结构强度和刚度是偏于保守的，同时对分析车身结构的动态性能也带来一定的误差。因此，我们还应加大力度建立客车的精细化模型，使得仿真结果更加接近试验数据，更好地指导试验研究和产品开发。另外，我们在车身截段侧翻仿真研究方面尚不深入，缺乏更多试验数据的验证和指导。为了研究客车侧翻时的乘员损伤情况和运动轨迹，在车内放置假人模型的侧翻试验及仿真研究在国内尚未见到，这些都是我国目前面临和急需解决的问题。

3）评价方法方面

在试验评价方面，为了在试验结束后具体评价车辆结构的安全性能，现在检测机构使用最多的就是变形规和高速摄像机。套筒式变形规利用中间杆的位移量的多少来确定变形量，但不能测量立柱对应点的最大变形情况，无法提供其他点的变形信息。框架式变形规能够直观看出对应立柱发生最大变形时的生存空间的距离，但是安装较复杂。国家客车质量监督检验中心自行设计并且目前使用最多的单侧式变形规，只在翻倒侧安装，不仅安装方便，也能直接显示出对应主柱间的变形量，得到国外多个认证专家的认可和赞扬，值得推广和借鉴。

在仿真评价方面，生存空间评估角法难以准确反映生存空间受到入侵的情况，接触力式评价法只能从整体上判断生存空间被侵入的程度，穿透式评价法能定量分析生存空间受入侵程度，但不能反映顶部的变形情况，基于截断数字模型各PH的上部结构强度评价方法能定量分析上部结构的变形量，且能依据结构强度变形指数给出星级等级评价，更便于了解车辆上部结构强度，值得推广使用。

5 结束语

为了更好地满足即将的GB 17578对客车上部结构强度的要求，国内各大客车企业早已加强了对客车上部结构强度的研究力度。尽管现在还有较多尚未解决的问题，但是随着各类侧翻试验与仿真的广泛开展，相关法规标准的健全和完善，以及相关技术水平的提升，客车侧翻导致的乘员伤亡率必将显著降低，国内客车被动安全性也定会显著提升。

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