危險(xiǎn)品運(yùn)輸罐車(chē)吸能式后下部防護(hù)裝置研究

張建坤，李 充，陳 光，王金剛

（1.河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津300130；2.中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心有限公司，天津300300）

1 引言

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和道路運(yùn)輸事業(yè)的飛速發(fā)展，各行業(yè)對(duì)于液態(tài)危險(xiǎn)化學(xué)品的需求量日益增加，隨之而來(lái)的是液態(tài)危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸事故。危險(xiǎn)貨物道路運(yùn)輸發(fā)生的事故占危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸事故比例高達(dá)30%［1］，位居首位。近年來(lái)，罐式危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸車(chē)輛（以下簡(jiǎn)稱(chēng)＂罐車(chē)＂）被追尾引發(fā)的二次特重大交通事故，給國(guó)家和人民群眾生命財(cái)產(chǎn)造成重大損失，成為道路運(yùn)輸管理面臨的突出問(wèn)題，引起了行業(yè)管理部門(mén)的高度重視和社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。

在罐車(chē)與轎車(chē)的碰撞事故中，轎車(chē)鉆入罐車(chē)下部是十分可怕的死亡交通事故形態(tài)。前下部防護(hù)裝置、后下部防護(hù)裝置能夠有效防止鉆入碰撞事故［2］。巴西Campinas州立大學(xué)的JoséRicardo Lenzi Mariolani等設(shè)計(jì)了旋轉(zhuǎn)式后下部防護(hù)裝置和一種網(wǎng)式后下部防護(hù)裝置［3，4］；美國(guó)Concardia大學(xué)的Mahesh Balike設(shè)計(jì)了阻尼彈簧元件［5］；澳大利亞Monash大學(xué)的Roger Zou George Rechnitzer等設(shè)計(jì)了一種吸能型后下部防護(hù)裝置［6］。目前下部防護(hù)裝置研究的焦點(diǎn)聚集在防護(hù)裝置的離地高度和緩沖吸能這兩個(gè)方面。

將討論一種用于罐車(chē)的吸能式后下部防護(hù)裝置的吸能特性與離地高度，借助多次臺(tái)車(chē)碰撞試驗(yàn)數(shù)據(jù)和CAE仿真工具，分析了這種罐車(chē)后下部防護(hù)裝置的防鉆入效果和吸能量，并給出了后防護(hù)裝置與轎車(chē)前端合理的重合度，證實(shí)其具有較好的防鉆撞和吸能功能。

2 某吸能式后防護(hù)裝置動(dòng)態(tài)試驗(yàn)

某危險(xiǎn)品運(yùn)輸車(chē)吸能式后防護(hù)裝置的幾何模型和尺寸，如圖1所示。此后防護(hù)裝置重62.39kg。它由鋁合金薄板件和塑料頂罩組成，其中鋁合金薄板件組成吸能式后防護(hù)裝置的主體部分。吸能式后防護(hù)裝置包括頂罩、包裹在最外面的外圍板和內(nèi)部的4層結(jié)構(gòu)件，每層都是由支撐件與交叉板組成，支撐件與支撐件之間有鋁板相隔。支撐件和與之相鄰的隔板、支撐件和交叉板以及外圍板和隔板間所有的連接都是通過(guò)鉚釘連接在一起。

圖1 吸能式后防護(hù)裝置Fig.1 Energy-Absorbing Rear Protection Device

后防護(hù)裝置橫截面寬2200mm高600mm，汽車(chē)及掛車(chē)側(cè)面和后下部防護(hù)要求GB11567-2017中規(guī)定移動(dòng)臺(tái)車(chē)前端剛性碰撞面寬1700mm高400mm，不能完全覆蓋后防護(hù)裝置。為使臺(tái)車(chē)前端完全覆蓋后防護(hù)裝置，沖擊試驗(yàn)中采用如圖2所示臺(tái)車(chē)。此臺(tái)車(chē)重2290kg，前端碰撞面寬2400mm高800mm。臺(tái)車(chē)是由木板、鋼板和方管組成，方管主要構(gòu)成了臺(tái)車(chē)的框架。木板安裝在臺(tái)車(chē)最前部用于碰撞時(shí)增大接觸面的摩擦力，木板后有一層鋼板用于支撐其前面的木板，木板和其后的鋼板通過(guò)螺栓連接在車(chē)架上。車(chē)架由方管組成，方管與方管之間通過(guò)焊接在一起，增加配重用的鋼板通過(guò)螺栓連接在車(chē)架。試驗(yàn)時(shí)在臺(tái)車(chē)尾部安裝加速度傳感器，用來(lái)測(cè)量臺(tái)車(chē)和后防護(hù)裝置碰撞過(guò)程中的加速度變化。

圖2 后防護(hù)沖擊試驗(yàn)臺(tái)車(chē)Fig.2 RUPD Impact Test Trolley

后防護(hù)裝置通過(guò)螺栓固定在剛性墻壁上，臺(tái)車(chē)以60km/h初速度撞擊后防護(hù)裝置。由高速攝像機(jī)記錄的試驗(yàn)過(guò)程如圖3所示，在臺(tái)車(chē)與后防護(hù)裝置碰撞過(guò)程中，臺(tái)車(chē)車(chē)架未發(fā)現(xiàn)明顯變形。后防護(hù)裝置在被壓縮時(shí)頂部塑料罩先被壓潰，同時(shí)頂部塑料罩有局部的開(kāi)裂。后防護(hù)裝置在繼續(xù)被壓縮時(shí)呈現(xiàn)出由前向后分層潰縮的現(xiàn)象。

如圖3（a）在0ms時(shí)臺(tái)車(chē)與后防護(hù)裝置開(kāi)始接觸；如圖3（b）在20ms時(shí)刻后防護(hù)裝置塑料頂罩已被壓潰后部主體結(jié)構(gòu)已開(kāi)始?jí)嚎s；如圖3（c）在40ms時(shí)后防護(hù)裝置鋁合金主體部分正常潰縮；如圖3（d）在60ms時(shí)后防護(hù)裝置被壓縮到極限位置，之后由于后防護(hù)密實(shí)變形時(shí)會(huì)產(chǎn)生急劇增加的接觸反力，該階段臺(tái)車(chē)車(chē)架發(fā)生輕微變形，后輪輪胎壓縮明顯，臺(tái)車(chē)速度迅速降低為零并反彈，臺(tái)車(chē)有前后顫動(dòng)現(xiàn)象。由臺(tái)車(chē)沖擊試驗(yàn)過(guò)程可得，試驗(yàn)中的碰撞能量相對(duì)于后防護(hù)的吸能能力偏大，在試驗(yàn)的最后階段，超過(guò)了后防護(hù)的吸能能力的極限。

圖3 試驗(yàn)過(guò)程Fig.3 Experimental Procedure

3 吸能式后防護(hù)裝置動(dòng)態(tài)仿真分析

3.1 材料試驗(yàn)及建立有限元模型

為建立該后防護(hù)的臺(tái)車(chē)沖擊仿真分析模型，針對(duì)后防護(hù)裝置中用到的鋁合金和樹(shù)脂材料力學(xué)特性開(kāi)展了試驗(yàn)。材料試件如圖4所示，圖4（a）為鋁合金試件尺寸、鋁合金試件、拉伸試驗(yàn)后的鋁合金試件，圖4（b）為塑料試件尺寸、塑料試件、拉伸試驗(yàn)后的塑料試件。鋁合金試件材料尺寸參考金屬材料拉伸試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)方法ASTM E8／E8M－09中對(duì)試件尺寸的要求；塑料試件材料尺寸依據(jù)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法GB/T 1040-92中對(duì)試件尺寸的要求。通過(guò)拉伸試驗(yàn)測(cè)得兩種材料的工程應(yīng)力應(yīng)變曲線，經(jīng)過(guò)換算、擬合得到主要參數(shù):彈性模量、應(yīng)力應(yīng)變曲線，換算過(guò)程參考文獻(xiàn)［7］。

圖4 模型材料Fig.4 Material of Model

建立該吸能式后防護(hù)裝置的有限元模型。后防護(hù)主體材料為鋁合金，采用彈塑性材料模型模擬，樹(shù)脂外罩也是采用彈塑性材料模型模擬，有限元模型中不考慮臺(tái)車(chē)車(chē)架的變形，采用剛體材料模型。

采用殼單元建立后防護(hù)的鋁合金主體、樹(shù)脂外罩和臺(tái)車(chē)方管等結(jié)構(gòu)的有限元模型。實(shí)際結(jié)構(gòu)中的鉚接簡(jiǎn)化為節(jié)點(diǎn)剛體。

通過(guò)共節(jié)點(diǎn)方式簡(jiǎn)化臺(tái)車(chē)各個(gè)方管件焊接的連接關(guān)系。臺(tái)車(chē)中的螺栓連接也簡(jiǎn)化為節(jié)點(diǎn)剛體。在臺(tái)車(chē)有限元模型中建立加速度器單元，并固定在與試驗(yàn)中加速度器相同位置。基于試驗(yàn)的臺(tái)車(chē)沖擊后防護(hù)裝置碰撞仿真分析模型共有407910個(gè)節(jié)點(diǎn)395757個(gè)單元。

動(dòng)態(tài)仿真分析計(jì)算結(jié)果獲得總能量、動(dòng)能、內(nèi)能、沙漏能變化曲線，如圖5所示。總能量為318.67kJ，最大沙漏能為5.65kJ，占總能量的1.77%。所建立的動(dòng)態(tài)沖擊仿真分析模型滿足整車(chē)碰撞仿真分析中對(duì)沙漏能小于總能量5%的要求。

圖5 能量曲線Fig.5 Energy Curve

臺(tái)車(chē)沖擊過(guò)程中后防護(hù)的變形如圖6所示，對(duì)比試驗(yàn)過(guò)程，仿真分析中后防護(hù)裝置呈現(xiàn)出與試驗(yàn)相同的變形潰縮順序。在有限元分析結(jié)果中臺(tái)車(chē)沒(méi)有發(fā)生形變。

圖6 仿真過(guò)程Fig.6 Simulation Process

3.2 臺(tái)車(chē)沖擊后防護(hù)裝置仿真與試驗(yàn)對(duì)比

試驗(yàn)和仿真中測(cè)得加速度－時(shí)間曲線如圖7（a），為直觀對(duì)比臺(tái)車(chē)位移和加速度的關(guān)系將加速度－時(shí)間曲線轉(zhuǎn)化為加速度－位移曲線如圖7（b）。圖7（b）中仿真和試驗(yàn)加速度曲線在臺(tái)車(chē)前726mm位移都相對(duì)平穩(wěn)，后防護(hù)裝置穩(wěn)定變形，加速度變化真實(shí)的反應(yīng)了后防護(hù)裝置的動(dòng)態(tài)特性。仿真曲線以試驗(yàn)曲線為中心上下波動(dòng)，仿真和試驗(yàn)平均加速度誤差為3.11%；在臺(tái)車(chē)位移800mm處都出現(xiàn)了大于100g的峰值加速度。此時(shí)后防護(hù)已經(jīng)被壓密實(shí)，峰值加速度是由臺(tái)車(chē)初始能量太大撞擊到剛性墻造成的。通過(guò)以上分析仿真與試驗(yàn)基本吻合，可用此有限元模型進(jìn)行后續(xù)分析。

圖7 加速度能量變化曲線Fig.7 Acceleration Energy Curve

通過(guò)對(duì)加速度在位移域中積分再乘以臺(tái)車(chē)質(zhì)量得到試驗(yàn)與仿真臺(tái)車(chē)能量變化曲線，如圖7（c）所示。在臺(tái)車(chē)前726mm位移能量呈現(xiàn)出隨位移線性變化趨勢(shì)；仿真曲線中能量變化略低于試驗(yàn)中能量變化。吸能式后防護(hù)裝置壓縮量達(dá)到726mm時(shí)最終吸能量為199kJ。吸能式后防護(hù)裝置與常規(guī)后防護(hù)裝置相比吸能量明顯增加。

4 后防護(hù)裝置實(shí)車(chē)仿真分析

以此后防護(hù)碰撞有限元模型為基礎(chǔ)，針對(duì)轎車(chē)和SUV在沖擊后防護(hù)時(shí)碰撞特性進(jìn)一步分析。用整車(chē)模型對(duì)后防護(hù)裝置防鉆入和吸能性能進(jìn)行實(shí)車(chē)碰撞仿真分析。

4.1 后防護(hù)裝置阻擋功能和吸能性能

經(jīng)過(guò)多次仿真發(fā)現(xiàn)轎車(chē)或SUV的防撞梁、吸能盒和縱梁組成正面碰撞中主要傳力部件，它們相對(duì)后防護(hù)裝置的撞擊位置會(huì)影響后防護(hù)裝置在碰撞過(guò)程中的變形和吸能。論文以重合度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，重合度為縱梁上沿到后防護(hù)下沿的豎直距離h與后防護(hù)豎直高度H的比。選定四種不同重合度，如表1所示。并確定了轎車(chē)（Yaris）與后防護(hù)相對(duì)位置，如圖8所示。以60km/h的初速度沖擊固定于剛性墻上的后防護(hù)裝置。

圖8 后防護(hù)裝置與轎車(chē)（Yaris）縱梁相對(duì)位置Fig.8 RUPD and Relative Position of the Yaris Stringer

表1 轎車(chē)縱梁與后防護(hù)的重合度Tab.1 Degree of Coincidence of Longitudinal Member and RUPD

碰撞過(guò)程分析：

（1）重合度為17.66%時(shí)，轎車(chē)防撞梁在與后防護(hù)裝置碰撞接觸過(guò)程有明顯相對(duì)滑動(dòng)。在整個(gè)碰撞過(guò)程中轎車(chē)防撞梁與吸能盒沒(méi)有明顯變形，55ms后防撞梁滑離后防護(hù)裝置，防撞梁與吸能盒斜插入后防護(hù)裝置與地面所形成的空隙，轎車(chē)有明顯鉆入；后防護(hù)裝置壓潰不充分吸能量小，最終吸能量為64.72kJ。

（2）重合度為25.91%時(shí)，轎車(chē)防撞梁在與后防護(hù)裝置碰撞接觸過(guò)程有輕微相對(duì)滑動(dòng)，35ms吸能盒開(kāi)始發(fā)生彎折，轎車(chē)前端有輕微鉆入；后防護(hù)壓潰變形吸能量增加，最終吸能量為87.45kJ。

（3）重合度為34.16%時(shí)，轎車(chē)撞梁在與后防護(hù)裝置碰撞接觸過(guò)程中基本沒(méi)有相對(duì)滑動(dòng)，30ms吸能盒開(kāi)始發(fā)生彎折，轎車(chē)前端沒(méi)有鉆入現(xiàn)象；后防護(hù)裝置結(jié)構(gòu)壓潰充分，最終吸能量為102.70kJ。

（4）重合度為42.41%時(shí)，轎車(chē)防撞梁在與后防護(hù)裝置碰撞接觸過(guò)程中沒(méi)有相對(duì)滑動(dòng)，30ms吸能盒開(kāi)始發(fā)生彎折，轎車(chē)前端沒(méi)有鉆入現(xiàn)象；與車(chē)寬相對(duì)的后防護(hù)裝置基本被完全壓潰，后防護(hù)吸能效果好，最終吸能量為104.38kJ。

在仿真的四種重合度中，轎車(chē)沖擊后防護(hù)裝置達(dá)到最大鉆入量時(shí)，A柱和門(mén)檻基本未發(fā)生變形，很好的保證了成員艙的安全性。

碰撞過(guò)程中后防護(hù)裝置內(nèi)能變化，如圖9所示。可以看出重合度為17.66%時(shí)后防護(hù)吸能量最少，重合度為42.41%時(shí)后防護(hù)吸能量最大，隨著重合度的增加吸能量增加。在后防護(hù)重合度由17.66%上升到25.91%時(shí)吸能量增加22.73kJ；后防護(hù)重合度由25.91%上升到34.16%時(shí)吸能量增加15.25kJ；后防護(hù)重合度由34.16%上升到42.41%時(shí)吸能量增加1.68kJ。后防護(hù)裝置重合度由17.66%到34.16%變化過(guò)程中吸能量變化明顯；重合度高于34.16%時(shí)吸能量變化不明顯。由此選取34%為最佳重合度，在此重合度下不會(huì)發(fā)生鉆入，同時(shí)后防護(hù)裝置充分吸能，吸能量是常規(guī)后防護(hù)裝置的3倍。

圖9 后防護(hù)不同安裝高度時(shí)的吸能曲線Fig.9 RUPD of Energy Absorption Curves at Different Installation Heights

4.2 驗(yàn)證最佳重合度

某SUV（Rav4）以60km/h的初速度沖擊重合度為34%的后防護(hù)裝置最大壓潰量時(shí)刻，如圖10所示。在此重合度下SUV未發(fā)生鉆入，后防護(hù)裝置吸能量，如圖11所示。最終吸能量為129.63kJ，由于SUV比轎車(chē)質(zhì)量大后防護(hù)裝置被壓潰充分所以最終吸能量略高于轎車(chē)沖擊時(shí)后防護(hù)的吸能量。

圖10 SUV沖擊后防護(hù)最大壓潰量時(shí)Fig.10 SUV Impact Protection Maximum Crush Displacement

圖11 SUV沖擊后防護(hù)能量－位移曲線Fig.11 RUPD Energy-Displacement Curve of SUV Impact

重合度為34%時(shí)吸能式后防護(hù)裝置能夠防止轎車(chē)、SUV鉆入，同時(shí)吸能量是常規(guī)后防護(hù)裝置的3倍；因此為保證不同車(chē)型重合度都為34%，建議將此后防護(hù)裝置安裝于高度可自動(dòng)調(diào)節(jié)的支架上。

5 總結(jié)

建立危險(xiǎn)品運(yùn)輸罐車(chē)后下部防護(hù)裝置的三維模型，并利用此三維模型建立了該裝置的有限元模型。對(duì)此后防護(hù)裝置進(jìn)行了臺(tái)車(chē)仿真和臺(tái)車(chē)試驗(yàn)對(duì)標(biāo)，驗(yàn)證了有限元模型的有效性。分析了此后防護(hù)裝置在臺(tái)車(chē)碰撞中加速度、能量變化及最大吸能量。并應(yīng)用某轎車(chē)和SUV驗(yàn)證吸能式后防護(hù)裝置的防鉆入和緩沖吸能作用。

基于動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)和有限元計(jì)算，分析臺(tái)車(chē)加速度與后防護(hù)裝置的線性吸能特性。通過(guò)加速度平均誤差3.11%確定了此有限元模型的有效性，并可用于后續(xù)整車(chē)碰撞仿真。

分析了轎車(chē)縱梁與后防護(hù)不同重合度時(shí)對(duì)轎車(chē)防鉆入性能與吸能量大小的影響，并得出34%的最佳重合度，此時(shí)吸能量是常規(guī)后防護(hù)裝置的3倍。使用某SUV驗(yàn)證最佳重合度，得出此重合度也適用于SUV。34%重合度可用于安裝時(shí)的建議重合度，因此針對(duì)不同車(chē)型安裝高度不同，此后防護(hù)裝置可安裝在高度可自動(dòng)調(diào)節(jié)的支架上。