貨車外形改裝對碰撞相容性的影響

秦海力，段傲文，楊袖菊，鄭曉旭，尹志勇

(1.重慶理工大學 a.車輛工程學院; b.藥學與生物工程學院， 重慶 400054；2.第三軍醫大學 大坪醫院 交通醫學研究所， 重慶 400042)

隨著我國高速公路網建設的加快與完善，公路運輸行業也迎來了重大變革與發展，貨車已經從單一載運貨物向物流服務運輸方向發展，因此貨車車身的設計結構也緊隨時代發生了變化。

目前，越來越多的車輛為方便使用進行改裝，使其車輛相容性發生變化，對其他車輛及其車內人員也會造成影響，發生事故后會直接或間接導致人員傷亡，因此改裝車的行駛安全性值得關注。《道路交通安全法》第十六條中明確規定：任何單位或者個人不得拼裝機動車或者擅自改變機動車已登記的結構、構造或者特征，但是仍有許多人為方便使用而私自改裝車輛[1]。目前改裝車輛形式多樣，而事故產生的后果也多種多樣。許多貨車司機將貨廂拆除以擴大載貨面積，但拆除后導致的直接影響會是怎樣，對其相容性會造成怎樣的改變，會對其他車輛造成何種安全隱患還不得而知。因此，在考慮自身利益的同時應該兼顧一旦發生事故后會對其他車輛造成的安全隱患問題。本文主要研究改裝車輛對交通事故的影響。

1 汽車相容性

1.1 相容性概念

車輛的相容性除包括車輛自身的防撞性、車內乘員安全性之外，還包括對對方車輛的攻擊性和對對方車輛乘員的傷害性。在碰撞時，車內乘員和財產的損失越小就表明相容性越好[2]。而隨著碰撞法規的日益完善和對汽車安全性的日益關注，汽車碰撞安全性也越來越受到人們的關注。因此，在事故中不僅僅要關注自身的安全，還要關注對對方車輛及車內人員安全性的影響。當相容性足夠好時，事故中雙方所受到的影響將會更小。

1.2 影響相容性的因素

影響相容性的因素通常包含以下幾個方面：① 質量相容性；② 結構剛度相容性；③ 車身幾何外形相容性。通常在相同的條件下，不同質量的車輛間發生碰撞后的結果是不同的，質量較輕的車輛損壞會更嚴重，車內乘員的危險性更大。除質量相容性外，兩車的結構剛度和幾何外形都會影響事故的損害情況。如車架高度、保險杠剛度的不同就會使碰撞后兩車產生的變形不同，其造成的傷害影響也會不同[3]。

2 計算機仿真模擬方法

隨著計算機技術的發展，利用計算機軟件來進行的車輛碰撞模擬仿真已經變成一種趨勢[4-5]。計算機仿真軟件主要分為兩大類：有限元分析軟件和剛體運動學軟件。有限元法是在相關理論發展以及計算機技術越發成熟的情況下產生的一種較先進的工程分析方法，已廣泛應用于各種工程分析領域。有限元軟件主要包括LS-DYNA、Hyperworks等。利用有限元計算方法既可以簡化計算，又能得到有效的結果。有限元法的基本思想是把連續的幾何體離散化為有限個單元，相鄰單元之間通過節點連接組合成一組有限單元的幾何體，并通過節點進行力的傳遞，也就是將具有無限個自由度的連續的求解區域離散為具有有限個自由度、且按一定方式(節點)相互連接在一起的離散體(單元)，從而將無限自由度問題離散為有限自由度問題，以得到近似解[6-7]。

本文選用了當前在實際運用中比較常用的仿真軟件LS-DYNA作為模擬仿真的求解器，為前、后處理選用的是由Altair公司研發的與多種CAD和CAE軟件有良好的接口、并具有高效的網格劃分功能的Hyperworks軟件。

LS-DYNA是一種功能齊全的動態非線性分析軟件。該軟件主要以Lagrange算法為主，兼有ALE和Euler算法的功能；以結構分析為主，兼有熱分析、流體-結構耦合功能；以顯式求解為主，兼有隱式求解功能；以非線性動力分析為主，兼有動力分析功能。LS-DYNA中有上百種金屬和非金屬材料模型可供選擇，同時也包含50多種接觸分析方式供選擇[8-9]。目前，LS-DYNA也是在各個領域運用較為廣泛的求解器之一。

Hyperworks是功能極為強大的CAE應用軟件包，它集成了設計與分析所需的各種工具。該軟件包含了3個軟件模塊：HyperMesh、HyperView、HyperGraph。HyperMesh是一個高效的有限元前、后處理器，能建立各種復雜的有限元模型，同時具有高效的網格劃分功能，與多種CAD和CAE軟件有良好接口。HyperView是一個可進行后處理的可視化用戶環境，用于數據處理、仿真動畫處理等。HyperGraph是一個擁有強大數據分析和繪圖工能的軟件，可與多種文件格式對接[10]。

圖1 空間物體變形簡化模型圖

汽車碰撞過程是在短時間內發生較大位移和變形的過程，過程中將會出現復雜的材料特性非線性變化，其中還包含以大位移、大轉角、接觸面滑動為特征的非線性問題，將這些問題整合到一起將使汽車碰撞的仿真求解問題變得更為復雜，而這就需要選擇合適的方法。非線性有限元問題的求解方法有兩種：隱式積分法和顯式積分法，其中顯式積分法主要使用顯式中心差分法。

2.1 基本力學模型

在本起事故案例中，車輛的碰撞過程發生了位移與變形，但必須遵守相關力學定律[11]。

如圖1所示，在笛卡兒坐標系中，當物體任意一個質點x1運動到另外一個質點x2時，這個過程經過了時間t，可根據Lagrange方程得到其簡化模型：

Xi=Xi(Xα,t)，i=1,2,3

(1)

當初始時刻t=0時有：

Xi(Xα,0)=Xα

(2)

(3)

式(2)(3)中Vα為初始時刻速度。

根據能量守恒方程，

E=Vsijεij-(P+q)V

(4)

式中：E為當前構型能量；εij為應變率張量；sij和P分別表示應力偏量和壓力；q為體積黏度；V為當前構型的體積。

根據動量守恒定律，

(5)

根據質量守恒定律，

ρ=ρ0J

(6)

式中：ρ為變形后的質量密度；ρ0為變形前質量密度；J為質量變化系數。

2.2 顯式中心差分法

在顯式積分方法中，通常采用顯式中心差分法以提高計算效率[12]。在顯式中心差分法中，用速度和加速度來描述其最大侵入量，

(7)

(8)

在考慮結構阻力時建立動力結構2階常微分方程：

(9)

式中M、C、K為有效質量矩陣。

最后將式(7)(8)代入式(9)可得：

(10)

通常，在已知Xt和Xt-Δt的情況下，可根據式(10)求出Xt+Δt，進而可以求出各個離散時間點的解。

顯式中心差分法雖然具有一定的穩定性，但這個穩定性通常需要設置合理的時間步長。時間步長Δt應滿足以下條件：

Δt≤2/wmax

(11)

式中wmax為網格單元中最大固有頻率，而w可以表示為

w=4C2/I2

(12)

式中：C為傳播速度；I為單元的長度。

3 案例分析

3.1 案情介紹

2016年8月31日，徐某駕駛渝G*****號貨車行駛至石柱縣云塘鎮附近，因雨天路滑操作不當，與渝H*****號小型越野車發生碰撞，造成兩車受損、渝H*****號小型越野車車上4人受傷的交通事故。

根據越野車勘查照片可知：越野車車體黑色；左側車身受損嚴重，其中A柱折斷，B柱變形嚴重；擋風玻璃破損；左前側車門變形。事故發生后越野車車體照片如圖2所示。

圖2 事故發生后越野車車體照片

根據貨車勘查照片可知：貨車前部有少量刮擦痕跡，是與邊坡接觸形成的；貨車尾部變形不明顯，改裝痕跡較大；貨車貨廂被拆除，后部加裝了吊臂。事故發生后改裝貨車車體照片如圖3所示。未改裝時的貨車車體照片如圖4所示。

圖3 事故發生后改裝貨車車體照片

圖4 未改裝時的貨車車體照片

3.2 車型介紹

3.2.1 貨車車身結構及分類

貨車是一種主要為載運貨物而設計和裝備的車輛，其車身包括駕駛室和貨廂兩個部分。在設計貨車車身結構時均會考慮貨車的安全性、實用性、耐用性及其他方面相關因素，同時在設計時考慮貨廂的結構強度、尺寸、容量、前后載荷分布等因素。

貨車貨廂可分為兩大類：通用貨廂和專用貨廂。通用貨廂可分為平板貨廂、低欄板貨廂、高欄板貨廂和小噸位自卸貨廂等，主要用于運輸一些裝卸簡單、環境要求不高、周轉次數較少的貨物；專用貨廂可分為箱式貨廂、罐式貨廂、自卸車貨廂和集裝箱等，主要用于運輸通用貨廂不宜運輸的貨物。

3.2.2 越野車車身結構

越野車是一種為越野而設計的汽車，都擁有非承載式車身結構，具有獨立的底盤和大梁，且重要的零部件均安裝在大梁上。根據載重能力越野車分為重型越野車、中型越野車以及輕型越野車，而本次事故中涉及到的越野車屬于輕型越野車。

3.3 仿真分析研究

3.3.1 模型的簡化

選取與事故車輛相似的某款越野車的三維模型，在其基礎上建立碰撞車輛的有限元模型。鑒于計算機條件的限制以及主要的研究目的，做以下簡化處理[13]：

1) 根據越野車變形部位和貨車刮擦痕跡可知，本次事故中貨車前部刮擦應是與山坡碰撞所致，越野車左側變形為與貨車貨廂底板碰撞接觸所致，因此本次實驗對改裝前后貨車尾部貨廂及貨廂底板進行模擬仿真。

2) 因碰撞過程中僅有改裝后的貨車貨廂與越野車有接觸，故可直接忽略貨車車身模型，僅用貨廂以及改裝后的貨廂模型代替發生碰撞的貨車。

3) 根據事發時貨車貨廂數據建立改裝后的貨廂模型。同時根據事故車輛信息找到未改裝的同型號貨車的貨廂數據，根據該數據建立未改裝的貨車貨廂模型。

4) 事發時越野車內飾對本次事故無影響，故省略了整車內飾。

5) 本次事故無須對人員傷亡進行研究，因此碰撞過程中未加入駕駛員及乘員進行碰撞仿真。

在建模過程中，使用CATIA V5 R17作為貨車車底板結構工藝數據建模軟件，應用Hypermesh 9.0作為有限元分析的前處理軟件，將LS-DYNA作為碰撞過程的計算求解軟件，采用Hyperview和LS-PrePost作為后處理結果查看工具。

3.3.2 模型的導入

運用CATIA軟件建立該改裝貨車貨廂和未改裝貨車貨廂的模型，模型建好后導出IGES格式文件，之后導入到Hypermesh中進行碰撞模型的搭建。

3.3.3 初始條件的設置

根據事發時采集的事故現場痕跡，并根據提供的資料分析計算，將事發時貨車設為靜止，越野車碰撞時速度設為60 km/h，碰撞時兩者夾角為45°。貨車車廂底部距離地面高度設為130 cm，與越野車后視鏡上部位置齊平。

根據現場數據勘查，貨廂底板未發生變形，故在本次計算分析過程中可將其看成剛性體。根據貨廂底板的材質，彈性模量E為217 000 MPa，泊松比為0.26，屈服強度σs為355 MPa。

在仿真碰撞分析前需要進行仿真相關參數的確定，例如碰撞時間以及計算時間步長等。參數設置完畢后，將Hypermesh中設置完成的模型文件輸出為K文件，并將輸出的K文件在LS-DYNA中進行求解計算。

3.3.4 輸出K文件

在完成所有模型的建立和參數的設置后，要進行相應功能的控制卡片的輸出，其中需要設置的控制卡片有：終止時間卡片、CPU時間卡片、時間步長卡片、能量控制卡片、接觸定義卡片、殼單元卡片、剛體卡片、沙漏控制卡片、ASCII輸出卡片以及二進制結果文件輸出控制卡片。完成控制卡片建立后，輸出所需的K文件。

4 仿真實驗

將建立好的車輛模型和貨車底板模型導入Hypermesh中，搭建好的模型如圖5所示，并進行碰撞仿真實驗。經過LS-DYNA計算得到后處理文件，導入Hyperview中對其碰撞仿真結果進行后處理分析，并得到車輛最大侵入量云圖、應力應變云圖。

圖5 碰撞仿真模型及擺放示例

結果顯示：以相同的速度碰撞相同的位置，兩次碰撞均使越野車A柱折斷、B柱變形嚴重、擋風玻璃破損、左前側車門變形，但變形量存在差異，如圖6所示。

根據仿真實驗結果得出最大侵入量云圖，如圖7所示。由圖7可知：改裝后的貨車車板撞擊越野車產生的最大侵入量為1.579×103mm，原始貨廂撞擊越野車產生的最大侵入量為1.567×103mm，貨車改裝后碰撞越野車造成越野車最大侵入量較改裝前增大。

圖6 兩組仿真中越野車變形情況

圖7 越野車最大侵入量(顏色深淺代表最大侵入量大小)

根據仿真實驗結果得出應力應變量，如圖8所示。由圖8可知：改裝后的貨車車板撞擊越野車產生的最大應力為7.207×102MPa，未改裝貨車貨廂撞擊越野車產生的最大應力為 6.998×102MPa，貨車改裝后碰撞越野車造成越野車最大應力較改裝前增加。

圖8 越野車應力應變量(顏色深淺代表應力應變量大小)

根據仿真結果可知：改裝貨車與越野車碰撞仿真結果與本次交通事故變形情況基本一致。比較貨車改裝前后的仿真結果可知：在相同邊界條件下，越野車與改裝貨車接觸的應力及最大侵入量更大，即最大侵入量由由1.567×103mm變為1.579×103mm，最大應力由 6.998×102MPa變為7.207×102MPa，因此貨車改裝后與越野車碰撞接觸危險程度增加，兩車的相容性變差。

5 結束語

本文根據實際的交通事故案例，對某改裝貨車和越野車在發生交通事故后的碰撞相容性進行了研究，結果表明：

1) 在相同碰撞條件下，當改裝貨車的貨廂取消后，改裝貨車與其他車輛接觸時的受力面積變小，應力更為集中，同時最大侵入量增大。

2) 因貨車和越野車之間本身的質量相容性和結構剛度相容性存在差異，越野車處于劣勢。經過改裝后貨車車身幾何外形發生改變，使其車身幾何外形相容性也隨之發生改變，導致車輛相容性變差。因此，貨車進行此類型改裝加重了與越野車碰撞時越野車在質量相容性和結構剛度相容性方面的劣勢，致使碰撞后越野車車內乘員生存空間更小，車內乘員受傷風險增大，將會給車內乘員造成更為嚴重的危害。

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