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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(cè)滾翻有關(guān)。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(nèi)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(nèi)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(jié)構(gòu)的變形、接觸力的變化，得到車頂載荷的主要承載結(jié)構(gòu)，并對關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)進行改進，為校車頂部改進設(shè)計提供參考。
整車CAD模型是由大量的復雜曲而組成，結(jié)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(jié)構(gòu)；各處的螺栓及螺栓孔；車身中非重要結(jié)構(gòu)，如轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、玻璃和各種內(nèi)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(jié)果的精度。
車輛滾翻是一個復雜過程，是大轉(zhuǎn)動、大應(yīng)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(gòu)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(shè)置，各材料屬性如表所示。
整車結(jié)構(gòu)中包含了如發(fā)動機、油箱、蓄電池等大質(zhì)量密度的非結(jié)構(gòu)部件，由于在車翻滾中變形很小，所以設(shè)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(jié)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(jié)構(gòu)的變形密切相關(guān)。在試驗中，車身置于地而上，為消除懸架及輪胎等結(jié)構(gòu)變形對實驗結(jié)果的影響，將車架牢固固定在剛性面上。在頂部結(jié)構(gòu)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(zhì)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(jié)構(gòu)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(cè)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(jié)構(gòu)承受的載荷為41 895 N，是文獻中要求的1.5倍整車裝備質(zhì)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(guān)于承載能力的要求。
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