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客运公交的乘客安全评估

*土木与环境工程系，FAMU-FSU工程学院，Pottsamer街2525号，佛罗里达州塔拉哈西32310 - 6046，美国。

*土木工程，华沙工业大学，AL.Armii Ludowej公寓16，00-637 华沙，波兰。

摘要-在这篇文章中描述了客运公交的全面耐撞性和乘客安全评估程序。这项评估的方案得到了佛罗里达运输部过境处的支持和执行。该程序作为等效评估工具，允许使用实验，全尺寸测试或计算力学方法。一个及格的标准是基于为乘客保留的剩余空间。非线性有限元方法和LS-DYNA显式有限元代码作为有效的数值方法，可以用于一个选定的客运公交的耐撞性评估。根据一些实验室测试，超过530000个元素的有限元模型已经被开发和部分验证了。验证的有限元模型随后用于研究汽车的动态响应。虽然该模型表现出令人满意的性能，满足各项欧洲标准,几个较弱的连接已经被找出之后在汽车制造时改进了。

关键词：客运公交，耐撞性，安全性，倾翻，LS-DYNA。

简介

自1990年“美国残疾人法案”（ADA，[1]）引入以来，生产的公共汽车（最大客运量为22辆的小型客车）的生产大幅增加。 ADA要求，副驾驶巴士可以补充定期的公共汽车路线，并可以通过使用升降机来运送至少两名残疾乘客的轮椅，以帮助残疾乘客的装卸。除了与典型公共汽车相比，其较小的乘客能力和不同的功能，副驾驶客车的结构和施工方法也各不相同。与大型公共汽车的整体结构不同，副驾驶公共汽车在两个不同阶段建成。首先，底盘和驾驶室由美国的主要汽车制造商生产，最常见的是福特或通用汽车。在第二阶段，较小的公司（称为身体建造者）构建并附加一个完整的客舱（包括所有必要的内部设备）到底盘。乘用车和校车的生产严格按照“联邦机动车辆安全标准和规定”[2]的规定，但没有特殊的碰撞安全标准。因此，不同制造商制造的公交车的碰撞行为可能会有很大差异。对于主要涉及身体建造者乘客舱而不是底盘的翻车事故尤其如此。

车辆 - 车辆对车辆或车辆对障碍物的不利影响 - 对车辆乘客的加速度相对较低。检查翻转的先前研究表明，对乘员身体施加的加速度峰值达到约10g [3]。从生物力学的角度来看，人体应该能够承受由该加速度引起的载荷，而不会造成严重伤害。然而，虽然这些事故可能超标，但是在所有类型的事故中，公共汽车翻车事故死亡率最高[4]。翻车伤害机制与其他类型事故造成的伤害机制完全不同。研究人员一致认为，最严重的伤害是由于部分或全部乘客从公共汽车出来，其后果[3,5]。在公共汽车上使用至少两点约束系统的强制性要求可能会阻止喷射，以及公共汽车内乘客的无限制运动，这也会在翻车期间造成伤害。其他与翻车有关的伤害是由公共汽车车身过度扭曲造成的。变形部件可能产生高接触力，在极端情况下会对乘员身体造成机械损伤。可以通过最小化总线结构侵入所谓的剩余空间来减少这种损伤的可能性。 UNECE条例66（R66）[6]将剩余空间定义为乘客保留的空间驾驶室在翻车事故的情况下。在事故期间，残余空间被保留的情况下，长途汽车的死亡和严重伤害率分别下降了13和4个因素[7]。

佛罗里达交通部（FDOT）每年大约购买三百辆公交车。其维护和事故记录表明，由于公共汽车施工中使用的不同施工技术和配置，副交通客车的结构强度不可预知和分散。即使由同一制造商生产的公交车也可以根据本地巴士经营者所要求的修改而有所不同。由于全面翻转测试的成本很高，这种修改很少被测试。计算力学和模型基础有限元模拟可用于以显着降低的成本评估不同的总线配置。

在本文中，Livermore Software Technology Corporation（LSTC）[8,9]开发的LS-DYNA显式有限元代码用于研究经过模拟R66标准翻转测试的副传输总线的行为。 Paratransit总线的有限元模型是使用MSC Patran预处理器开发的。结果使用Altair HyperView和LSTC LS-PrePost进行后处理[10]。所有主要结构元件的材料性质均来自实验室测试。 FE模型通过准静态连接拉力试验，侧壁试验的冲击锤和重心调节来验证。

有限元素模型开发

与制造过程类似，FE模型开发分为两个不同阶段。 在第一个开发步骤中，从乔治华盛顿大学国家崩溃分析中心（NCAC）开发的福特Econoline Van的预先存在的公有领域FE模型中提取了剖面底盘的有限元模型[12]。 LS-PrePost用于删除冗余的Econoline Van零件和关键字定义。 在下一步中，将各种几何修改应用于FE网格，以将底盘从厢式车（E-150当量）转换为用于测试总线的重型E- 450规格。 其中以下主要变化如下：

o扩展现有的轴距，以符合佛罗里达州公共汽车使用的158“长轴距，o向后桥添加一对额外的车轮，

o后悬挂式新型弹簧，o驱动轴的延伸，

o增加框架轨道厚度。

如图1所示，公共汽车底盘的新型号通过对已发布规格的型号质量及其CG位置的检查进行了验证。 NCAC FE模型，如Econoline Van模型，经常通过满量程正面影响的实验结果验证，持续长达1秒。 当它们用于超过3秒的模拟时，这些模型需要进行一些修改。从初始模型中删除了几何问题，如交叉边缘和多个初

始穿透。即使在施加外部负载之前，它们也引起了高水平的应力。在有限元模型开发的第二阶段，由公共汽车制造商提供的AutoCAD图形创建了单独总线主体壁（侧壁，后壁，屋顶和地板）的三维几何和有限元模型。该任务使用MSC Patran预处理器执行。总线车身部件与底盘型号的组装以及进一步的有限元建模使用LS-PrePost进行。所有包含shell元素的部件之间的联系通过AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE联系人定义[9]应用。焊接连接使用相邻节点之间的刚性（SPOTWELD）链接或合并节点进行建模。约束节点刚体（CNRB）也用于连接一些部分。据了解，长时间运行的CNRB仅适用于LS-DYNA的双精度版本。皮肤和框架之间的粘合剂连接的建模可以通过刚性连接或连接类型的接触来模拟。像CNRB一样，后一种方法仅在使用双精度版本的LS-DYNA时才稳定。尽管结合接触反映了粘合部件之间的精确复杂的相互作用比点焊，但它仍然导致接触定义中包含的角部元素的数值问题。在当前的模型中，使用离散点焊作为更稳定的连接方法。

完整的总线模型由537,759个一级壳单元，8个一维，15,676个三维和83个质量元素组成。 FE模型的详细模型概述，底盘和总线主体的故障情况如表1所示。副载波母线的有限元模型如图7所示。总线主体的元件边缘尺寸保持约20 mm 。作为这种啮合策略的结果，用于钢笼的最重要的结构部分 - 矩形管由每个横截面由8个壳单元表示。 Belytschko和Tsay元素公式被用于所有耐碰撞模拟[12]。虽然效率非常高，但是对于更长的模拟，运行是不稳定的，并且它们引入了高水平的假沙漏能量。因此，使用完全集成的壳单元公式16 [9]代替用壳建模的所有可变形部分。这个元素代表了精度和计算效率之间的最佳权衡[13]。通过壳体厚度的五个积分点被分配给总线主体中的所有元件，以更好地反映塑性变形。预先存在的NCAC值（最常见的是：3）在机箱型号的剖面中保持不变。

公交车的实际结构由几种材料构成：轻度盗窃（所有结构部件），胶合板（地板），铝（门框），玻璃纤维（前盖）和复合外壳皮肤，其使用非常薄膜由粘合剂粘合到薄胶合板上。结构件包括在乘客笼，框架轨道，悬架部件，门和大部分前驾驶室结构中。对于大多数公交车材料，包括偷盗，LS-DYNA材料模型PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY被利用[9]。它是一种具有应变率依赖性和材料失效的简单可塑性模型。除了其优点之外，该模型不包括冷加工硬化，并且应力 - 应变曲线假设对于拉伸和压缩都是相同的。通过元素侵蚀（删除）的FE碰撞模拟通常表示材料的失效。大多数材料使用极限塑性应变规定了破坏准则。对于公共汽车车体中使用的钢，对0.2的故障应变进行了研究和实现[14]，但在原型NCAC部件（底盘）中没有定义故障。发现简单的元素缺失是表示在张力下达到破坏应变的元素断裂的相当好的方法。然而，对于在压缩中达到故障应变的要素，该解决方案并不总是最好的。一个失败的元素可能是整个结构的不切实际崩溃的触发因素，随着每个随后删除的元素变得更柔软和更弱。实际上，压缩多层结构不能以这种方式失败。即使达到故障应变，材料也停留在原处。另一方面，没有元素缺失，内部能量可以达到过高的水平，连续增加的有效应变超过模型的加强。因此应监测具有明显变形的部件的行为，并对材料特性进行适当的调整以平衡这两种效应。

由于在碰撞冲击期间发生的快速变形，塑性区域产生了高应变率。使用Cowper和Symonds（CS）模型将钢的应变速率依赖性结合到FE总线模型中，该模型根据变化的应变速率来缩放屈服应力.CS参数基于标准结构钢的经验公式[15]。研究了两种不同的复合外皮造型方法。首先，对仅基于层压理论的材料模型进行了检验。它利用用户定义的集成规则的材料模型MAT_LAYERED_LINEAR_PLASTICITY。第二种方法更简单，因为它是基于模型中元素数量的增加。使用两个重叠的层与不同的材料属性和合并节点。最后，第二种方法用于实际模型。大多数材料特征是基于实验室测试建立的[16]。在所有其他情况下使用MatWeb [18]数据，其中没有实验室测试结果。

材料试验和模型验证

[17]提出了一种全面的公共汽车碰撞试验方案。引入了两个等效的批准方法：实验和数值。两种方法的主要目标是评估公交车在侧翻和侧面碰撞试验中的防撞性能。如果选择数字批准方法，则必须包括基于几个实验室测试的详细验证程序。在这个过程中确定了三个不同复杂程度的测试对象。通过在层次结构的每个层级执行测试，可以实现FE模型的完整验证。较低级别的验证应在较高级验证之前执行，以避免将错误传播到较高级别[19]。有助于总线强度的元素（即结构钢，皮肤的独立层，地板胶合板等）的材料特性被认为是第一个验证水平。此处获得的材料属性用作FE材料模型的输入数据。

为第二个验证级别开发了几种总线连接测试。 它们包括：侧壁面板，屋顶到墙壁和墙对地连接（见图2）。 所有结构构件以及多层内外皮肤都包含在测试的连接中。 侧壁面板的冲击锤试验是在侧面碰撞事故中遇到的冲击条件的坚固而简单的表示。 连接的准静态弯曲试验提供力矩和旋转角度之间的电阻函数，图3.阻力函数曲线下的面积表示冲击期间消耗的内部能量。

评估过程的顶层用于验证总线作为整体结构。这里提出了两个测试：总质量和重心（CG）验证，全车全面翻转测试。 FE模型中质量和CG位置的分布影响其在冲击模拟过程中的行为。它在翻车测试期间确定总线的不稳定位置，从而直接影响总线吸收的动能。因此，CG的确定应尽可能准确。全面的翻转测试完成了FE模型的验证过程。公共汽车结构及其碰撞性与实际的公共汽车有关。没有明确定义可以免除新批准程序的轻微结构修改的条件。然而，如果总线制造商选择验证的计算力学方法，则只需要一个总线的一个批准过程。如果稍后引入总线结构的不必要的变化，可以很容易地将其并入现有的有限元模型。只能针对一个代表性案件进行更昂贵的全面验证。

在高级车辆系统中心（CAVS）进行结构钢，外部皮肤层和地板胶合板的材料性能表征，然后实施到有限元模型输入层[16]。

连接测试在佛罗里达交通部（FDOT）结构实验室进行。 他们通过初始假设的FE模型的响应和测试的力矩与旋转角度特性之间的差异揭示了几个设计缺陷。 真实总线中的实际焊缝和铆钉使得FE建模困难，并涉及模型在测试参数边界内的迭代校正。 这项研究发现，这些关系的设计解决方案很差[16]。 向制造商提出设计修改，并纳入新的公交车。 FE连接模型被修改以匹配实验电阻函数（图3），并且随后被包括在总线模型中。

CG试验由CIAL和FDOT在佛罗里达州塔拉哈西的Metro Star工厂进行。该方法基于使用便携式液压升降机提升总线的前轴，并测量后轴上的重量变化（见图4和表2）。该测试是在一辆无载巴士上进行的。然后通过增加一些公共汽车部件的质量来校正FE模型中的不匹配。总乘员人数的不同百分比有助于动能，取决于公共汽车使用哪种约束系统（RS）[20]。相当于搭乘公共汽车使用的3点RS的乘客总质量的90％。在2点RS的情况下为70％，而在无限制乘客的情况下，分别为20％。如果公交车座椅配有安全带，每个座椅的质量应该增加到每个座椅68kg，按照R66 [6]。由于测试的FDOT总线需要安装安全带，公交车的质量已经增加了13名乘客，造成总体质量等于5.55吨（4,666 13times;68）。 CG调整是唯一的全面验证测试：由于全面测试的高成本，FE总线模型仅通过本文中描述的几个实验室测试部分验证。

滚动模拟

通过R66翻车测试确定了翻车事故中的公共汽车上层建筑的实力

[6]采用FDOT认证标准[16]。 它规定车辆倾斜

表首先准静态旋转到其一侧。 当重心达到关键时

点，重力会使公共汽车自由脱落到沟渠上。 沟槽的混凝土地板放置在倾斜台水平位置800毫米处。 R66的测试设置如图5所示

当定义好的生存（剩余）空间保持不妥协时，公共汽车被认为通过了测试

在变形过程中（参见图6的剩余空间定义，[6]）。

数值分析从最高不稳定点开始，当CG跨越从旋转点画出的垂直线时，这引起了重力下的公共汽车自由下落。通过初步模拟确定开始的角度。据估计，对于被测试的总线，该角度约为55度。规则R66 [6]允许在公共汽车接触地面时，在适

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