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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:邱筱婷
研究生(外文):CHIU HSIAO TIANG
論文名稱:大客車骨架結構補強型式之設計與評估
論文名稱(外文):The Design and Evaluation of Reinforcement Structures for Bus Frame
指導教授:梁卓中梁卓中引用關係
指導教授(外文):C.C.LIANG
學位類別:碩士
校院名稱:大葉大學
系所名稱:機械工程研究所碩士班
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2007
畢業學年度:95
語文別:中文
論文頁數:191
中文關鍵詞:大客車翻覆ECE R66補強型式填角式貼片式
外文關鍵詞:busrolloverECE R66reinforcementfillingpatching
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大客車為大眾運輸工具中,每年輸運量最高之交通工具,近年來國內不少業者為求乘客之舒適性而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而容易造成車輛翻覆,加上國內車體打造廠多憑自身經驗之方式打造車體,缺乏設計分析之能量,故大客車之建造品質實為一大隱憂。大客車近年意外事故頻傳,於此高承載數與高肇事率之下,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)制定適合我國之大客車車體結構強度法規,隨著法規之執行,多數車體打造廠所生產之大客車將無法通過嚴峻之法規規範,因此如何在不變更原先之車體結構,且不大幅增加車體重量之情況下,使用局部之補強型式以有效改善車體結構之強度,將為重要之研究課題。
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,對於大客車之局部結構進行骨架強度分析與改良之研究則相當稀少。此外,由於應用有限元素進行數值模擬分析之技術快速發展,已成為模擬車輛碰撞與翻覆之主要工具,可有效減少實車試驗次數,進而節省大量成本。因此本論文將搜集國內外現有之汽車、航空器與船舶等運輸工具之結構補強方式,依照大客車車身結構部位予以分類,並參考大客車骨架擠壓試驗,應用有限元素分析軟體LS-DYNA建構大客車各部位骨架擠壓試驗之數值模擬環境,進行結構補強型式之強度分析與驗證,再將有效之補強塊設置於車身段與整車之有限元素模型中,以新版之歐規ECE R66為參考規範,進行大客車翻覆之數值模擬分析,探討大客車骨架補強型式對於整車結構變形之影響。
由本論文所採用之某型大客車骨架進行數值模擬分析之結果得知車頂結構主要為抵抗大客車於翻覆發生時,車頂結構與地面接觸所發生擠壓之現象,該車型使用填角式之補強型式較能提昇該部位之勁度,在設置該部位之補強型式時,應以連接車頂橫樑與車身兩側之車柱為主,可防止大客車於翻覆意外中,車頂結構與車身斷裂分離之情形;邊柱結構主要考量其窗椼與橫樑搭接處之結構強度,在翻覆意外發生時若骨架強度不足,發生彎曲變形之現象,並於焊接處承受過大之應力而發生破壞之情形,該車型使用貼片式之補強型式較能有效提升其結構勁度,同時能有效降低焊接處附近之應力值,設置該部位之補強型式時,應注意是否影響車窗玻璃之擺設,並可使用鉚丁或焊接之方式予以固定;底層結構主要考量翻覆意外發生時其骨架結構抵抗彎曲變形之能力,同時應考量如何提升邊柱發生塑性鉸之位置,而使得骨架較不易侵入乘員空間,經由分析結果可以發現,該車型使用貼片式之補強型式,其抵抗彎曲變形之效能較高,並使得塑性鉸發生位置相對提高,骨架較不易侵入安全空間,因而保障乘員之安全,設置該補強型式時,應考慮與其他部位之骨架搭接情形,並使用鉚丁或焊接之方式予以固定。本論文根據現有之大客車有限元素模型,進行各部位補強型式之設計與評估,提供國內大客車車體打造廠最直接有效之車體結構改善方案,以提升大客車結構之強度。
A rollover event is one of the most crucial hazards for the safety of passengers and bus drivers. In past years it was observed that the deforming body structure seriously threatened passengers’ lives.During the recent years the increasing number of fatal bus accidents with tragic consequences for passengers showed the importance of passive safety in addition to the driver’s competence and active safety. In the European countries the certification of sufficient deformation strength when overturning is compulsory for the approval of a bus according to the ECE R66 (Economic Commission for Europe,ECE )regulation. The certification is granted often positive results from crash tests or computer simulation with partial or full bus structure. The ECE R66 regulation defines a residual space for the passengers which must remain intact often the accident. The test specifies either the overturning of the vehicle structure from a tilting platform or it would correspond to the crash of the structure when falling onto the ground. Since such tests with real vehicle structures are costly and computer efficiency, on the other hand, is becoming increasingly better and cheaper, crash simulation will play a more important role for the approval in the future.
In order to increase stiffness and decrease the stress concertration of bus frame. This study divided the bus superstructure into three parts: top roof, side pilla, bottom frame and built the database by searching the reinforcements of aircraft, ship and vehicle. At first, the verification of the calculation procedure following regulation ECE R66 was performed. Three separate specimens were prepared for experimental investigation at ARTC (Automotive research & Testing Center). These parts were subjected to specific boundary conditions and quasi-static loads at ARTC testing facility. The same test scenarios were simulated by using LS-DYNA. Force-deflection curves both for the experimental and simulations were compared, and it was observed that these were good correlation between experiment and simulation. The verification by calculation is a compulsory requirement of the regulation, as it is the technical service’s responsibility to verify the assumption used in the numerical analysis. After that, ARTC test method of reinforcement of bus was applied to analyze and evaluate the efficiency of reinforcements. At last, the suitable reinforcement for three parts of bus superstructure were applied to the body section and complete bus structure for the computer simulation of bus rollover test.
Thereforce, the non-linear LS-DYNA 3D was used to simulate the body section and complete bus rollover test according ti the Europen regulation ECE R66. These suitable reinforcements were applied to the body section and complete bus finite element model. The results show that using the filling reinforcement of top roof will improve the collapse due to the rollover; by using the patching reinforcement of side pillar will be against the bending force during the rollover; on the other hand using the filling reinforcement of bottom frame will decrease the stress concentration and rise the plastic hinge zone so that improve the situation of intruding into the residual space during the test.These calculations shall serve as a preparation for future calculations to obtain the necessary certification.
This research can provide useful guidelines for researchers and bus manufacturers to study or design bus structure, raise the bus safety, and reduce occupant injuries and fatalities.
目錄

封面內頁
簽名頁
授權書 iii
中文摘要 iv
英文摘要 vi
誌謝 vii
目錄 x
圖目錄 xiv
表目錄 xviii

第一章 緒論 1
1.1 緣起 1
1.2 文獻回顧 4
1.3 本文目標 10
第二章 歐洲大客車上層結構強度法規—ECE R66 19
2.1 新版歐洲大客車上層結構強度法規—ECE R66 19
2.1.1 ECE R66法規驗證測試方法 20
2.1.2大客車乘員安全空間 21
2.2 新版歐洲大客車上層結構強度法規—ECE R66 新增法規 22
2.2.1擬靜態車身段負載測試 23
2.2.2結構元件測試之擬靜態計算 25
2.2.3電腦模擬整車翻覆測試 26
第三章 大客車翻覆數值分析理論基礎 35
3.1 大客車翻覆之數值分析理論 36
3.1.1運動方程式 36
3.1.2時間積分 37
3.2 LS-DYNA程式之數值分析技巧 38
3.2.1前處理器 38
3.2.2 LS-DYNA主程式處理器 43
3.2.3後處理器 43
第四章 大客車上層結構補強型式資料搜集與分析 48
4.1 載具結構補強型式 48
4.1.1汽車結構補強型式 48
4.1.2船舶結構補強型式 49
4.1.2航空器結構補強型式 50
4.2 大客車上層結構補強型式之分類與應用部位 50
第五章 大客車上層結構補強型式之設計與分析 60
5.1 大客車骨架擠壓試驗與分析 60
5.1.1大客車骨架擠壓試驗之設置 61
5.1.2大客車骨架擠壓試驗 61
5.2 大客車骨架擠壓試驗數值模擬環境之建立 63
5.2.1大客車骨架擠壓試驗之有限元素模型 63
5.2.2大客車骨架擠壓試驗數值模擬之驗證 65
5.3 大客車各部位骨架結構補強型式之數值模擬 67
5.3.1車頂結構補強型式之數值模擬 67
5.3.2邊柱結構補強型式之數值模擬 69
5.3.3底層結構補強型式之數值模擬 72
5.3.4結果分析與討論 74
第六章 大客車骨架結構補強型式之評估 100
6.1 業界訪談之結果 100
6.2 大客車各部位骨架結構補強型式之評估 101
6.2.1車頂結構補強型式效能之評估 102
6.2.2邊柱結構補強型式效能之評估 102
6.2.3底層結構補強型式效能之評估 103
6.2.4各部位較佳結構補強型式之評估 104
第七章 大客車翻覆試驗之數值模擬分析 111
7.1 歐規ECE R66大客車翻覆試驗之數值模擬 環境建構 111
7.2 大客車車身段骨架翻覆試驗之動態反應分析 112
7.2.1大客車車身段有限元素模型之建構 113
7.2.2大客車車身段翻覆試驗數值模擬分析結果 113
7.3 設置結構補強型式之大客車車身段翻覆試驗分析 115
7.3.1設置大客車車身段各部位適用之補強型式 115
7.3.2已補強之大客車車身段翻覆試驗數值模擬分析 116
7.3.3比較分析與討論 117
7.4 大客車整車骨架翻覆試驗之動態反應分析 118
7.4.1大客車整車有限元素模型之建構 119
7.4.2大客車整車翻覆試驗數值模擬分析結果 119
7.5 設置結構補強型式之大客車整車翻覆試驗分析 121
7.5.1設置大客車整車各部位適用之補強型式 121
7.5.2已補強之大客車整車翻覆試驗數值模擬分析 122
7.5.3比較分析與討論 123
7.6 大客車骨架結構強化與補強型式配置之建議 124
第八章 結論與未來展望 154
參考文獻 158
附錄A 歐洲ECE 66法規-大客車上層結構強度法規 162
附錄B 大客車業界訪談記錄 177
附錄C 大客車各部位結構補強型式資料庫 189

圖目錄

圖1.1 近五年大客車重大交通事故一覽表 11
圖1.2 民國95年10月梅嶺翻車意外 11
圖1.3 國內推行大客車結構強度法規路程圖 12
圖1.4 大客車車身段擬靜態負載測試 12
圖1.5 2004年和欣客運翻車事件 13
圖1.6 車身骨架破壞情形圖 13
圖1.7 九十五年台閩地區各型汽車按車齡分 14
圖1.8 本論文之研究架構 15
圖2.1 大客車傾斜穩定度測試 28
圖2.2 依據ECE R66法規之整車翻覆碰撞試驗 28
圖2.3 依據ECE R66法規之車身段翻覆測試 29
圖2.4 車身段擬靜態負載測試 29
圖2.5 大客車全車有限元素模型 30
圖2.6 大客車乘員安全空間之橫向示意圖 30
圖2.7 大客車乘員安全空間之縱向示意圖 31
圖2.8 新舊版ECE R66安全空間之橫向示意圖 31
圖2.9 車身段重心位置示意圖 32
圖2.10 車身段擬靜態負載測試能量曲線圖 32
圖2.11 大客車整車翻覆測試示意圖 33
圖2.12 翻覆平台輪胎之止滑塊配置圖 33
圖3.1 Lagrange、Euler、ALE描述法之構型變化 45
圖3.1 LS-DYNA數值模擬分析流程 45
圖3.2 樑元素、薄殼元素、固體元素示意圖 46
圖3.3 主從面示意圖 47
圖3.4 碰撞後自身面接觸示意圖 47
圖4.1 不同截面形狀之汽車防撞鋼樑 53
圖4.2 填角式補強結構示意圖 54
圖4.3 貼片式補強結構示意圖 54
圖5.1 大客車翻覆事故上層結構受損情形 76
圖5.2 大客車上層結構之分類 76
圖5.3 大客車骨架拘束之方式 77
圖5.4 大客車車頂結構骨架擠壓試驗 77
圖5.5 大客車邊柱結構骨架擠壓試驗 78
圖5.6 大客車底層結構骨架擠壓試驗 78
圖5.7 車頂結構骨架擠壓之歷程圖 79
圖5.8 大客車車頂結構焊接破壞處 79
圖5.9 邊柱結構骨架擠壓之歷程圖 80
圖5.10 大客車邊柱結構焊接破壞處 80
圖5.11 底層結構骨架擠壓之歷程圖 81
圖5.12 大客車底層結構發生嚴重變形處 81
圖5.13 大客車車頂結構之有限元素模型 82
圖5.14 大客車邊柱結構之有限元素模型 82
圖5.15 大客車底層結構之有限元素模型 83
圖5.16 大客車骨架擠壓試驗環境之有限元素模型 83
圖5.17 大客車車頂結構骨架擠壓試驗之有限元素模型 84
圖5.18 大客車邊柱結構骨架擠壓試驗之有限元素模型 84
圖5.19 大客車底層結構骨架擠壓試驗之有限元素模型 85
圖5.20 大客車車頂結構骨架擠壓試驗數值模擬力與位移歷程圖 85
圖5.21 大客車車頂結構骨架擠壓試驗應力集中之區域 86
圖5.22 大客車邊柱結構骨架擠壓試驗數值模擬力與位移歷程圖 86
圖5.23 大客車邊柱結構骨架擠壓試驗應力集中之區域 87
圖5.24 大客車底層結構骨架擠壓試驗數值模擬力與位移歷程圖 87
圖5.25 大客車底層結構骨架擠壓試驗應力集中之區域 88
圖5.26 大客車車頂結構補強型式擠壓測試數值模擬力與位移 歷程圖 88
圖5.27 大客車車頂結構各補強型式之有效應力 89
圖5.28 大客車邊柱結構補強型式擠壓測試數值模擬力與位移 歷程圖 89
圖5.29 大客車邊柱結構各補強型式之有效應力 90
圖5.30 大客車底層結構補強型式擠壓測試數值模擬力與位移 歷程圖 90
圖5.31 大客車底層結構各補強型式之有效應力 91
圖6.1 較佳之車頂骨架結構補強型式 105
圖6.2 較佳之邊柱骨架結構補強型式 105
圖6.3 較佳之底層骨架結構補強型式 106
圖7.1 大客車翻覆平台之幾何位置圖 126
圖7.2 車身段翻覆試驗之翻覆平台及止滑塊有限元素模型 126
圖7.3 整車翻覆試驗之翻覆平台及止滑塊有限元素模型 127
圖7.4 車身段翻覆試驗之數值模擬環境 127
圖7.5 大客車整車翻覆試驗之數值模擬環境 128
圖7.6 歐規ECE R66之數值模擬檢測流程 128
圖7.7 大客車車身段之有限元素模型 129
圖7.8 歐規ECE R66之車身段翻覆試驗之數值模擬場景 129
圖7.9 大客車車身段翻覆之動態反應圖 130
圖7.10 歐規ECE R66安全空間之有限元素模型 132
圖7.11 大客車車身段翻覆後骨架侵入乘員安全空間之情形 132
圖7.12 大客車車身段之最大有效應力 133
圖7.13 車身段具各部位補強型式之最大有效應力 133
圖7.14 大客車具補強型式之車身段翻覆動態反應圖 134
圖7.15 相對應位置向內侵入骨架之位移量與時間關係圖 136
圖7.16 車身段相對應位置之等效應力與時間關係圖 136
圖7.17 大客車整車骨架幾何圖 137
圖7.18 大客車整車骨架之有限元素模型 137
圖7.19 大客車車身骨架之有限元素模型 138
圖7.20 大客車底盤之有限元素模型 138
圖7.21 大客車整車之有限元素模型(含蒙皮、玻璃) 139
圖7.22 歐規ECE R66整車翻覆試驗之數值模擬場景 139
圖7.23 大客車整車骨架翻覆之動態反應圖 140
圖7.24 翻覆過程中發生最大變形量之區段 142
圖7.25 大客車整車骨架翻覆之等效應變分佈圖 143
圖7.26 大客車整車設置補強型式後之有限元素模型 144
圖7.27 大客車具補強型式之整車骨架翻覆動態反應圖 145
圖7.28 邊柱結構相對應位置之等效應力與時間關係圖 147
圖7.29 底層結構相對應位置之等效應力與時間關係圖 147

表目錄

表1.1 台閩地區主要觀光遊憩遊客人數 16
表1.2 九十五年台灣路上大眾運輸客運人數 16
表1.3 九十五年台閩地區機動車輛登記數 17
表1.4 國內外大客車結構強度法規一覽表 17
表2.1 新舊版ECE R66法規比較表 34
表4.1 大客車補強結構資料庫彙整表 55
表5.1 大客車各部位骨架之有限元素資料 91
表5.2 大客車骨架結構之材料性質 91
表5.3 大客車骨架擠壓設備之有限元素資料 92
表5.4 大客車各部位骨架擠壓試驗油壓缸施力值 92
表5.5 大客車補強結構資料庫-依照車體部位分類 93
表5.6 大客車各部位補強結構之有限元素模型資料表 94
表5.7 大客車車頂結構補強型式之比較 97
表5.8 大客車邊柱結構補強型式之比較 98
表5.9 大客車底層結構補強型式之比較 99
表6.1 大客車骨架結構補強型式業界訪查表 106
表6.2 大客車車頂結構骨架補強型式評比結果 109
表6.3 大客車邊柱結構骨架補強型式評比結果 109
表6.4 大客車底層結構骨架補強型式評比結果 110
表7.1 大客車車身段之故部位有限元素資料 148
表7.2 大客車各部位材料性質 148
表7.3 大客車車身段產生變形部位之等效塑性應變值 149
表7.4 大客車整車各部位之有限元素資料 150
表7.5 大客車整車骨架變形部位之等效塑性應變值 151
參考文獻

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[41]LS-DYNA KEYWORD USE’S MANUAL,V970,2003
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