野外作业汽车车身的安全性结构分析

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doi：10.3969/j.issn.1673-159X.2013.02.013The Safety Design of Body in Field Operationed VehiclesXIAO Fang，WU Tao，ZHAO Wen-jie，LI Xiao-feng(School of Transportation and Automotive Engineering，Xihua University，Chengdu 610039 China)Abstract：The rol cage consists of antirol circle，pilar，beams，slant supports，deputy steel tube，reinforcement plate and a earetc.The 3D model is established by software CATIA and the finite element model is finished by software ANSYS. The numerical simu1a。

tion on the top of the rol cage under vertical load in 9 tons and on the left side of the rol cage under the load in 5 tons in the angle 0f 45degree，are completed by using ANSYS.The results show that the t0p slant steel braces，the strengthen beam and the back slant supp0rtscan improve security of the rol cage structure。

Key words：field operationed；body；roll cage；security；finite element我国石油开采勘探、电力等行业有大量从事野外作业的车辆，因日常工作需要，常年行驶在崎岖山道。

车辆承载工作人员、设备等，负重较大，再加上任务繁重，出勤率高，且汽车使用环境非常恶劣，驾驶员操作容易产生疲劳；因此，车辆跌落、翻滚、侧翻等意外时有发生。然而，原有车身-般为空间薄壁结构，在翻滚过程中对车内司乘人员保护作用有限，严重危及野外工作人员的人身财产安全。据统计，2002年美国耿生约1 10万起各种类型的交通事故，虽然翻滚事故只占其中的3%，但是发生翻滚事故时约有33%会造成人员死亡，约 1万人死于翻滚事故。

因此，本文对某型号皮卡进行加装防滚架设计及分析，目的在于采取防护措施，降低意外损失，减少人员伤亡，并且探讨几种结构加强方式对结构整体安全性的影响。本文采用CATIA软件设计防滚架，并采用 ANSYS静力学分析手段对其进行仿真分析。

1 防滚架简介车辆防滚架是-种可拆卸的钢管组合件。它使用冷拔无缝钢管弯制焊接而成，在车辆发生翻滚时，防滚架可以旧能地保护车内空间不被挤压，减小车身对车内空间的侵入量，保证驾乘人员的生命空间，收稿日期：2012-04.16基金项目：西华大学《乘用车防滚架结构设计及其安全仿真分析》项目(12203033)。

作者简介：肖 方(1989-)，男，在读本科生(保送研究生)，主要研究方向为汽车车身设计技术。

通信作者：吴 涛(1969-)，男，副教授，硕士，主要研究方向为汽车车身设计技术和专用汽车技术。

第 2期 肖方，等：野外作业汽车车身的安全性结构分析 55从而为车内乘员提供安全保障。除此之外，防滚架还可以起到增强车身强度和抗扭曲度的作用，从而对车体起到保护作用。

防滚架按安装方法分主要有两种形式：外置式防滚架和内置式防滚架。外置式防滚架是把防滚架安装在车身外，防滚架主体与车身框架的主要构件相连接，对车辆形成-个包裹式的防卫。内置式防滚架是在驾驶室内部安装，形成了-个内部的防护框架结构。这种防滚架从内部和车身框架的主要构件相连。

内置式防滚架是目前常用的保护装置，保护性能较好且不影响原车的外观造型。本文主要讨论内置防滚架结构的设计及其仿真分析。

2 防滚架的组成防滚架 由防滚圈、立柱、横梁、纵梁、斜撑、副钢管、加固板以及支耳等组件构成，如图1所示。

1-加固板；2-前立柱；3-前横梁；4-防滚圈横梁；5-顶部加强横梁 ；6-顶部斜撑；7-纵梁；8-副钢管；9-后环斜撑；10-支耳；11-后圈加强横梁；12-防滚圈立柱。

图1 防滚架的组成3 有限元模型建立方法防滚架的设计采用的材料是4130合金钢，对应国产牌号为30CrMo，抗拉强度 I>930 MPa，屈服强度 or I>785 MPa，并且采用的是 64o×3.0的圆形管材以及 40 X40×3.0的方形管材。

利用 自由网格划分方式对防滚架模型划分网格，最终模型包含274个梁单元，建立的有限元模型如图2所示。

图 2 防滚架有限兀模型4 静力学分析技术路线本次静力学仿真分析用于模拟防滚架在静载下的应力和应变情况，考虑原车车身被完全破坏而由加装的防滚架承受加载力，并就以下的情况进行对比验证 。

1)防滚架顶部承受垂直负载9 t时的情况；2)在汽车行进方向左侧防滚架顶部纵梁承受承45。负载在 5 t时的情况；3)改变防滚架结构分别进行以上两种分析仿真(均为9 t负载)。

5 有限元静态承载仿真分析在进行静力学分析之前，约束模型底部6个支脚所有6个自由度，然后再根据不同情况的需要设置受力大孝方向、作用点等。

5.1 防滚架顶部承受垂直负载9 t利用 ANSYS软件对结构顶部的所有节点施加均布载荷，使节点数与每个节点的受力值之积为所需加载的总负载值，以模拟顶部承受垂直负载情况。

在承受9 t(即90000 N)重量下，相当于防滚架承受了5.92倍整车装备质量。静力学仿真分析应力和应变云图如图3、图4所示。

强度失效可分为由屈服起主导作用的失效(yielddominant failure)和断裂起主导作用的失效(fracturedominant failure)。由仿真结果图2、图3可知，防滚架56 西华大学学报 ·自然科学版 2013年图3 顶部承受垂直负载9 t时的应力云图 (最大应力值：611 MPa) 图5 45。负载5 t时应力云图(最大应力值：713 MPa)图4 顶部承受垂直负载9 t时的应变五图 (最大应变值：17.417 mm)在顶部承受垂直负载9 t时，引起的最大应力为611MPa，未超过 4130钢的屈服强度；因此并未导致强度失效。据此可以得到在此情况下该防滚架的安全系数达到 1.28。此时，产生的最大应变为 17.417111，发生部位位于防滚架顶部斜撑中间。由于乘客头部距离防滚架顶部斜撑在 50 mm以上，因此该应变不足以使防滚架与乘员头部发生触碰，可以保证该情况下车内司乘人员的安全。

5.2 在汽车行进方向左侧防滚架顶部纵梁承受承45。的负载 5 t利用 ANSYS软件对结构行进方向左侧上部纵梁的所有节点施加均布载荷，使节点数与每个节点的受力值之积为所需加载的总负载值，以模拟汽车行进方向左侧防滚架顶部纵梁承受承45∏负载的情况。

在承受5 t(即50 000 N)重量下，相当于防滚架承受了3.29倍整车装备质量。静力学仿真分析应力和应变云图如图5、图6所示。

图6 45。负载 5 t时应变云图(最大应变值：29.679 mm)由仿真结果图4、图5可知，在汽车行进方向左侧防滚架顶部纵梁承受承45。的负载 5 t时，引起的最大应力为 713 MPa，未超过 4130钢的屈服强度；因此并未导致强度失效，据此可以得到在此情况下该防滚架的安全系数达到 1.1。此时，产生的最大应变为29.679 mm，发生部位位于防滚架左侧前立柱顶部。由于乘客头肩部距离防滚架左侧前立柱顶部距离在 100 mm以上，因此该应变不足以使防滚架与乘员头肩部发生触碰，可以保证该情况下车内司乘人员的安全。

5.3 结构简化前后仿真对比(9 t负载)以下为改变防滚架结构，分别去掉顶部斜撑和加强横梁、后环斜撑时在承受垂直载荷9 t及45。载荷9 t时的仿真情况，以此判断去掉的结构是否为必要加强结构件。

5.3.1 去掉防滚架顶部斜撑和加强横梁后的仿真结果仿真结果如图7、图8所示，最大应变为20.437第2期 肖方，等：野外作业汽车车身的安全性结构分析 57mm，最大应力为 690 MPa。

图7 顶部承受垂直负载 9 t时的应力云图 (最大应力值 ：690 MPa)图8 顶部承受垂直负载9 t时的应变云图 (最大应变值：20.437 mm)仿真结果如图9、图10所示，最大应变为84.33mm，最大应力为 1 780 MPa。

图9 45∏的负载9 t时应力云图(最大应力值 ：1 780 MPa)图1O 45∏的负载 9 t时应变云图(最大应变值：84.33 mm)综上所述，去掉防滚架顶部斜撑和加强横梁前后的防滚架结构应力应变见表 1。

表 1 去掉防滚架顶部斜撑和加强横梁前后的防滚架结构应力应变值由表 1可知，在去掉防滚架顶部斜撑和加强横梁后，承载垂直载荷 9 t时，最大应变值变为原结构的 1.17倍 ，最大应力值变为原结构的 1.13倍；承载45。载荷 9 t时，最大应变值变为原结构的 1.56倍，最大应力值变为原结构的1.73倍。因此，为提高结构安全性，防滚架顶部斜撑和加强横梁是必要结构，尤其在承受较大压力时，导致结构产生大变形，甚至强度失效的情况下，更需要进行相关结构加强。

5.3.2 去掉防滚架后环斜撑的仿真结果仿真结果如图 11、图 12所示，最大应变为19.962 mm，最大应力为674 MPa。

仿真结果如 图 13、图 14所示，最 大应 变为157.973 mm，最大应力为2 080 MPa。

综上所述，对比未去掉防滚架后环斜撑的防滚架结构，可得到表2。

58 西华大学学报 ·自然科学版 20l3年图11 顶部承受垂直负载9 t时的应力云图(最大应力值：674 MPa) 图13 45∏的负载9 t时的应力云图(最大应力值：2080 MPa)图12 顶部承受垂直负载9 t时的应变云图(最大应变值：19.962 mm) 图14 45∏的负载9 t时的应变云图 (最大应变值：157.973 mm)表2 去掉防滚架后环斜撑的防滚架结构前后的应力应变值表由仿真结果可知，在去掉防滚架后环斜撑后，承载垂直载荷9 t时，最大应变值为原结构的 1.15倍，最大应力值为原结构的 1.10倍；承载45。载荷9t时，最大应变值为原结构的2.92倍，最大应力值为原结构的2.02倍。因此，为提高结构安全性，防滚架后环斜撑是必要结构，尤其在承受较大压力时，导致结构产生大变形甚至强度失效的情况下，更需要进行相关结构加强。

6 结论与展望通过以上仿真分析可以得到以下结论：1)该防滚架结构在理论上，顶部可以承受垂直负载 9 t，即90 kN，而不超过其材料(30CrMo)的屈服强度，并且产生的形变量不足以影响乘员安全。

2)汽车行进方向左侧防滚架顶部纵梁在理论上可以承受承45。的负载5 t，即，50 kN，而不超过其材料(30CrMo)的屈服强度，并且产生的形变量不足以影响乘员安全。

3)为提高结构安全性，防滚架顶部斜撑、加强横梁以及后环斜撑都是必要结构，尤其在承受较大压力时，导致结构产生大变形甚至强度失效的情况下，更需要对以上相关结构进行加强。

本文研究汽车防滚架的静态承载情况采用的方法是把防滚架从整车中独立出来，单独进行分第2期 肖方，等：野外作业汽车车身的安全性结构分析 59析；但是这样的计算结果还不能真实反映实际意外情况，因此在今后的研究中有必要进行整车的翻滚碰撞模拟分析。但是整车的翻滚碰撞模拟仿真属高度非线性课题，分析难度和研究投入都较大，同时在假人模拟、气囊模拟、防滚架设计标准等许多方面还有很多研究工作需要开展，这是我们今后努力研究的方向。