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道路交通事故中，車輛翻滾事故的死亡率較高。在美國，約40%的致命交通事故與車輛側滾翻有關。滾翻時，車輛頂部承受地而的強烈沖擊載荷作用，使客車頂部發(fā)生嚴重變形和壓潰，侵入乘員生存空間，對乘員的生命安全造成嚴重威脅團。研究表明，車頂強度不足是導致乘員受傷的直接原因。目前，國內外針對大客車、轎車進行了較全面的CAE分析研究，并取得了一定成果。2012年5月1日，兩項國家標準強制性實施，國內根據(jù)此標準針對中型校車頂部強度安全的研究尚未見到報道。
本文以某中型校車為研究對象，參照標準，利用有限元分析法分析車頂結構的變形、接觸力的變化，得到車頂載荷的主要承載結構，并對關鍵的結構進行改進，為校車頂部改進設計提供參考。
整車CAD模型是由大量的復雜曲而組成，結合有限元分析計算的需求，需對整車幾何模型進行合理的簡化，具體包括非承載部件；較小倒圓、倒棱、圓角等工藝結構；各處的螺栓及螺栓孔；車身中非重要結構，如轉向系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、玻璃和各種內飾件等。
這樣可省去大量的建模時間，而且在對模型后續(xù)處理中會更加高效與方便，使得求解的時間銳減，并且不會影響計算結果的精度。
車輛滾翻是一個復雜過程，是大轉動、大應變、大位秘的幾何非線性特征過程，以材料彈塑性變形為特征的材料線性過程，以接觸摩擦為特征的邊界非線性特征過程，所以模型變形構件采用各向同性的彈塑性材料MAT 3f模型。通過在RADIOSSS求解器中的材料屬性卡對模理中的鋼材、合金鋼和非金屬材料進行設置，各材料屬性如表所示。
整車結構中包含了如發(fā)動機、油箱、蓄電池等大質量密度的非結構部件，由于在車翻滾中變形很小，所以設定為剛性體。整車模型由幾大部件組裝而成，其中可變形部件之間采用點焊連接，Constained Rigid Body選項用來定義剛性件與可變形件之間的連接，Rigid Body選項用來定義剛性件之間的連接。整車模型各組件如圖所示。
結合輕型客車頂部碰撞的特點，將整車網(wǎng)格密度分為上、中和下三個不同區(qū)域：上部碰撞區(qū)域，網(wǎng)格密度高，網(wǎng)格長為10mm；中部次變形區(qū)域，網(wǎng)格密度較高，網(wǎng)格邊長為15mm；下部非碰撞區(qū)，網(wǎng)格邊長為20mm。整車網(wǎng)格模型共包含422 972個殼單元。這樣，既保證了計算精度，又降低了計算機仿真時間。最終生成的整車模型如圖所示。
車身頂部承壓能力與車輛在發(fā)生滾翻時頂部結構的變形密切相關。在試驗中，車身置于地而上，為消除懸架及輪胎等結構變形對實驗結果的影響，將車架牢固固定在剛性面上。在頂部結構上的壓力板在垂直方向緩慢地勻速向下移動對車頂施加載荷，如圖所示。當載荷達到整車裝備質量的1.5倍時，并保持不少于5s直至變形穩(wěn)定時試驗。
在仿真中車身結構整體保證完整，車頂變形成規(guī)律分布，首先從最高處開始變形，使得頂部橫梁與側窗立柱發(fā)生壓縮變形，隨后橫梁發(fā)生彎曲變形，直至變形趨于穩(wěn)定，壓力板與頂部完全接觸，如圖所示。
壓力板與車身頂部的接觸力如圖所示。當仿真進行到122ms時車身結構承受的載荷為41 895 N，是文獻中要求的1.5倍整車裝備質量載荷，此時頂部最大變形為65.2 mm，并且在151ms時達到111 569 N，符合標準中關于承載能力的要求。
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