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隨著社會發(fā)展，國家對客車的被動安全性要求在逐年提高。GB7258-2012《機動車運行安全技術(shù)條件》GB13094-2007《客車結(jié)構(gòu)安全要求》和GB17578-1998《客車上部結(jié)構(gòu)強度的規(guī)定》的修訂版提高了對整車結(jié)構(gòu)強度的要求，尤其針對專用校車的安全性更是如此。汽車在高速行駛過程中撞擊路沿、護欄或急速打方向盤都很容易出現(xiàn)翻車事故，而車輛騰空之后首撞擊路而的是A柱上方。如果頂部抗壓強度不夠，會造成車頂塌陷擠壓乘員艙，引起乘員傷亡。為了保證翻車事故中的乘員安全，對頂部安全強度的研究意義重大。本文結(jié)合GB24407-2012《專用校車安全技術(shù)條件》和G818986-2003《輕型客車結(jié)構(gòu)安全要求》，對某專用校車進行頂部結(jié)構(gòu)強度仿真CAE分析，檢驗其頂部在翻滾事故時對乘員的保護作用。
在建立幾何模型及有限元模型時，主要進行了以下簡化措施：
1)略去車身骨架蒙皮；略去一些非承載件，如擋風(fēng)窗玻璃、車門、座椅等，但仍保留這些結(jié)構(gòu)件的重力作用。
2)模型中不考慮發(fā)動機組、燃油箱、空調(diào)機組等，只簡化為集中載荷添加到模型中對應(yīng)位置。
3)對車頂及側(cè)圍部分的一些曲率較小的構(gòu)件近似看作直梁來處理。
4)整個客車骨架結(jié)構(gòu)存在大量的縱橫梁交叉連接處，對于這些接頭位置的焊接連接，采用合并節(jié)點的形式進行模擬。
5)不考慮焊接處材料特性的變化，認(rèn)為焊縫處材料屬性與母材屬性相同。運用三維建模軟件UG建立起該校車車身結(jié)構(gòu)各部分骨架的幾何模型，最終裝配成整車模型。在Abaqus中對已建立好的幾何模型進行網(wǎng)格劃分，得到校車有限元模型如圖所示。本文車身骨架材料采用Q235，底盤縱橫梁材料采用DL510，其參數(shù)如表所示。
根據(jù)國標(biāo)中對實驗條件的規(guī)定，頂部靜壓虛擬實驗的約束不允許增加車身結(jié)構(gòu)的剛度。因此，可參照計算結(jié)構(gòu)彎曲剛度的方法，選用以下幾種支撐方式：支撐車身的前后兩端；支撐前軸中心和后軸中心；用與懸架方式相同的方法支撐。
本文計算選擇的是第二種方式，在左右車架縱梁后軸中心處分別約束平動自由度UX，UY，UZ，在左右車架縱梁前軸中心處相應(yīng)約束平動自由度UY，UZ與UZ。
車頂加載質(zhì)量為該專用校車整備質(zhì)量的1.5倍，即為7000kg。經(jīng)測量車頂輪廓寬2056mm、長4710mm，車頂面積9683760mm2，施加于頂部單位面積上的力為產(chǎn)7000x9.8為683760=7.24MPa，結(jié)合規(guī)范對校車頂部結(jié)構(gòu)強度有以下要求：試驗中和試驗后，每一坐墊上方應(yīng)有不小于900m的凈高度，最大變形率不能大于3%，并各工況下最大應(yīng)力應(yīng)小于材料許用強度。
該校車頂部強度工況計算結(jié)果見圖。頂部工況最大應(yīng)力為110MPa，小于材料許用強度235Mpa。
按照試驗規(guī)范中規(guī)定，在客車有限元模型縱向?qū)ΨQ而上，沿車長方向每隔約1處，選取車頂及地板上相應(yīng)的節(jié)點為高度位置上的測量點。在車內(nèi)兩側(cè)壁上，車長方向每隔約1處，選取地板至車頂4石處車身左右側(cè)圍上的節(jié)點為寬度位置上的測量點(坐標(biāo)系以整車縱向為X軸，沿車寬方向為Y軸，沿車高方向為Z軸)。以此來計算車身內(nèi)高與內(nèi)寬加載前后變形量的絕對值。車身內(nèi)高與內(nèi)寬變形量的計算示意圖如圖所示。
設(shè)Zi，Zz分別為加載前后地板、頂蓋上相應(yīng)測量節(jié)點之間Z方向的距離，內(nèi)高變形量的絕對值可通過下式計算。
車廂高度1910mm，車座后背高度750mm，座椅到車頂高度為1160mm，而內(nèi)高最大變形量為45.3mm。在模擬的試驗工況下，車頂結(jié)構(gòu)變形后，座椅到車頂高度為1114.7mm，大于900mm，綜上分析，上部結(jié)構(gòu)強度滿足要求。
本文通過對校車上部強度進行有限元分析計算，得到以下結(jié)論：
頂部工況最大應(yīng)力為110MPa，小于許用強度235Mpa。
頂部工況內(nèi)高最大變形率2.36%、內(nèi)寬最大變形率1.25%，均小于3%。試驗過程中，坐墊上方凈高度大于900mm上部結(jié)構(gòu)強度滿足要求。
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