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客运公交的乘客安全评估
C Bojanowski*, J Siervogel*, L Kwasniewski**, J Wekezer*
* FAMU-FSU工程学院土木与环境工程系，2525 Pottsdamer Street，塔拉哈西，佛罗里达州32310-6046，美国。
*华沙理工大学土木工程系，Al. Armii Ludowej 16，00-637华沙，波兰
摘要 –本文介绍了一个用于客运公交的耐撞性和安全评估的综合程序。佛罗里达交通部过境办公室支持并实施了这一评估计划。该程序允许使用实验性的全面测试或计算力学方法作为等效的评估工具。通过 - 失败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显式有限元程序被人们认为是有效的用于选定的辅助客车总线的耐撞性能评估的数字工具。一个拥有超过53万个元素的有限元模型被开发出来并通过几个实验室测试进行了部分验证。经验证的有限元模型随后用于研究公交车的动态响应。尽管该模型在欧洲标准中表现出令人满意的巴士性能，但几个较弱的连接被发现并随后由巴士制造商改进。
关键词：客运公交，耐撞性，安全性，翻车，LS-DYNA。
引言
自1990年颁布“美国残疾人法案”（ADA，[1]）以来，客运公交（最大客车容量为22辆的小型客车）的生产大幅增加。 ADA要求客运公交补充定期的公交路线，并能够通过使用电梯运送至少两名乘坐轮椅残疾乘客以协助装卸残疾乘客。与典型的公共汽车相比，除了较小的乘客容量和不同的功能之外，客运公交的结构和施工方法也各不相同。与大型公共汽车的单体建筑不同，客运公交建造在两个不同的阶段。首先，底盘和驾驶室由美国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（称为车身制造商）在底盘上构建并连接一个完整的客舱（包括所有必要的内部设备）。轿车和校车生产受到若干联邦机动车辆安全标准和规定的严格指导[2]，而对于客运客车没有具体的碰撞安全标准。因此，不同制造商制造的巴士的碰撞行为可能会有很大差异。对于主要涉及的是乘客舱而不是底盘的翻车事故尤其如此。
不同于车辆与车辆之间或车辆与障碍物之间的碰撞，翻滚会导致车辆乘客相对较低的加速度。先前的研究表明，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级别加速引起的负载而不会造成严重的伤害。然而，虽然它们可能过大，但在所有类型的碰撞中，客车翻车事故的死亡率最高[4]。翻车受伤机制与其他类型事故所造成的机制完全不同。研究人员一致认为，最严重的伤害是由于部分或全部乘客飞出公共汽车以及其造成后果[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以防止喷射以及公共汽车内乘客的无限制移动，二者也会在翻车期间引起伤害。其他与翻车有关的伤害是由车身过度扭曲造成的。变形部件可能会产生很高的接触力，在极端的情况下会对乘员的身体造成机械损伤。通过最小化总线结构侵入所谓的剩余空间，可以减少这种类型的伤害的可能性。欧洲经济委员会第66条（R66）[6]将残余空间定义为在翻车事故情况下在乘客和驾驶室内保留的空间。在事故中保留剩余空间的情况下，客车的死亡和重伤率分别被降低了13和4倍[7]。
佛罗里达州运输部（FDOT）每年购买约300辆客车。其维护记录和事故记录显示，由于巴士施工所采用的施工技术和配置不同，其辅助客车的结构强度是不可预测且分散的。甚至由同一制造商生产的巴士也可以根据当地巴士运营商所要求的修改而彼此不同。由于全面翻转测试的高成本，所以很少对这种修改进行测试。计算机械学和模型基础有限元模拟可用于以显着较低的成本评估不同的总线配置。在本文中，由Livermore Software Technology Corporation（LSTC）[8,9]开发的LS-DYNA显式有限元代码被用于研究经过模拟R66标准翻转测试的副线总线的行为。使用MSC Patran预处理器开发了paratransit总线的有限元模型。结果使用Altair HyperView和LSTC LS-PrePost进行后处理[10]。所有主要结构元素的材料特性均来自实验室测试。有限元模型通过准静态连接拉动测试，侧壁测试冲击锤以及重心调整进行验证。
有限元模型的开发
与制造工艺类似，有限元模型的开发也有两种截然不同的阶段。 在第一个开发步骤中，从预先存在由乔治华盛顿大学国家碰撞分析中心（NCAC）[12]开发的福特Econoline货车的公共领域有限元模型中提取出剖切底盘的有限元模型。 LS-PrePost用来删除多余的部分和关键字定义。 在下一步中，通过各种几何手短对有限元网格进行了修改，以将底盘从货车（E-150当量）转换为测试总线使用的重型E-450规格。 其中，主要有以下几点已经做出了改变：
o现有轴距的扩展符合佛罗里达公交车使用的158英寸长轴距，
o在后桥上增加一对额外的车轮，
o后悬架采用新型弹簧 ，
o驱动轴的延伸，
o增加车架轨道厚度。
如图1所示，总线底盘的新型号通过检查模型质量和CG位置以及公布的规格进行验证。像Econoline货车这样的NCAC有限元模型通常可以通过全面的正面影响的实验结果进行验证，这些影响可持续1秒。这些模型在模拟时间超过3秒时需要进行一些修改。初始模型中删除了几个几何问题，如交叉边和多个初始穿透。即使在施加外部载荷之前，它们也会导致高水平的应力。在有限元模型开发的第二阶段，分离的公交车车身（侧向，后部，车顶和车底）的3D几何和有限元模型由汽车制造商提供AutoCAD绘图从而进行创建。该任务使用MSC Patran预处理器执行。车身组装、底盘模型和进一步的有限元建模则使用LS-PrePost完成。所有包含壳元素的部分间的接触，通过AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE联系人定义[9]。在相邻节点之间使用刚性（SPOTWELD）链接或通过合并节点来模拟焊接连接。受限的节点刚性机构（CNRB）也被用来连接其他一些部分。有人发现，长时间运行受限的节点刚性机构（CNRB）只会在LS-DYNA的双精度版本下具有稳定性。皮肤和框架之间的粘合性连接可以通过刚性连接或带断接触来模拟。像CNRB一样，只有在LS-DYNA的版本是双精度时，后一种方法才是稳定的。相比于点焊，尽管带断联系更精确地反映了胶接部件之间复杂的相互作用，但它仍然导致了在接触定义中角落元素的数值问题。在目前的模型中，离散点焊是更稳定的连接方法。
图1 由NCAC开发修改的福特Econoline货车有限元模型 表1 有限元模型汇总
完整的总线模型由537759个一阶壳单元，8个1维壳单元，15676个三维壳单元和83个质量元素。表1中给出了底盘和客车车身的有限元模型的详细模型汇总，并附有细目。客车的有限元模型如图1所示。总线主体中元件边缘的大小保持约20毫米。最重要的结构部件是用于钢制保持架的矩形管，每个跨越点由8个外壳元件表示，作为这种啮合策略横截面。使用Belytschko和Tsay元素方程对所有耐撞性模拟[12]。虽然此方法效率很高，但在长时间模拟时不稳定，而且引入了高水平的假沙漏能量。因此，将完全一体化的壳元素方程16 [9]作用于所有用壳模拟的可变形零件。这个元素代表了精度和计算效率之间的最佳折中点[13]。五个通过壳体厚度的积分点分配给了车身中的所有元件以更好反映塑性变形。预先存在的NCAC值（通常为3）在底盘的剖面部分保持不变。
客车的实际结构由多种材料构成：轻型钢（所有结构部件），胶合板（地板），铝制（门框），玻璃纤维（前盖）以及复合外部车壳，并通过粘合剂粘合到薄胶合板的薄钢板。乘客笼架、车架导轨、悬架部件、车门以及大部分前驾驶室结构都包含结构部件。对于包括钢在内的大多数公交车材料，利用了LS-DYNA材料模型PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY[9]。这是一个简单的塑性模型，具有应变率依赖性和材料失效。除了这些优点之外，这个模型不包括冷加工硬化，并且假设应力 - 应变曲线对于拉伸和压缩都是相同的。材料失效通常表现为有限元碰撞模拟中的元素侵蚀（删除）。对于大多数材料，我们往往使用极限塑性应变指定了失效准则。对于客车车身中使用的钢，研究并实施了0.2的失效应变[14]，但是在模型的原始NCAC部分没有定义失效机壳。发现一个简单的元素缺陷是代表断裂拉伸应变中元素断裂的合理方法。但是，对于达到压缩应变的元素，这种解决方案并不总是最好的。一个失败的因素可能是一个整体结构不切实际而崩溃的诱因，并会随着每个随后被删除的元素变得越来越软弱。事实上，压缩的多层结构不能以这种方式失败。即使达到失效应变，材料仍保持原位。另一方面，如果没有元素删除，内部能量水平可能会在加强模型的同时不断增加，导致有效应变过高。因此应监测具有明显变形的部件的行为，并适当调整材料特性以平衡这两种效应。
由于撞击期间发生的快速变形，塑性区产生了高应变率。使用Cowper和Symonds（CS）模型将钢的应变速率依赖性纳入到有限元总线模型中，该模型根据变化的应变速率对屈服应力进行缩放。CS参数根据标准结构钢的经验公式计算[15]。研究了两种不同的复合外表面建模方法。首先，只检查了基于分层理论的一种材料模型。它利用了拥有用户定义整合规则的材质模型MAT_LAYERED_LINEAR_PLASTICITY。第二种方法简单得多，因为它基于模型中元素数量的增加。两个重叠图层用于不同的材质属性和合并节点。最后，第二种方法用于实际模型。大部分材料特性是基于实验室测试建立的[16]。在所有其他情况下，MatWeb [18]数据适用于用于实验室测试结果不可用之处。
材料测试和模型验证
在参考文献[17]中提出了一个用于客车耐撞性测试的综合程序。并介绍了两种等效的批准方法：实验和数值。这两种方法的主要目标都是在侧翻和侧面碰撞测试中评估巴士的耐撞性能。如果选择数字批准方法，则必须包含基于几项实验室测试的详细验证程序。在这个过程中确定了三种不同的测试对象复杂度等级。有限元模型的完整验证是通过在层次结构的每个级别执行测试来实现的。应该在较高级别验证之前执行较低级别的验证，以避免错误传播到更高级别[19]。有助于母线强度的元素（即结构钢，单独的蒙皮层，地板胶合板等）的材料特性表征被认为是第一验证水平。此处获得的材料属性会用作有限元材料模型的输入数据。
第二个验证级别开发了几个总线连接测试， 它们包括：侧墙板，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部和外部皮肤都包含在测试的连接中。侧壁面板的冲击锤测试有力而简洁地表线了在侧面碰撞事故期间遇到的冲击条件。连接的准静态弯曲测试提供了力矩和旋转角度之间的阻力函数，见图3。阻力函数曲线下的面积表示冲击期间耗散的内部能量。
评估过程的最高级别用于验证作为整体结构的公交车。这里提出了两个测试：总质量和重心（CG）测试，以及整车的全面翻车测试。有限元模型中质量和中心位置的分布影响其在冲击模拟期间的行为。它确定了在翻车试验中公交车不稳定的位置，从而直接影响到车身吸收的动能。因此，重心的确定应尽可能准确。全面翻转测试完善了有限元模型的验证过程。公交车结构及其耐撞性取决于实际的客车。尚未明确规定轻微结构修改的情况下可以免于新的批准流程。但是，如果公交车制造商选择经过验证的计算力学方法，则只需要一个公交车的批准流程。如果稍后引入对总线结构的非必要更改，则可轻松将其纳入现有有限元模型中。并且，应该只对一个具有代表性的案例进行更昂贵的全面验证。结构钢，外皮层和地板胶合板的材料特性表征在先进车载系统（CAVS）中心进行，然后实施到有限元模型的输入面板[16]。
连接测试在佛罗里达交通部（FDOT）结构实验室进行。他们通过初始假定有限元模型的响应与测试时刻与旋转角度特性之间的差异，揭示了一些设计缺陷。 实际公交车中的焊接和铆钉使得有限元建模变得困难，并且涉及模型在测试参数边界内的迭代修正。该研究揭示了这些连接的糟糕设计解决方案[16]。同时对制造商提出了设计修改，并将其纳入新的公交车中。 FE连接模型需要修改以匹配实验阻力函数（图3），并随后囊括在巴士模型中。
图2 设置墙对地连接测试 图3 实验结果与LS-DYNA模拟结果比较
重心验证测试由位于佛罗里达州塔拉哈西的Metro Star工厂的CIAL和佛罗里达交通部执行。该方法通过使用便携式液压升降机提升公交车的前轴并测量后轴下的重量变化（参见图4和表2）。测试在一辆空载的公共汽车上进行。然后通过增加一些公共汽车部件的质量来纠正有限元模型中不匹配的部分。根据公交车中使用不同约束系统（RS），总乘员质量的不同百分比对动能的影响也不同[20]。它相当于所有乘客在客车中使用的3点RS的总质量的90％。如果是2点RS，则为70％，如果是无约束乘客，则为20％。如果公共汽车座椅配有安全带，则应按照R66 [6]为每个座椅增加68kg的质量。由于测试的佛罗里达交通部客车需要安装安全带，公共汽车的质量增加了13名乘客，因此该车型的总质量等于5.55吨（4,666 13times;68）。重心调整是唯一的全面验证测试：由于全面测试的高成本，有限元总线模型仅通过本文描述的多个实验室测试进行了部分验证。
图4 重心测试 表2 质量分布
翻滚模拟
在翻车事故中，公交车上层建筑的强度由佛罗里达交通部认可标准[16]采用的R66翻车试验程序[6]确定。 它规定，放置在倾斜台上的车辆首先准静态地旋转到其一侧上。 当重心达到临界点时，重力会导致公共汽车自由落到沟渠上。 沟槽的混凝土地板放
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