翻滾安全性研究方法綜述

彭湃，王軍評，張軍

（中國工程物理研究院總體工程研究所，四川 綿陽 621900）

汽車行駛過程中，可能發生各種意外碰撞事故， 其中翻滾事故的比例不高，但是造成的后果相比其他事故更為嚴重。據統計，在澳大利亞及歐洲，每年因翻滾事故導致的死亡人數在20%以上[1-2]。美國每年翻滾事故比例不到3%，但死亡人數卻達到33%[3]，經濟損失超過500 億美元[4-5]。在我國，以2013年為例，共發生單車翻滾事故5910起，占交通事故總數的2.98%，由此導致3851人死亡，占死亡總數的6.58%[6]。翻滾事故不僅會造成嚴重的人員傷亡，還可能會造成其他嚴重的后果與社會影響。比如對于武器裝備、發射性物質等專用物品的運輸車輛（一般為中大型運輸車），若發生了翻滾事故，可能還會造成化爆反應、發射性污染等嚴重的安全事故。因此，有必要開展翻滾事故場景下的安全性研究。其研究目的主要有2個：評估翻滾事故下車載人員的安全性，為乘客安全性設計的改進與優化提供支撐；評估翻滾事故下車載專用物品的安全性，為專用運輸車輛的結構強度改進，以及武器裝備、放射性物品及其運輸容器的抗沖擊防護優化提供支撐。

汽車翻滾事故與其他碰撞事故相比，具有明顯的不同。首先，翻滾事故的類型多樣，成因復雜，與地形地貌、氣候環境、道路交通結構要素（如路緣、坡地、護欄等）、汽車行駛狀態（車速、行駛角度）等息息相關。其次，翻滾運動過程復雜，汽車的碰撞位置、姿態及碰撞物不確定性大。這給預測與復現汽車的翻滾運動帶來了很大的挑戰，很難用較少的試驗方法對各種翻滾事故場景與事故特征進行完全覆蓋與復現。文中將從翻滾事故場景的基本特征、翻滾試驗技術與方法、數值模擬仿真技術等方面介紹目前國內外翻滾安全性的發展現狀，并提出未來該研究領域需解決的問題與發展方向。

1 翻滾事故場景的特征

1.1 翻滾事故的分類及定義

翻滾是指汽車繞其縱軸或橫軸旋轉90°或90°以上的運動[7-8]。美國事故樣本觀察-碰撞數據系統（NASS-CDS）自20世紀末以來，在統計分析了大量翻滾事故與復現試驗的基礎上，從翻滾事故成因的角度來定義各種翻滾事故類型，詳見表1[9-11]。

表1 翻滾事故類型的定義及所占比例Tab.1 The definition and percentage of various rollover accidents

根據美國的統計結果，絕大部分翻滾事故都是汽車繞自身縱軸旋轉的翻滾。無論對于普通乘用車還是輕型貨車，絆翻是所有翻滾事故中概率最大的翻滾形式，比例超過50%。德國深度事故調查機構（GIDAS）的統計數據也顯示，絆翻事故概率最大，超過60%[8]，其次為拋翻、墜翻事故。可見，絆翻、拋翻、墜翻這3種事故類型的研究是翻滾安全性研究的重點。

1.2 翻滾事故特征統計結果

美國、歐洲等國家基于多年的汽車翻滾事故數據庫分析，得出了一些共性的較為普遍的結論如下[12-13]：絆翻是概率最高的一種翻滾事故；75%以上的翻滾事故為單車事故；車頂與地面的碰撞對乘員造成的傷害最大；接近90%的翻滾事故中，車輛翻滾90°不多于5次（車頂與地面碰撞次數為1），接近99%翻滾事故中，車輛翻滾90°不多于9次（車頂與地面碰撞次數為2），統計數據如圖1所示。

圖1 車輛翻滾90°次數累計概率統計Fig.1 Cumulative probability statistics of the number of 90°rollover

與歐美發達國家相比，我國車輛類型構成比例（如我國的大型客車、卡車比例較高）、公路等級、道路條件、地形等都有較大區別，因此造成的翻滾事故特征更具中國特色。根據我國公安部《中華人民共和國道路交通事故統計年報》數據[6]及文獻[8,14-16]中的分析結果，可得出我國汽車翻滾事故的一些共性特征。

首先，翻滾事故主要以單車事故為主，其誘因與道路交通狀況密切相關。翻滾事故主要發生在二級以下公路上，這些道路條件較差（僅雙車道或單車道、彎道多）、防護設施較少、交通標志不明顯。高速公路、一級公路雖然發生概率相對較低，但由于車速較快，其翻滾事故死亡率較高。發生在平直道路上的翻滾事故遠高于彎道及坡道。

其次，汽車翻滾事故與路邊安全設施（如護欄、路緣、邊坡等）有密切關系。例如，導致絆翻的主要原因是汽車與路緣的碰撞，或駛入邊坡，發生軟地面絆翻；導致拋翻的主要原因是護欄和路溝背坡；導致墜翻的主要原因是汽車駛入坡度較大、高度較高的邊坡。

第三，發生概率最大的集中翻滾事故類型是絆翻、拋翻、墜翻。其中絆翻發生的概率最高，但墜翻（邊坡翻滾、墜河、墜崖、墜橋等）造成的后果最嚴重。

2 翻滾試驗方法發展現狀

為了進一步研究車輛及車載人員在翻滾事故場景下的動力學特征，提升翻滾事故下的安全性，自20世紀30年代以來，各國就已開展了復現翻滾事故的試驗方法研究。通用汽車公司曾將汽車從小山坡頂端推翻下去，這是最早的汽車翻滾試驗[17]。此后，各種各樣的翻滾試驗方法不斷涌現，經多年的發展與改進，具有較大代表性的翻滾試驗方法介紹如下。

2.1 車頂試驗（美國FMVSS 216法規）

車頂試驗的標準要求：總質量2.7 t以下的車輛，在車頂梁處施加1.5倍汽車質量的載荷，車頂變形量不大于5 mm[18]。2010年對該法規進行了改進，適用范圍擴展到4.5 t以下的車輛，施加載荷提升至2.5倍汽車質量。但是該方法只反映了車頂的靜態承載能力，與翻滾時車頂與地面碰撞的動態過程差別較遠。

2.2 臺車翻滾試驗（美國FMVSS 208法規）

FMVSS 208臺車翻滾試驗（如圖2所示）是由SAE J2114臺車試驗發展而來，它的臺車斜角為23°，臺車與試驗車運動速度為48 km/h。臺車在短距離內制動，制動加速度為20g，持續時間為40 ms[19]。

圖2 FMVSS 208翻滾試驗方法Fig.2 FMVSS 208 rollover test method

該方法的缺點是臺車制動加速度波形難以控制，重復性差。此外，研究表明，該試驗方法與翻滾事故的關聯性差，因此未作為強制執行的法規[21]。但是，由于該試驗方法建立時間較長，其試驗結果可用于改進相關的數值仿真模型，驗證汽車的車頂強度，目前仍被很多廠商與科研機構采用。比如近年來，沃爾沃XC60、寶馬X6、長安逸動、哈弗H6、國外專用救護車等均采用了該方法開展翻滾驗證試驗。

2.3 螺旋翻滾試驗（Corkscrew）

螺旋翻滾試驗（如圖3所示）用于復現汽車沖上背坡或護欄等坡狀物結構導致的翻滾事故，被稱為Corkscrew試驗。試驗斜坡：一種是普通斜坡（坡度為8°、高度為861 mm），另一種是階梯斜坡（第一級坡度為8°，高度為700 mm；第二級坡度為21°、全高1150 mm）。試驗車速為70~80 km/h，試驗車一側沿斜坡快速爬升，從而產生繞縱軸的翻滾，并車頂觸地[21]。近年來，寶馬7系、長安逸動、領克06等均采用了該方法開展了翻滾驗證試驗。

2.4 車輛絆翻試驗

路緣絆翻試驗（Curb-Trip）是用來復現汽車與路緣碰撞導致的絆翻事故（據統計，超過50%的翻滾事故是汽車與路緣的碰撞，或駛入邊坡發生軟地面造成的絆翻事故）。試驗時試驗車與臺車一起橫向運動，速度為42 km/h。臺車制動后，試驗車輪胎與模擬路緣（路緣高度為152 mm）碰撞發生絆翻，如圖4所示。

圖3 螺旋翻滾試驗方法Fig.3 Corkscrew rollover test method

圖4 路緣絆翻試驗方法Fig.4 Curb-Trip rollover test method

另一種絆翻試驗方法是沙地翻滾試驗（Soil-Trip），用于模擬汽車從硬質路面倒向軟質地面發生的絆翻事故（據統計，該種翻滾形式占所有絆翻事故的90%）。試驗方式與路緣絆翻類似，速度為42 km/h，臺車制動后，試驗車直接沖向模擬沙床，由于輪胎與沙床摩擦而導致翻滾，如圖5所示。

2.5 邊坡翻滾試驗（Embankment）

圖5 沙地翻滾試驗方法Fig.5 Soil-Trip rollover test method

圖6 邊坡翻滾試驗方法Fig.6 Embankment rollover test method

邊坡翻滾試驗（圖6）用來復現汽車駛入邊坡，發生墜翻的事故場景。試驗中，邊坡高度至少為2 m、坡度為30°~50°、長度為11 m，汽車行駛速度為16~24 km/h，行駛方向與邊坡的角度為18°。試驗中邊坡的坡度、駛入角度、車速等參數均可適當調整，以使試驗車發生側向翻滾。

2.6 ECE R66客車翻滾測試

該試驗方法用于評估超過22人的大客車的側翻安全性，是目前歐洲要求強制實施的法規。我國參考該法規頒布了GB 17578—2013《客車上部結構強度要求及試驗方法》。ECE R66法規從醞釀到最終頒布，歐洲專家經歷了大致3個階段的摸索，如圖7所示[22]。他們先后開展了3個階段的驗證試驗：由最初9 m高度的2級斜坡平臺試驗，到后來的5.5 m高度斜坡平臺試驗，再到最終的0.8 m無斜坡平臺試驗。試驗結果證明，第3種試驗方式最嚴酷，造成客車受損最嚴重的地方都在客車頂部。

圖7 ECE R66客車側翻試驗方法Fig.7 ECE R66 rollover test method for buses

3 翻滾試驗與事故場景的關聯性

目前的翻滾試驗方法種類繁多，但尚未形成統一的試驗考核標準或法規。為了進一步提高研究效率，減少試驗種類，就必須開展翻滾試驗與翻滾事故場景的關聯性研究，即翻滾試驗條件是否能覆蓋或包絡相應的翻滾事故場景，以及試驗中的運動學特征與動態響應與真實事故是否類似。

國外研究團隊在研究了美國、英國、澳大利亞、德國的交通事故后，對各種事故所占比例及各種試驗方法對實際事故的代表性做了分析，結論如下[8]：沙地翻滾試驗（Soil-Trip）代表了乘用車91%（輕卡93%）的絆翻事故和乘用車100%（輕卡100%）的轉翻事故，也即乘用車56.9%（輕卡57.3%）的翻滾事故；路緣絆翻試驗（Curb-Trip）代表了乘用車8%（輕卡6%）的絆翻事故和乘用車35%（輕卡31%）的彈翻事故，也即乘用車7.5%（輕卡5.5%）的翻滾事故；螺旋翻滾試驗（Corkscrew）代表了乘用車83%（輕卡74%）的拋翻事故，也即乘用車9.6%（輕卡5.4%）的翻滾事故；邊坡翻滾試驗（Embankment）代表了乘用車100%（輕卡100%）的墜翻事故，也即乘用車12.9%（輕卡15.4%）的翻滾事故；FMVSS 208臺車翻滾試驗僅代表了不到1%的翻滾事故。

由此可見，根據國外的統計研究結果，絆翻試驗方法（包括路緣絆翻試驗與沙地翻滾試驗）、螺旋翻滾試驗方法、邊坡翻滾試驗方法代表了乘用車及輕卡80%以上的翻滾事故，因此這幾種試驗方法是最具代表性，與翻滾事故場景關聯性最高的翻滾試驗方法。

國內謝伯元等人[8,14]研究了我國道路交通狀況與汽車翻滾事故的主要特征，并結合我國的實際情況，提出了更適用于我國的翻滾試驗方法及加載參數設置。

1）地面絆翻事故主要發生在二級、三級公路上，一般最大車速為80 km/h。根據我國翻滾事故統計數據顯示，事故碰撞角度最大為33.8°、最小為4.2°。絆翻試驗中，42 km/h的橫向速度可以代表汽車在80 km/h、以車道線成32°沖出公路的情況，該試驗方法基本能夠覆蓋此類翻滾事故。

2）路緣絆翻事故主要是由于路緣石引起的，多發生在城市公路與等級公路上，而我國城市道路路緣以150 mm最常見，等級公路常設置為120 mm。因此橫向42 km/h的速度、150 mm以上的路緣高度基本可以覆蓋此類翻滾事故。

3）螺旋翻滾事故主要源于汽車沖上護欄結構或者路溝背坡。基于我國目前的護欄現狀，斜坡高度應大于800 mm，角度應大于15.1°，因此階梯斜坡的試驗方式更適合我國的實際情況。

4）邊坡墜翻事故主要發生在沒有護欄防護的邊坡路段。我國二級以上公路中不設置護欄的條件為：邊坡坡度1:1（45°）以上，路堤高度2.5 m以下；邊坡坡度1:2（26.6°）、路堤高度4.5m以下。因此考慮我國的實際，邊坡試驗時，坡度應設置為至少45°，坡高不小于2.5 m。

4 數值模擬發展現狀

除了采用實驗室復現的方式開展翻滾安全性研究以外，隨著計算機技術的發展，數值模擬逐漸成為研究翻滾安全性的重要手段。目前，數值仿真模型主要分為2種類型，多剛體模型及有限元模型。

多剛體模型主要采用ADAMS、MADYMO等多體動力學軟件，重建三維翻滾事故的運動場景，以獲得翻滾過程相關動力學參數的變化特征。例如，西門子公司曾同時采用ADAMS、MADYMO對路肩絆翻、沙地絆翻、螺旋翻滾、邊坡翻滾試驗進行了研究，預測了汽車翻滾的運動狀況[23]。McCoy等人[24]運用MADYMO建立了汽車翻滾多剛體模型，模擬了車輛絆翻試驗、螺旋翻滾試驗和魚鉤翻滾試驗，仿真結果和試驗吻合較好。但是，多剛體模型無法準確模擬翻滾碰撞過程中的結構變形與響應，只適用于定性分析，因而對翻滾安全性評估的支撐有限。

有限元模型主要是采用以LS-DYNA為代表的非線性有限元分析軟件，來獲取翻滾碰撞過程中車體結構、車載人員或產品的變形與動態響應情況。例如，有文獻中關于絆翻試驗中假人動態響應的研究[25]，以及翻滾碰撞初始參數對車體和乘員動態響應的影響研究等[26-29]。但是，翻滾事故全過程的持續時間較長，由于計算規模的限制，為了保證計算精度，有限元模型一般僅用于分析車輛與地面碰撞接觸這一短時間內車體結構的變形與響應情況。

目前依靠單個數值模型，無法既保證計算精確度，同時實現對翻滾過程運動學特征、結構變形和動態響應等結果在內的全過程模擬。因此，目前的趨勢是采用多剛體模型與有限元模型耦合、聯合仿真技術，即采用多剛體模型重現翻滾事故，獲得翻滾碰撞時刻的初始運動狀態參數，然后以此作為有限元模型的邊界條件，計算得出該狀態下的結構變形與動態響應。例如，Parent[26-27]、Yan[28]、Jiang[29]等人均采用MADYMO與LS-DYNA聯合的仿真方式，來研究翻滾過程中車輛結構的動態響應及乘員頭部的損傷機理，以及不同初始碰撞參數的影響分析。

5 結語

通過大量文獻的調研可知，目前國內外對于翻滾事故的成因與場景特征有了一些關鍵性認識，且經歷多年的發展，形成了與各種翻滾事故類型所對應的翻滾事故室驗室模擬方法，數值模擬技術也取得了較大的進步。這些成果都為翻滾碰撞安全性研究的發展起到很大的推動作用，但仍有很多的不足。

首先，缺乏科學嚴謹的翻滾事故統計數據。國外目前對于翻滾事故數據統計與分析對象具有局限性，主要針對乘用車與輕卡，未尚涉及到中大型運輸車輛。國內目前對翻滾事故的定義、分類則與國外有較大區別，對于翻滾事故的樣本采集也遠遠不夠，事故分析結果千差萬別。

其次，缺乏翻滾試驗方法與事故場景相關性的科學評價機制。目前，對于翻滾試驗方法與事故場景的關聯性分析不足，很多結論來源于簡單的主觀分析與經驗，理論基礎匱乏。這直接影響了翻滾試驗方法及相關加載參數選擇的合理性，也可能是目前尚無針對整車動態翻滾試驗強制性法規的原因之一。此外，數值模擬能力仍不足。數值模型過于簡化，精細化程度不高，對翻滾全過程的仿真能力有限，對于翻滾碰撞過程中損傷機理的研究不夠深入。

未來，需進一步針對我國的實際情況，建立更詳細完整的翻滾事故數據庫，更加深入地開展數據分析，以獲得適用于我國的更為準確的翻滾事故場景特征。其次，需建立翻滾試驗方法與事故場景相關性的科學評價機制，形成科學有效的翻滾試驗方法與規范。數值模擬方面，需以多剛體模型與有限元模型耦合為基本思路，建立更精細化的數值仿真模型，提高計算效率，實現翻滾全過程的精確仿真能力。