貨車后部吸能裝置40%偏置碰撞仿真分析

李敏，于建國

(東北林業大學 交通學院，黑龍江 哈爾濱 150040)*

0 引言

由于高速公路具有全封閉、全立交等特點，所以其交通事故形態中不存在正面碰撞事故，而追尾事故是其主要組成形式，且由于高速公路路表狀態平直、設計標準高、車速快，一旦發生交通事故后果嚴重［1］.2010年，高速公路發生事故數、造成的死亡人數，同比分別上升5.2%、4%.從高速公路發生的死亡人數情況看，40.3%因尾隨相撞導致，21.9%為碰撞固定物或靜止車輛導致，側面碰撞導致事故死亡人數占6.7%，但同比上升13%.因此，尾隨相撞仍是高速公路追尾事故的主要事故形態.

由于交通事故的發生存在隨機性和突發性，更多的交通事故是難以預防的.所以，事故發生后采取及時而有效的緊急救援措施，對于降低事故所造成的(傷亡和經濟)損失，尤其是預防第二次連鎖事故甚為重要.在這種情況下提出的貨車后部吸能裝置，主要是針對高速公路上載貨汽車行駛車速過低或出現事故后被迫停駛時，可通過控制裝置自動對后續車輛起警示標志作用，從而避免了由于人為放置標牌所可能引發的人員傷亡.另外，如果安全距離過小導致兩車碰撞時，吸能裝置應起到緩和沖擊、吸收碰撞動能的作用.

目前常見的貨車后下部防護裝置多采用簡單的槽鋼或圓管結構，在發生中低速追尾碰撞時可對追尾車輛有部分阻擋保護功能，但在高速情況下就形同虛設，無法起到阻止后車鉆入碰撞的作用.因此，安全的防護裝置應主要考慮在隨機的碰撞事件中能以相對固定的破壞形式耗散碰撞能量，能夠有效控制碰撞力和減速度以及防止后車發生鉆入碰撞.

由于后部吸能裝置主要用于阻擋轎車沖入貨車下部兼吸能的作用，所以檢驗吸能裝置采用全寬碰撞和40%偏置碰撞的試驗評價方法.通過事故結果表明，乘員嚴重傷害比例最高的階段是發生在40%偏置碰撞事故形態下，因此對后部吸能裝置進行40%偏置碰撞安全性的研究具有非常重要的意義.

1 吸能裝置有限元模型的建立

根據偏置碰撞中采用可變形體壁障來檢驗車體變形情況的經驗和高速公路上小轎車追尾貨車時輪胎留下的剎車痕跡來初步將吸能裝置的初始尺寸定為長2.3 m，寬2 m，而裝置離地高度則選擇對轎車起最大保護作用的離地高度，即為0.3 m［2］.吸能裝置由四根方形薄壁組合梁和多個螺栓件組成.當追尾事故發生時，后部薄壁梁受力，推動兩根薄壁梁產生相對運動，對被剪切螺栓做功.并在兩端導向作用下變為軸向力，這樣被剪切螺栓在兩根薄壁梁的作用下剪切分離.如軸向力仍大于被剪切螺栓的剪切力，可以對方形薄壁梁進行進一步的屈曲壓縮.所以，在各螺栓剪切力和薄壁梁屈曲變形的共同作用下，碰撞的能量被逐漸消耗.在材料分離與變形中，分離所需的能量大于變形.該吸能裝置就是利用了螺栓件在被剪切分離時需耗能的原理.另外，由于各螺栓件在薄壁梁上分散布置，因此對于緩沖釋放能量和降低車體的反彈勢能有很好的效果，可避免對追尾車輛的二次碰撞.

其中組合梁中截面積較小的一段直梁為受力梁，橫截面邊長a為130 mm，圓角直徑r為5 mm，長度為2 300 mm，厚度為10 mm;截面積較大的直梁為輔助梁，邊長為160 mm，長度為1 800 mm，厚度為10 mm;螺栓直徑為20 mm，長度為200 mm.鑒于螺栓是國家標準件，材料和尺寸相對固定.因此將組合梁材料初定為35鋼，螺栓材料為Q235.材料參數見表1［3］.

附表 材料參數

根據吸能裝置的初定尺寸，利用Pro/E軟件進行參數化建模，如圖1所示.在進行碰撞仿真分析時，要充分考慮到數值模型的邊界條件與實際過程相接近.

圖1 后部吸能裝置的有限元模型

為驗證該分析模型的有效性，應用LS-DYNA軟件對其進行仿真計算.單元算法采用Belytschko-Wong算法.對于網格密度的控制，應在確保正確表達變形的前提下，盡可能選擇大的單元尺寸.文獻［4］中認為方形薄壁梁的折疊半徑可估計為R=0.72a1/3t2/3.其中a為截面寬，對于矩形薄壁梁，a可取截面的長或寬;t為板厚.為了精確描述變形，網格尺寸應小于l=0.5πR.根據厚度值和截面寬度值，算得l值為26.6 mm.因此，本文中將薄壁梁組件的單元尺寸設定為26 mm.網格劃分后，裝置共有殼單元總數為39 981個.接觸類型定義為自動單面接觸.通過引入粘性阻尼力來避免因采用單點高斯積分引起的沙漏變形.通過引入靜摩擦因數0.08和動摩擦因數0.06考慮接觸界面的摩擦作用.

2 整車模型的建立

本文采用ANSYS作為前處理有限元軟件，直接讀入PRO/E完成的實體三維模型進行網格劃分［5］.整車模型主要結構包括白車身、副車架、前后車門、懸架、轉向機構、發動機、車輪總成、散熱器總成等主結構.其中發動機、油箱和車輪輪轂考慮為剛體.懸架考慮為剛度一致的彈簧單元.最后整車有限元模型有449 882個節點，253 164個單元.整車模型的單元尺寸應設定在5～25 mm的范圍內.按照歐洲ECE R94.01法規［6］和40%偏置碰撞規定，建立的整車偏置40%碰撞吸能裝置的仿真模擬過程(俯視)和兩者之間的位置關系如圖2所示.

圖2 汽車與吸能裝置40%偏置碰撞的位置關系

3 模型校驗

基于本文建立的吸能裝置模型，利用LS-DYNA軟件，根據碰撞法規GB11551-2003，對該車分別進行正面65、80、100和120 km/h的碰撞，取車身B柱位置加速度為車身加速度.圖3和圖4是對整車模型在正面100%碰撞模擬計算后各車速下吸能裝置的吸能曲線和加速度曲線，從曲線圖中可以看出該結構能夠有效逐步地減少碰撞加速度，使轎車內的人員不至于受到過大傷害.且碰撞速度在65、80、100 km/h時吸能變形形式合理，能夠有效地吸收能量，而在120 km/h時該裝置沒有吸收全部碰撞動能，有部分動能未被吸收，但仍可起到防止轎車鉆入貨車后下部的作用.

圖3 各車速下吸能裝置的吸能曲線

圖4 各車速下碰撞的加速度曲線

4 40%偏置碰撞仿真分析

為吸能裝置在碰撞速度為65 km/h時建立的偏置40%碰撞仿真模擬過程圖5所示，這里碰撞時間取100 ms.根據仿真結果發現吸能裝置的吸能過程主要分成兩個階段.第一階段是各螺栓剪切吸收碰撞動能，這一階段特點是吸能組件之間發生了較大的剪切變形，而轎車前部結構只是發生了輕微變形，汽車動能迅速下降.第二階段是薄壁梁屈曲變形吸能過程，伴隨著這兩個階段同時進行的是轎車前保險杠變形吸能過程，而轎車前部結構擠壓變形則較小.由后部吸能裝置的碰撞吸能變化曲線圖6可知，裝置的吸能量比貨車原有后部防護結構有了顯著的提高，吸收能量達到32 954.2 J;對比圖4與圖7中的曲線可以看出，40%偏置碰撞形式與100%全寬碰撞形式相比較［7］，后部吸能裝置的加速度時間歷程變長，最大值減少.

通過有限元仿真發現，原有結構設計在安全性上存在不足:一是吸能組件的后防護板厚度偏薄，在高速碰撞事故中容易發生斷裂，因此可適當進行加厚;二是在碰撞過程中只有部分螺栓件發生斷裂(大部分發生彎曲變形)，沒有達到吸能的最佳效果.因此可適當將螺栓件的直徑減小或用其他材料(如10鋼)來替代.

圖5 以65 km/h偏置碰撞吸能組件的變形情況

圖6 以65 km/h偏置碰撞吸能組件的吸能曲線

圖7 以65 km/h偏置碰撞吸能組件的加速度曲線

5 結論

(1)設計中結合建模模擬仿真軟件，成功地建立了吸能組件的模型并進行了仿真分析，獲得了較為合理的吸能結構，縮短了設計周期;

(2)在載荷沖擊方向發生一定程度的改變時(如追尾轎車的沖擊方向與吸能組件的軸線成某一角度)，吸能組件仍可順利通過剪切螺栓桿件來吸收能量，故該結構的變形吸能具有較好的魯棒性;

(3)由于節能等的要求，裝置在汽車上的能量吸收結構應該質量較輕，具有良好的“比吸能”，即單位質量所吸收的能量較高.為了滿足條件，在吸能組件薄壁梁側面開有弱化槽;

(4)在后部吸能裝置發生偏置碰撞的一側其變形嚴重，碰撞中的大部分能量由偏置側的裝置變形來吸收，另外，由于碰撞過程中車身前部接觸區域的不同，在一定程度上會造成車身在碰撞后期發生明顯的橫向擺動.

［1］陳瑜，張青華.淺議高速公路追尾事故的防控辦法［J］.華東公路，2006，160(4):73-75.

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