貨車后部吸能裝置40%偏置碰撞仿真分析

李敏，于建國(guó)

(東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)*

0 引言

由于高速公路具有全封閉、全立交等特點(diǎn)，所以其交通事故形態(tài)中不存在正面碰撞事故，而追尾事故是其主要組成形式，且由于高速公路路表狀態(tài)平直、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)高、車速快，一旦發(fā)生交通事故后果嚴(yán)重［1］.2010年，高速公路發(fā)生事故數(shù)、造成的死亡人數(shù)，同比分別上升5.2%、4%.從高速公路發(fā)生的死亡人數(shù)情況看，40.3%因尾隨相撞導(dǎo)致，21.9%為碰撞固定物或靜止車輛導(dǎo)致，側(cè)面碰撞導(dǎo)致事故死亡人數(shù)占6.7%，但同比上升13%.因此，尾隨相撞仍是高速公路追尾事故的主要事故形態(tài).

由于交通事故的發(fā)生存在隨機(jī)性和突發(fā)性，更多的交通事故是難以預(yù)防的.所以，事故發(fā)生后采取及時(shí)而有效的緊急救援措施，對(duì)于降低事故所造成的(傷亡和經(jīng)濟(jì))損失，尤其是預(yù)防第二次連鎖事故甚為重要.在這種情況下提出的貨車后部吸能裝置，主要是針對(duì)高速公路上載貨汽車行駛車速過(guò)低或出現(xiàn)事故后被迫停駛時(shí)，可通過(guò)控制裝置自動(dòng)對(duì)后續(xù)車輛起警示標(biāo)志作用，從而避免了由于人為放置標(biāo)牌所可能引發(fā)的人員傷亡.另外，如果安全距離過(guò)小導(dǎo)致兩車碰撞時(shí)，吸能裝置應(yīng)起到緩和沖擊、吸收碰撞動(dòng)能的作用.

目前常見(jiàn)的貨車后下部防護(hù)裝置多采用簡(jiǎn)單的槽鋼或圓管結(jié)構(gòu)，在發(fā)生中低速追尾碰撞時(shí)可對(duì)追尾車輛有部分阻擋保護(hù)功能，但在高速情況下就形同虛設(shè)，無(wú)法起到阻止后車鉆入碰撞的作用.因此，安全的防護(hù)裝置應(yīng)主要考慮在隨機(jī)的碰撞事件中能以相對(duì)固定的破壞形式耗散碰撞能量，能夠有效控制碰撞力和減速度以及防止后車發(fā)生鉆入碰撞.

由于后部吸能裝置主要用于阻擋轎車沖入貨車下部兼吸能的作用，所以檢驗(yàn)吸能裝置采用全寬碰撞和40%偏置碰撞的試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法.通過(guò)事故結(jié)果表明，乘員嚴(yán)重傷害比例最高的階段是發(fā)生在40%偏置碰撞事故形態(tài)下，因此對(duì)后部吸能裝置進(jìn)行40%偏置碰撞安全性的研究具有非常重要的意義.

1 吸能裝置有限元模型的建立

根據(jù)偏置碰撞中采用可變形體壁障來(lái)檢驗(yàn)車體變形情況的經(jīng)驗(yàn)和高速公路上小轎車追尾貨車時(shí)輪胎留下的剎車痕跡來(lái)初步將吸能裝置的初始尺寸定為長(zhǎng)2.3 m，寬2 m，而裝置離地高度則選擇對(duì)轎車起最大保護(hù)作用的離地高度，即為0.3 m［2］.吸能裝置由四根方形薄壁組合梁和多個(gè)螺栓件組成.當(dāng)追尾事故發(fā)生時(shí)，后部薄壁梁受力，推動(dòng)兩根薄壁梁產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，對(duì)被剪切螺栓做功.并在兩端導(dǎo)向作用下變?yōu)檩S向力，這樣被剪切螺栓在兩根薄壁梁的作用下剪切分離.如軸向力仍大于被剪切螺栓的剪切力，可以對(duì)方形薄壁梁進(jìn)行進(jìn)一步的屈曲壓縮.所以，在各螺栓剪切力和薄壁梁屈曲變形的共同作用下，碰撞的能量被逐漸消耗.在材料分離與變形中，分離所需的能量大于變形.該吸能裝置就是利用了螺栓件在被剪切分離時(shí)需耗能的原理.另外，由于各螺栓件在薄壁梁上分散布置，因此對(duì)于緩沖釋放能量和降低車體的反彈勢(shì)能有很好的效果，可避免對(duì)追尾車輛的二次碰撞.

其中組合梁中截面積較小的一段直梁為受力梁，橫截面邊長(zhǎng)a為130 mm，圓角直徑r為5 mm，長(zhǎng)度為2 300 mm，厚度為10 mm;截面積較大的直梁為輔助梁，邊長(zhǎng)為160 mm，長(zhǎng)度為1 800 mm，厚度為10 mm;螺栓直徑為20 mm，長(zhǎng)度為200 mm.鑒于螺栓是國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)件，材料和尺寸相對(duì)固定.因此將組合梁材料初定為35鋼，螺栓材料為Q235.材料參數(shù)見(jiàn)表1［3］.

附表 材料參數(shù)

根據(jù)吸能裝置的初定尺寸，利用Pro/E軟件進(jìn)行參數(shù)化建模，如圖1所示.在進(jìn)行碰撞仿真分析時(shí)，要充分考慮到數(shù)值模型的邊界條件與實(shí)際過(guò)程相接近.

圖1 后部吸能裝置的有限元模型

為驗(yàn)證該分析模型的有效性，應(yīng)用LS-DYNA軟件對(duì)其進(jìn)行仿真計(jì)算.單元算法采用Belytschko-Wong算法.對(duì)于網(wǎng)格密度的控制，應(yīng)在確保正確表達(dá)變形的前提下，盡可能選擇大的單元尺寸.文獻(xiàn)［4］中認(rèn)為方形薄壁梁的折疊半徑可估計(jì)為R=0.72a1/3t2/3.其中a為截面寬，對(duì)于矩形薄壁梁，a可取截面的長(zhǎng)或?qū)?t為板厚.為了精確描述變形，網(wǎng)格尺寸應(yīng)小于l=0.5πR.根據(jù)厚度值和截面寬度值，算得l值為26.6 mm.因此，本文中將薄壁梁組件的單元尺寸設(shè)定為26 mm.網(wǎng)格劃分后，裝置共有殼單元總數(shù)為39 981個(gè).接觸類型定義為自動(dòng)單面接觸.通過(guò)引入粘性阻尼力來(lái)避免因采用單點(diǎn)高斯積分引起的沙漏變形.通過(guò)引入靜摩擦因數(shù)0.08和動(dòng)摩擦因數(shù)0.06考慮接觸界面的摩擦作用.

2 整車模型的建立

本文采用ANSYS作為前處理有限元軟件，直接讀入PRO/E完成的實(shí)體三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分［5］.整車模型主要結(jié)構(gòu)包括白車身、副車架、前后車門(mén)、懸架、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、發(fā)動(dòng)機(jī)、車輪總成、散熱器總成等主結(jié)構(gòu).其中發(fā)動(dòng)機(jī)、油箱和車輪輪轂考慮為剛體.懸架考慮為剛度一致的彈簧單元.最后整車有限元模型有449 882個(gè)節(jié)點(diǎn)，253 164個(gè)單元.整車模型的單元尺寸應(yīng)設(shè)定在5～25 mm的范圍內(nèi).按照歐洲ECE R94.01法規(guī)［6］和40%偏置碰撞規(guī)定，建立的整車偏置40%碰撞吸能裝置的仿真模擬過(guò)程(俯視)和兩者之間的位置關(guān)系如圖2所示.

圖2 汽車與吸能裝置40%偏置碰撞的位置關(guān)系

3 模型校驗(yàn)

基于本文建立的吸能裝置模型，利用LS-DYNA軟件，根據(jù)碰撞法規(guī)GB11551-2003，對(duì)該車分別進(jìn)行正面65、80、100和120 km/h的碰撞，取車身B柱位置加速度為車身加速度.圖3和圖4是對(duì)整車模型在正面100%碰撞模擬計(jì)算后各車速下吸能裝置的吸能曲線和加速度曲線，從曲線圖中可以看出該結(jié)構(gòu)能夠有效逐步地減少碰撞加速度，使轎車內(nèi)的人員不至于受到過(guò)大傷害.且碰撞速度在65、80、100 km/h時(shí)吸能變形形式合理，能夠有效地吸收能量，而在120 km/h時(shí)該裝置沒(méi)有吸收全部碰撞動(dòng)能，有部分動(dòng)能未被吸收，但仍可起到防止轎車鉆入貨車后下部的作用.

圖3 各車速下吸能裝置的吸能曲線

圖4 各車速下碰撞的加速度曲線

4 40%偏置碰撞仿真分析

為吸能裝置在碰撞速度為65 km/h時(shí)建立的偏置40%碰撞仿真模擬過(guò)程圖5所示，這里碰撞時(shí)間取100 ms.根據(jù)仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)吸能裝置的吸能過(guò)程主要分成兩個(gè)階段.第一階段是各螺栓剪切吸收碰撞動(dòng)能，這一階段特點(diǎn)是吸能組件之間發(fā)生了較大的剪切變形，而轎車前部結(jié)構(gòu)只是發(fā)生了輕微變形，汽車動(dòng)能迅速下降.第二階段是薄壁梁屈曲變形吸能過(guò)程，伴隨著這兩個(gè)階段同時(shí)進(jìn)行的是轎車前保險(xiǎn)杠變形吸能過(guò)程，而轎車前部結(jié)構(gòu)擠壓變形則較小.由后部吸能裝置的碰撞吸能變化曲線圖6可知，裝置的吸能量比貨車原有后部防護(hù)結(jié)構(gòu)有了顯著的提高，吸收能量達(dá)到32 954.2 J;對(duì)比圖4與圖7中的曲線可以看出，40%偏置碰撞形式與100%全寬碰撞形式相比較［7］，后部吸能裝置的加速度時(shí)間歷程變長(zhǎng)，最大值減少.

通過(guò)有限元仿真發(fā)現(xiàn)，原有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在安全性上存在不足:一是吸能組件的后防護(hù)板厚度偏薄，在高速碰撞事故中容易發(fā)生斷裂，因此可適當(dāng)進(jìn)行加厚;二是在碰撞過(guò)程中只有部分螺栓件發(fā)生斷裂(大部分發(fā)生彎曲變形)，沒(méi)有達(dá)到吸能的最佳效果.因此可適當(dāng)將螺栓件的直徑減小或用其他材料(如10鋼)來(lái)替代.

圖5 以65 km/h偏置碰撞吸能組件的變形情況

圖6 以65 km/h偏置碰撞吸能組件的吸能曲線

圖7 以65 km/h偏置碰撞吸能組件的加速度曲線

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)中結(jié)合建模模擬仿真軟件，成功地建立了吸能組件的模型并進(jìn)行了仿真分析，獲得了較為合理的吸能結(jié)構(gòu)，縮短了設(shè)計(jì)周期;

(2)在載荷沖擊方向發(fā)生一定程度的改變時(shí)(如追尾轎車的沖擊方向與吸能組件的軸線成某一角度)，吸能組件仍可順利通過(guò)剪切螺栓桿件來(lái)吸收能量，故該結(jié)構(gòu)的變形吸能具有較好的魯棒性;

(3)由于節(jié)能等的要求，裝置在汽車上的能量吸收結(jié)構(gòu)應(yīng)該質(zhì)量較輕，具有良好的“比吸能”，即單位質(zhì)量所吸收的能量較高.為了滿足條件，在吸能組件薄壁梁側(cè)面開(kāi)有弱化槽;

(4)在后部吸能裝置發(fā)生偏置碰撞的一側(cè)其變形嚴(yán)重，碰撞中的大部分能量由偏置側(cè)的裝置變形來(lái)吸收，另外，由于碰撞過(guò)程中車身前部接觸區(qū)域的不同，在一定程度上會(huì)造成車身在碰撞后期發(fā)生明顯的橫向擺動(dòng).

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