重型貨車后下部防護裝置碰撞仿真試驗研究

馮文濤,馮詩源

(1.鐵嶺師范高等專科學校 對外交流合作處,遼寧 鐵嶺 112601;2.吉林大學 交通學院,吉林 長春 130025)

后下部防護裝置是指由橫向構件和連接結構件組成,并且固定在底盤部件上或車輛其他結構件上的裝置[1].有研究表明,小型轎車追尾重型貨車所造成的傷亡人數(shù)約占所有交通事故傷亡人數(shù)的3/5[2],而具備有效緩沖吸能作用的后下部防護裝置可將追尾事故中司乘人員的死亡率降低至10%[3].國內外專家學者主要運用計算機仿真模擬對后下部防護裝置的碰撞安全性能進行研究.Balta等通過改變其構造,對有限元模型進行優(yōu)化,從多方面考慮選擇了最佳方案[4];Ruecker等基于實車碰撞試驗的基礎上指出,當前標準中對后下部防護裝置橫向構件下邊緣距地高度的要求不能有效緩沖吸能并防止小型轎車發(fā)生鉆入碰撞,并對當前的標準提出一些修改意見[5];朱西產等構建了移動可變形壁障,分析了后下部防護裝置距地高度與材料剛度對防止鉆入的影響[6];尹巖等通過對比中美兩國標準發(fā)現(xiàn)了我國標準的一些不足,并提出了適當?shù)慕ㄗh[7].目前的研究更多關注在防護范圍上,而忽視了防護裝置結構和選材的研究.因此,調查現(xiàn)有貨車后下部防護裝置的安裝現(xiàn)狀與結構形式,模擬仿真其碰撞過程,找出存在的不足,并在此基礎上提出改進意見,對提升公路交通被動安全具有重要意義.

1 貨車后下部防護裝置的技術要求

GB 11567-2017《汽車及掛車側面和后下部防護要求》[1](以下簡稱《要求》)對4種類型車輛的后下部防護要求進行了明文規(guī)定,并在附錄B、C中介紹了靜態(tài)加載與追尾碰撞兩種檢測防護裝置性能的試驗要求.其中,移動壁障追尾碰撞試驗使用移動壁障撞擊重型貨車后下部防護裝置,檢驗其阻擋及緩沖吸能效果.

《要求》中對移動壁障的質量、表面強度以及尺寸參數(shù)作出了明確的規(guī)定,并且要求其碰撞面應覆蓋20 mm厚的優(yōu)質膠合板,碰撞瞬時速度應在30～32 km/h范圍內.如果試驗在更高的速度下進行,后下部防護裝置仍能滿足國家標準要求,也視其性能為優(yōu)良.試驗結果滿足下述要求其技術性能即視為合格:

(1)防護裝置可以變形或開裂但不能整體脫落;

(2)防護裝置應能吸收碰撞產生的能量并緩和碰撞造成的沖擊,且移動壁障的減速度不得大于40g(392 m/s2),反彈速度小于2 m/s;

(3)碰撞后防護裝置的后部與車輛最后端的縱向水平距離不大于400 mm.

2 后下部防護裝置仿真模型構建

2.1 幾何模型構建

根據(jù)《要求》的規(guī)定,利用Solid Works軟件建立幾何模型,并將橫向構件的截面高度分別設為120 mm與140 mm.該幾何模型由固定壁障、半掛車車架后部、后下部防護裝置以及移動壁障所組成,且移動壁障為剛性結構并于前端覆蓋一層厚度為20 mm的優(yōu)質膠合板.碰撞接觸過程中,由于只有移動壁障前端與后下部防護裝置的橫向構件發(fā)生碰撞接觸,故可以忽略車架之間的連接并略去了一些孔及其他部件的建立.

2.2 有限元模型

所建有限元模型如圖1所示.將其固定壁障、車架后部、防護裝置以及移動壁障進行網格劃分,兩者分別有26 726、27 196個節(jié)點,兩者分別包含24 726、25 196個殼單元和2 000個實體單元.

3 后下部防護裝置碰撞性能分析

根據(jù)《要求》,將后下部防護裝置的下邊緣距地高度設為500 mm,移動壁障下邊緣距地高度設為240 mm.移動壁障沿-Y方向運動且不設置任一方向的運動偏離,運動速度為-32 km/h(-8888.89 mm/s).所以,在碰撞接觸后只計算移動壁障在Y方向的反彈速度、碰撞加速度和固定壁障的形變位移.由仿真結果可知,碰撞過程中橫向構件兩側邊緣形變最嚴重,故選取該節(jié)點作為后下部防護裝置最大位移參考點(見圖2).

仿真結果與附錄C的要求進行對比,結果如表1所示.

表1 后下部防護裝置仿真數(shù)據(jù)與國標要求對比

移動壁障與120 mm橫向構件碰撞過程運動速度曲線如圖3(見54頁)所示.由圖3可知,由120 mm橫向構件搭建的防護裝置無法阻擋移動壁障鉆入.移動壁障與140 mm橫向構件碰撞過程運動速度曲線如圖4(見54頁)所示.從圖4可知,140 mm橫向構件由于其與移動壁障的有效接觸面積增大,以及橫向構件本身材料剛度的影響,0.074 s時橫向構件發(fā)生回彈可將移動壁障排出大型貨車車架后下部.以上結果可以說明,當橫向構件截面高度大于140 mm時該后下部防護裝置可以滿足國標要求,通夠有效緩沖吸能,阻止鉆入碰撞.

4 結論

根據(jù)《要求》對某品牌重型倉柵式半掛車后下部防護裝置進行建模及有限元分析,分別選用國家標準規(guī)定的120 mm和半掛車自身配備的140 mm截面高度作為其橫向構件建模依據(jù).經過仿真模擬得出,選用120 mm橫向構件的后下部防護裝置無法有效阻擋移動壁障發(fā)生鉆入碰撞,140 mm橫向構件的防護裝置可以有效阻擋車輛發(fā)生鉆入.研究表明,適當增加橫向構件的寬度能夠使車輛在發(fā)生追尾碰撞的過程中增大有效碰撞接觸面積,避免追尾車輛進一步發(fā)生鉆入.