雙層巴士翻覆之數值模擬與分析 蔡易修、梁卓中
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摘 要
大客車為目前極為重要之公路交通運輸工具，近年來國內不 少業者常於取得大客車牌照後，為求乘客之舒適性改造車體，
常 加大上層空間以增內裝，造成整車重量過重及重心上移現象，當 大客車行經彎道及超車換道容易造成車輛翻覆，目前 國內車體打 造廠大多是以傳統經驗方式打造車體，缺乏設計分析之能量，對 於車體改造多憑自身經驗，故大客車之建造 品質實為一大隱憂。 大客車近年肇事率極高，每萬量之肇事為22.6 件遠超過小客車每 萬量之肇事1.4 件，於此高承載數及 高肇事率之下，大客車之安 全性實不容輕視。由於目前國內大客車相關法規不夠嚴謹，政府 相關單位將參考歐洲大客車 上層結構強度法規ECE R66(Economic Commission for Europe，ECE)及美國校車翻覆防護 法規FMVSS 220(Federal Motor Vehicle Safety Standard，FMVSS) 制定適合我國之大客車車體結構強度法規，原預定於民國一百年 正式執行，但近來大客 車事故接連發生，政府將提前於民國九十 七年一月一日推動執行相關法規，因此大客車翻覆強度之相關研 究亦積極展開
。 近年來國內外大客車之研究大多為探討大客車車體結構強 度之研究，截至目前似無對大客車門窗開口大小、位置及個 數對 大客車翻覆強度之影響研究，由於台灣大客車業者過度使用上層 空間而造成上層結構之強度減弱，且上層結構強度 也會因門窗開 口大小、位置及個數不同而受影響。由於有限元素等數值模擬方 法之快速發展，現已為模擬車輛碰撞之主 要工具，可有效減少實 車碰撞試驗次數，進而節省大量成本。因此本論文將利用有限元 素分析軟體LS-DYNA 建立大客車 有限元素模型，以歐規ECE R66 為參考規範，進行大客車翻覆強度之相關研究；首先以國外 某型之大客車為研究對象，
依據美規FMVSS 220 之規定，建構車 頂擠壓試驗之數值模擬環境，並進行模擬試驗；其次，以Belingardi 等發表之簡易車 身段為研究對象，首先建構車身段翻覆模擬環 境，探討以樑元素及殼元素模擬車身段骨架之差異；之後，並建 構大客車 全車骨架有限元素模型翻覆之數值模擬環境，以分析全 車骨架變形是否能符合歐規ECE R66 安全空間之要求；此外亦進 行門窗開口大小、位置、個數對大客車車體強度之影響探討，依 市面上常見之大客車進行分類，建構各類型之大客車有限 元素模 型，依歐規ECE R66 之規定進行翻覆試驗之數值模擬分析，以分 析全車骨架之變形行為，並驗核能否符合歐 規ECE R66 之要求； 最後，探討骨架結構之環向肋骨之完整性對翻覆強度之影響性及 大客車全車(含玻璃、蒙皮)之翻覆強 度探討。由數值模擬結果得知 目前常見之大客車，以具七面車窗且為連續直搭環向肋骨有較佳 之翻覆強度。本論文為初 步之定性分析，研究成果期能作為將來 大客車全車安全防護設計及國內車輛法規訂定之參考。
關鍵詞 : 大客車，門窗開口，翻覆，FMVSS 220，ECE R66 目錄
第一章 緒論...1 1.1 緣起...1 1.2 文獻回顧...3 1.3 本文目標...7 第二章 大客車翻覆安全法規...15 2.1 美國校車翻覆防護法規-FMVSS 220...15 2.2 歐洲大客車上層結構強度法規-ECE R66...16 第三章 大客車翻覆數值分析理論基
礎...22 3.1 LS-DYNA 基本理論...23 3.1.1 運動方程式...23 3.1.2 時間積 分...25 3.2 LS-DYNA 程式之應用技巧...25 3.2.1 前處理器...26 3.2.2 LS-DYNA 主程式處理器...30 3.2.3 後處理器...30 第四章 美規FMVSS 220校車車頂擠壓試 驗數值模擬情境建構...35 4.1 美規FMVSS 220 車頂擠壓試驗之數值模擬環境建構...35 4.2 大客車車頂擠壓試驗之動態 反應分析...36 4.2.1 問題描述...36 4.2.2 國外某型大客車全車骨架之有限元素模型建構...37 4.2.3 結果與討論...37 第五章 歐規ECE R66大客車翻覆數值模擬情境建構...51 5.1 歐規ECE R66 大客車翻覆試驗之數值模擬環境建...51 5.2 簡易車身段翻覆試驗之動態反應分析...52 5.2.1 問題描
述...52 5.2.2 簡易車身段有限元素模型建構...53 5.2.3 結果與討論...53 5.3 大客車全車骨架翻覆翻覆試驗之動態反應分析...57 5.3.1 問題描述...57 5.3.2 大客車全車骨架有限 元素模型建構...57 5.3.3 結果與討論...57 第六章 門窗開口大小、位置及個數對大客車車體翻覆 強度之影響探討...79 6.1 台灣大客車門窗開口現況...79 6.2 不同門窗開口型式及個數對大客車全車 骨架系統之影響...80 6.2.1 問題描述...80 6.2.2 有限元素模型建構...80 6.2.3 大客車開門、開窗之數值模擬分析...80 6.2.3.1 不同車門數大客車翻覆之數值模擬分析...81 6.2.3.2 不同車窗數大客車翻覆之數值模擬分析...82 6.2.3.3 不同骨架安排型式之大客車翻覆之數值模擬分 析...83 6.3 大客車(含蒙皮、玻璃)翻覆強度之探討...85 6.3.1 問題描述...85 6.3.2 大客車全車結構(含蒙皮、玻璃)之有限元素模型建構...85 6.3.3 結果與討論...86 第七章 結
論與未來展望...103 參考文獻...106 附錄A 美國FMVSS 220法規- 校車翻覆防護...111 附錄B 歐洲ECE R66法規-大客車車身結構強度分析...114
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