轎車完全重疊追尾貨車碰撞相容性研究

李測測，甘泉源

(沈陽航空航天大學安全工程學院，遼寧沈陽 110136)

0 引言

汽車交通安全一直是公共安全問題中的重要部分，也越來越受到人們的關注。汽車碰撞安全性包括主動安全性和被動安全性：前者主要是指車輛在未出現事故時，預防事故出現的能力；后者是指不可避免的交通事故發生時，汽車通過車身吸能結構和車內保護系統來有效地保護乘客，避免發生傷害或者降低傷害的能力。碰撞相容性屬于被動安全性的范疇，主要研究在碰撞中如何保護乘員的安全[1]。

在這類事故中轎車乘員相對于貨車乘員有較高的死亡率，是由于車輛之間具有不同的碰撞相容性造成的。碰撞相容性的不同主要取決于車輛自身的特性、車身質量、防護裝置剛度和外形，這是影響車輛追尾碰撞相容性的重要因素[2-3]。

文獻[4]中提出采用轎車方向盤的侵入量和侵入速度作為衡量指標。而轎車方向盤內的安全氣囊是對乘員頭部與頸部的主要保護，故僅以方向盤侵入量和侵入速度為評價指標，易忽略安全氣囊的剛度和起爆等一系列安全性問題。

文獻[5]中將貨車與轎車之間的質量比M作為變化量進行了相容性分析。當質量比大于等于7∶1時加速度不再增加。

文中以碰撞相容性影響因素為研究對象，考慮貨車后下部防護裝置的離地高度和剛度，并以貨車后下部防護裝置和轎車前壁擋板侵入量、轎車侵入速度和B柱加速度變化為評價指標對轎車和貨車的相容性進行研究。

1 理論分析

1.1 碰撞相容性概述

汽車碰撞的相容性可以理解為：在車對車(特別是不同類型的車輛之間)碰撞的交通事故中，汽車不僅要能保護自己車內乘員的安全，也必須考慮對方車內乘員的安全，使碰撞中雙方車輛上的乘員得到相同的安全保護水平，達到整個碰撞事故中人員和財產損失的最小化。相反，如果車輛在碰撞中能夠非常好地保護自己車內的乘員，但卻具有明顯的攻擊性，給對方車內乘員造成了很大的傷害，使碰撞中雙方乘員的傷害危險不同，造成整個碰撞事故的損失并未最小化，它的相容性就不好，也即汽車碰撞的不相容，這種情況應該盡量避免。

1.2 碰撞相容性影響因素

碰撞相容性通常與3個影響因素相關，即質量、結構剛度和車身幾何外形。質量是占主導因素的，質量不等的車輛之間發生碰撞時，質量小的車會處于非常不利的地位，碰撞中對方車輛質量越大，我方車輛乘員受到的傷害就越大。

結構剛度相容性對于追尾碰撞相容性來說主要是指貨車后下部防護裝置與轎車前端結構剛度的相容性問題。載貨汽車后下部防護裝置是提高載貨汽車的被動安全性主要措施之一。

假設車輛前部的剛度恒定為k，撞擊動能為E，質量為m，碰撞時的速度為v0，碰撞時的動態變形量為X，則有如下關系：

(1)

(2)

從上式可以看出：車輛碰撞速度一定時，車輛的前部變形量與其剛度呈反比[6]。

車身幾何外形相容性對于追尾碰撞相容性來說主要是指貨車后部離地間隙(高度)與轎車前端高度[7]。

作者著重從結構剛度相容性和車身幾何外形相容性來分析考慮。

2 仿真分析

2.1 轎車追尾貨車的碰撞仿真分析

以B柱加速度和轎車前壁板內侵塌陷量為評價指標來對轎車100%重疊追尾貨車碰撞相容性進行研究。

通過對轎車和貨車模型進行相對位置調整、約束和接觸設置等碰撞條件的初始化設置，最終搭建了轎車100%重疊追尾貨車的碰撞仿真模型。以下是建立的追尾碰撞模型圖，如圖1所示。

圖1 基礎模型圖

當質量比大于等于7∶1時加速度不再增加[5]，所以在轎車質量為1 100 kg的基礎上，給貨車配重為7 800 kg。為了分析出轎車追尾貨車碰撞過程中轎車的受損情況，在轎車的B柱下端和前端引擎蓋下建立加速度傳感器作為測量點。

美國公路安全保險協會(IIHS)在轎車追尾貨車實車試驗中采用的碰撞測試速度為56 km/h，根據這一經驗，并在減小試驗和計算工作量的情況下，以貨車后下部防護裝置厚度C和離地高度H為因素，間隔設置水平數為3，從而得到轎車追尾貨車的9個仿真模型，進行9個仿真試驗。試驗設計表格見表1。

表1 試驗設計模型表 mm

2.2 貨車后防護離地高度對碰撞相容性的影響

2.2.1 轎車B柱下端加速度變化

從圖2加速度變化可以看出：隨著高度的增加，加速度最大值逐漸降低，其原因是碰撞剛開始時的接觸面積減少，給轎車留有很大的緩沖空間。在碰撞過程的前20 ms內均出現一個加速度波峰，這是由于轎車的前保險杠與貨車后下部防護裝置的橫梁碰撞導致的。圖2中B柱下端加速度曲線峰值雖均未超過法規要求的40g，但是高度在460 mm時，轎車插入過程中的加速度最大值并不是轎車前保險杠與貨車后防護的接觸，即轎車前保險杠并未起到吸能的效果。從貨車后防護離地高度的角度來看，高度在大于等于460 mm時，轎車與貨車后防護的相容性較差。

圖2 貨車后防護不同離地高度下的B柱下端加速度曲線

2.2.2 貨車后防護防鉆撞效果分析

轎車前段結構的車身變形量是衡量貨車后防護防鉆能力的重要指標。通過分析不同離地高度下貨車后防護的防鉆撞效果，可以更好地研究轎車追尾貨車碰撞相容性。通過HyperView對仿真試驗結果進行后處理后，轎車前端變形量變化如圖3所示。

經過分析發現，隨著貨車后防護離地高度的增加，轎車前端車身的變形量不斷增加。在56 km/h的追尾速度下，貨車后防護離地高度為460 mm時，轎車前端車身的變形量最大，說明貨車后防護的防護效果較差；而當貨車后防護離地高度為380 mm時，轎車前端車身的變形量最小，說明轎車與貨車后防護的碰撞相容性較好。

圖3 不同離地高度下轎車前端變形量

2.2.3 轎車前壁板內侵塌陷量變化

從9組試驗轎車前壁板的應力云圖得出前壁板內侵塌陷量表如表2所示，前壁板內侵塌陷量的變化很明顯，最小值是C3H1的140.9 mm,最大值是C1H2的310.6 mm。經分析發現，在C相同的情況下，隨著H的增加雖然C1和C3兩組沒有完全符合線性增加的規律，但是在H值為380 mm時前壁板內侵塌陷量依然是最小的，說明貨車后下部防護裝置的離地高度對碰撞相容性的影響依然很大。

表2 轎車前壁板內侵塌陷量表 mm

2.3 貨車后防護厚度對碰撞相容性的影響

2.3.1 轎車B柱下端加速度變化

根據已分析出的貨車后防護離地高度對碰撞相容性的影響結果，H值為380 mm時二者碰撞相容性最好，所以應將H值為380 mm的轎車B柱下端加速度曲線作為主要的分析目標，如圖4所示。

圖4 貨車后防護裝置不同厚度下的B柱下端加速度曲線

經分析發現：3條加速度曲線在碰撞前20 ms內均出現一個加速度波峰，且在3 mm厚度情況下波峰峰值明顯低于6 mm和9 mm的情況，說明3 mm厚度時的后防護裝置沒能較好地阻止轎車入侵。因此，在碰撞過程中，隨著后防護欄材料厚度的增加，對后車的阻擋作用越明顯，即防止后車鉆入前車的效果越明顯，二者碰撞相容性越好。

2.3.2 貨車后防護防鉆撞效果分析

將H值為380 mm的轎車前端變形量為主要分析目標，從圖3轎車前端變形量中提取不同厚度的變形量，如表3所示，從而觀察不同厚度下的轎車前端變形量的變化情況。

表3 轎車前端變形量表 mm

經過分析發現：隨著貨車后防護裝置厚度的增加，轎車前端車身的變形量不斷減小，說明在碰撞過程中，隨著貨車后防護材料厚度的增加，對轎車的阻擋作用越明顯，即二者碰撞相容性越好。

2.3.3 轎車前壁板內侵塌陷量變化

從表2中可以發現：在H相同的情況下，隨著貨車后下部防護裝置厚度C的增加，前壁板內侵塌陷量逐漸減小，說明貨車后下部防護裝置與轎車的碰撞相容性較好。

3 結論

(1)研究的追尾碰撞相容性跟正面碰撞相容性有所區別，正面碰撞相容性需要降低貨車前端剛度，而追尾碰撞相容性則是要提高貨車后防護剛度。

(2)根據碰撞相容性的影響因素，提出將轎車前壁擋板侵入量作為衡量指標之一，將貨車后防護裝置離地高度和厚度設為關鍵因素，研究了以貨車后防護離地高度、厚度為度量的轎車追尾貨車碰撞相容性問題，并得到較理想的數值分析結果。

(3)文中所得結果可應用于其他類型追尾碰撞的事故分析，為貨車后防護的結構設計和優化提供了一定的基礎。

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