貨車后下部防護裝置碰撞仿真及優化設計

葉新娜1，楊 明1，張志勇

(1.河南交通職業技術學院，河南 鄭州 450000，2.司法部司法鑒定科學技術研究所，上海 200063)

筆者對大量貨車進行了調查，發現絕大多數車輛(包括新出廠的車輛)安裝的后下部防護裝置雖然在安裝尺寸上滿足標準要求，但是難以保證最基本的防止鉆撞功能。載貨汽車和乘用車碰撞事故的主要形態是追尾碰撞中乘用車鉆入載貨汽車的后下部，造成乘用車車內乘員的高致死率和高致殘率；為此，研究汽車防護裝置的碰撞特性，對于提高汽車碰撞安全性具有重要意義。

1 國標對車輛后下部防護裝置的技術要求及失效準則

為了達到“如果M1和N1類車輛與N2、N3、O3和O4類車輛發生碰撞時能夠提供有效的保護，以防止發生鉆撞”的根本目的，GB 11567.2—2001《汽車和掛車后下部防護要求》對N2、N3、O3和O4類車輛的后下部防護裝置定義了相關的技術要求和失效標準，總的來說可以歸結為5類：安裝要求、尺寸要求、質量要求、耐撞性要求和吸能性要求[1]。其中耐撞性和吸能性要求是本文關心的重點，具體要求如下。

1)后下部防護裝置在與規定的移動壁障進行碰撞的過程中，后下部防護裝置可以變形、開裂，但不許整體脫落。

2)后下部防護裝置在與規定的移動壁障進行的碰撞過程中，后下部防護裝置應能吸收碰撞能量以緩和沖擊，要求移動壁障的最大減速度不大于40g，反彈速度不大于2 m/s。

3)按要求進行試驗后，由于靜態加載力的作用或移動壁障的碰撞，使后下部防護裝置發生變形，則在變形后裝置的后部與車輛最后端(測量時處于空載狀態下的車輛上與地面的垂直距離大于3 m的部分除外)的縱向水平距離不能超過400 mm。

國標中規定了后下部防護發生變形后裝置的后部與車輛最后端的縱向水平距離不能超過400 mm，意味著超過400 mm后下部防護裝置將發生塑性大變形失效或者斷裂脫落失效。

因此，對貨車后下部防護裝置的要求應該是有良好的耐撞性，同時有較好的吸能性，其中耐撞性是主要要求。

2 仿真模型的建立

2.1 幾何模型

圖 1 移動壁障碰撞后下部防護裝置示意圖

2.2 有限元模型

對貨車普遍采用的支臂橫梁式后下部防護裝置建立的有限元模型[2]見圖2。形成有限元模型后的單元總數為10萬5 429，節點總數為3萬1 841，實體單元為3D Solid164，采用缺省的Lagrange算法[3]，殼單元為Thin Shell163，采用缺省的BT算法，Gauss積分模式。

圖 2 后下部防護裝置的碰撞仿真有限元模型

為了達到更真實的動畫效果又盡可能地縮短仿真時間，在構建幾何模型和有限元模型時，將后下部防護裝置橫梁末端到移動壁障之間的距離設置為0.1 m，這樣LS-DYNA的求解終止時間約為180 ms。

3 貨車后下部防護裝置碰撞性能分析

通過ANSYS/LS-DYNA仿真，輸出的180 ms時刻的結構變形響應結果如圖3所示。

圖 3 180 ms后下部防護裝置被撕裂脫落情況

后下部防護裝置支臂發生了較大的塑性變形，而后防護橫梁變形量相對要小的多。其原因是在發生碰撞過程中，后防護支臂承擔了大部分的沖擊能量[4]。當沖擊力大于支臂材料本身的屈服極限時，后防護支臂開始發生塑性屈服變形，同時吸收掉大部分的沖擊能量。另外一個重要原因是，碰撞過程中后防護支臂是最薄弱的環節，最終導致發生鉆撞。

由此可知，該型重型貨車后下部防護裝置未能達到國標要求的防止鉆撞功能，其根本原因在于后防護支臂壁厚太薄[5]；因此，要提高后下部防護裝置的耐撞性，就要提高后防護支臂的抗撞能力[6]。

4 后下部防護裝置優化設計

4.1 優化設計

在移動壁障全寬范圍內(距后防護橫梁端部0.45 m)與車架縱梁間增加一根截面為100 mm×65 mm的方形斜支撐，見圖4。

圖 4 增加斜支撐的后下部防護裝置

4.2 優化后的碰撞仿真

利用LS-DYNA對優化后的后下部防護裝置(支臂、斜支撐壁厚都取1.5 mm最小值時)的計算結果經LS-PREPOST處理后，輸出180 ms時刻的結構變形響應圖，如圖5所示。

圖 5 優化后180 ms時刻碰撞響應示意圖

壁厚為1.5 mm的斜支撐是方形截面，因此其寬度內總壁厚為3 mm，其剛度也稍微大于后防護支臂，所以在碰撞前半部分其塑性變形小于后防護支臂變形。當碰撞持續到41.4 ms時，斜支撐與后防護支臂變形開始同步。這樣的剛度搭配可以使后防護橫梁塑性變形較小的兩端位移量不會太大[7]，更容易達到國標要求的縱向水平方向(X方向)的位移量要求；但由于斜支撐與后防護支臂壁厚都比較小，整體剛度較差[8]，因此后下部防護裝置整體位移量仍較大。

4.3 動力響應特性分析

4.3.1 位移變化分析

圖6和圖7分別為優化前后防護裝置碰撞最大變形圖，圖8與圖9分別為優化前后防護裝置碰撞位移-時間曲線圖。

圖 6 節點1和1657的位置(優化前)

圖 7 節點3953的位置(優化后)

從仿真結果來看，位移量最大的部位都是后防護橫梁兩端。

圖 8 節點1657的位移隨時間變化曲線(優化前)

圖 9 節點3953的位移隨時間變化曲線(優化后)

從圖9可看出最大位移量節點3 953的位移量剛好在400 mm附近，說明經過優化的后下部防護裝置支臂和斜支撐壁厚都取1.5 mm的最小值時耐撞性基本達到國標要求。

4.3.2 移動壁障速度、減速度變化分析

圖10和圖11分別是后下部防護裝置優化前后移動壁障在碰撞過程中的速度-時間曲線。

圖 10 優化前移動壁障的速度-時間曲線

圖 11 優化后移動壁障的速度-時間曲線

由圖11可看出在14.4 ms時移動壁障與優化后的后下部防護裝置發生碰撞后，其速度與時間呈約45°的線性關系，在75.5 ms時速度降為零，隨后出現了小幅反彈，反彈速度為0.77 m/s，略高于未加斜支撐的后防護支臂取防鉆撞最小壁厚時的速度0.5 m/s，符合標準要求。

圖 12 優化前移動壁障的減速度-時間曲線

圖12和圖13是后下部防護裝置優化前后移動壁障的減速度-時間曲線。優化后曲線顯示移動壁障最大減速度峰值為250 m/s2，略高于優化前未加斜支撐的后防護支臂取防鉆撞最小壁厚時的240 m/s2，低于國標規定的最大減速度不超40g(392 m/s2)，說明其吸能性滿足要求。

圖 13 優化后移動壁障的減速度-時間曲線

4.3.3 能量變化分析

圖14和圖15分別為后下部防護裝置優化前后各構件吸收能量情況隨時間的變化曲線。

圖 14 優化前支臂吸能時間曲線

圖 15 優化后支臂吸能時間曲線

圖15顯示優化后的后下部防護裝置支臂最大吸能量為4.84 kJ，遠小于優化前的12.40 kJ。

圖 16 優化前橫梁吸能時間曲線

圖 17 優化后橫梁吸能時間曲線

圖16和圖17顯示后下部防護裝置優化前后的后防護橫梁最大吸能。可以看出后下部防護裝置優化后的后防護橫梁最大吸能為14.97 kJ，略低于優化前的16.88 kJ。

圖18為后下部防護裝置優化后的斜支撐構件最大吸收能量。可以看出后下部防護裝置增加斜支撐優化后斜支撐構件的最大吸收能量為16.11 kJ，成為了后下部防護裝置所有構件中吸收能量最大的構件。斜支撐構件分擔了后防護支臂大部分的沖擊能量[9]。表1列出了后下部防護裝置增加斜支撐優化后與優化前的能量吸收情況。

圖 18 優化后斜支撐吸能時間曲線

優化前后后防護支臂吸能量/kJ后防護橫梁吸能量/kJ斜支撐構件吸能量/kJ總吸能量/kJ 與車架縱梁連接構件壁厚/mm優化前12.4016.8829.28后防護支臂:6優化后4.8414.9716.1135.92后防護支臂:1.5斜支撐構件:1.5

表1表明優化后的后下部防護裝置總吸能量大于優化前，并且裝置吸能性比優化前要好得多[10]，這表示優化后的后下部防護裝置達到了防止鉆入碰撞的最基本要求。

5 結論

依據標準GB 11567.2—2001《汽車和掛車后下部防護要求》的要求，利用ANSYS/LS-DYNA建立了貨車后下部防護裝置仿真模型，進行了移動壁障全寬碰撞的仿真研究，對支臂橫梁式后下部防護裝置通過增加側面斜支撐構件進行結構優化，并對優化后的后下部防護裝置的碰撞仿真結果與優化前進行了優劣對比。仿真分析結果表明，利用計算機仿真技術進行汽車碰撞研究可以完善結構設計，提高汽車被動安全性能，從而縮短開發周期，降低開發費用，提高市場競爭能力[11]，進而達到防止安裝了不合格后下部防護裝置的車輛進入社會的目的，對開展后下部防護裝置的設計工作具有積極推動意義。

[1]GB 11567.2—2001汽車和掛車后下部防護要求[S].

[2]劉坤,吳磊.ANSYS有限元方法精解[M].北京:國防工業出版社，2004：8

[3]LS-DYNA User’s Manual[S].[S.1.]：livermore Software，2001.

[4]張志支.碰撞動力學[M].北京:兵器工業出版社，1989：9.

[5]葉新娜，黃海波，周廷萱，等. 貨車后下部防護裝置的改進與仿真[J].西華大學學報：自然科學版，2007(3)：27-30.

[6]朱西產,鐘榮華.薄壁直梁件碰撞性能計算機仿真方法的研究[J].汽車工程,2000,22(2):85-89.

[7]王祖成,汪家才.彈性和塑性理論及有限單元法[M].北京:冶金工業出版社，1998：69-99.

[8]劉少華.基于LS-DYNA的轎車保險杠耐撞性研究[D].長春:吉林大學,2008.

[9]張志勇.基于ANSYS/LS-DYNA的車輛后下部防護裝置碰撞仿真與優化設計[D].成都:西華大學，2010.

[10]張金虎.汽車保險杠碰撞仿真研究[D].武漢:武漢理工大學,2009.

[11]宋年秀，尉士田，孫根柱，等.大型貨車后下部防護裝置碰撞仿真分析[J].拖拉機與農用運輸車，2013.4(3)：18-21.