貨車后下部防護裝置不同截面橫梁在碰撞中的吸能性研究

張志勇

（司法部司法鑒定科學技術研究所，上海200063）

近年來，隨著我國高速公路里程及汽車保有量的持續增加，轎車追尾大型車輛的事故也在不斷發生，貨車后下部防護裝置的被動安全問題越來越引起人們的關注。因此，如何改善提高貨車后下部防護裝置的安全性能對減輕或避免事故中追尾車輛乘員的傷亡有著重要的現實意義。本文從研究貨車后下部防護裝置幾種典型的不同截面橫梁的碰撞吸能特性入手，根據《汽車和掛車后下部防護要求》（GB11567.2-2001）標準要求的碰撞試驗條件，建立同等壁厚條件下的不同截面橫梁FEM模型，進行碰撞仿真分析，進而對幾種典型的不同截面橫梁的吸能特性做出評價。

1 碰撞過程中的能量傳遞

碰撞過程中，碰撞能量的主要傳遞途徑是[1]：

（1）通過結構的彈塑性吸收一部分能量（內能）；

（2）通過碰撞車輛之間的速度再分配保留一部分碰撞動能。

為了減弱碰撞過程中的沖擊作用，達到保護后車乘員的目的，必須在后防護裝置的有限許可范圍內，盡可能降低碰撞過程中移動壁障的加速度和延長碰撞時間，提高橫梁等主要構件的彈塑性變形所吸收的能量。

碰撞吸能特性涉及的一個重要內容是結構發生彈塑性變形吸收的內能。內能越大，則彈塑性變形吸收的能量越多，碰撞動能的消耗也越多。依據LS-DYNA對碰撞過程中能量變化的分析，碰撞過程中的能量滿足下式：

KE+IE＝KE0+EW

式中，KE0為初始動能，EW為外力所做的功，KE為當前系統動能，IE為當前系統內能，內能包括彈性應變能和發生永久塑性變形所做的功。由于一般碰撞過程中不存在外力的作用，因此分析中常假設EW＝0。

2 不同橫截面形狀橫梁FEM模型的建立及邊界條件的設定

對于汽車結構的碰撞安全性設計來說，結構橫截面是需要考慮的一個重要因素，因為不同的橫截面將可能導致結構件的碰撞吸能水平不同[2]。橫梁構件雖然簡單，但可以有各種不同形狀的橫截面，本文就橫梁構件常見四種不同截面形狀（見圖1）的吸能性進行同樣邊界條件下的碰撞仿真分析。

圖1 橫梁橫截面形狀示意圖

在建立不同橫截面的橫梁有限元模型時，統一采用Thin Shell163殼單元（采用缺省的Belytschko-Tsay算法，Gauss積分法則），殼單元厚度為6 mm，在殼單元厚度方向采用5點積分；網格劃分規格為15 mm×15 mm；材料模型采用塑性隨動模型（*MAT_PLASTIC_KINEMATIC），材料選取低碳合金鋼；接觸方式選用自動單面接觸（ASSC）[2]。

為了方便對各不同橫截面的橫梁的碰撞仿真結果和吸能性進行比較，要求在一個同等的邊界條件下進行碰撞計算，本文采取的邊界條件為：采取相同的截面周長，采用相同的材料、壁厚（支臂厚度為6 mm，定義為全約束剛體），采用相同的碰撞速度（32 km/h即8 889 mm/s），采用相同的移動壁障剛性墻設置*RIGIDWALL_PLANAR_FINITE_MOVING（有限移動剛性墻），剛性墻質量定義為1.1t。

因為《汽車和掛車后下部仿護要求》（GB11567.2-2001）規定橫梁構件的截面高度不小于100mm[2]，本文就以圓形截面直徑取100mm為基準，對橫梁四種不同的截面形狀在保證截面高度不小于100mm的前提下，截面周長取圓形截面周長（314mm），壁厚都取6mm。

3 不同橫截面形狀橫梁的碰撞仿真分析

3.1 圓形截面碰撞吸能性分析

對橫梁和移動壁障之間設置了約0.05 m的距離，經過換算LS-DYNA的求解終止時間設為30 ms。

圖2～3是圓形橫截面橫梁受到1.1t剛性墻以32 km/h（8 889 mm/s）的速度撞擊的幾個時刻的等效應力云圖仿真結果，我們可以清楚的看到圓形截面橫梁在受到碰撞過程中的應力和變形情況。

圖2 11ms時刻碰撞響應

圖3 30ms時刻碰撞響應

圖4 移動壁障減速度隨時間變化曲線

從圖4中我們看到移動壁障的減速度隨時間變化曲線在開始碰撞第7ms時減速度值迅速達到最大值64g（627m/s2）①圖示中橫坐標為時間換算單位“s”；縱坐標為減速度換算單位“m/s2”。，表明圓形截面梁在碰撞開始很短時間內就達到材料屈服極限，隨后其塑性變形成為主要的變形形態。之后的小幅振蕩說明在圓形截面橫梁變形的過程中，隨著碰撞能量的耗散，其間彈性變形分量產生彈性恢復。總體上，圓截面橫梁有很好的塑性變形特性。

從圖5中可以清楚的看到圓形橫截面橫梁受到1.1t剛性墻以32 km/h的速度撞擊過程中其吸能曲線整體比較平緩，吸能量峰值為40.5 kJ，其對應的時刻為21ms②圖示中橫坐標為時間換算單位“s”。。當橫梁的吸能量達到峰值后曲線出現了輕微的下滑并最終在29 ms的時候穩定在40.2 kJ，這說明橫梁在碰撞過程中除了塑性變形外還存在彈性變形，當碰撞過程持續到橫梁的吸能峰值時，剛性墻的速度降為0，然后橫梁存在少量的彈性恢復。因此橫梁的最大吸能量應為彈性恢復后的40.2kJ。

圖5 圓形截面橫梁吸能量隨時間變化曲線

3.2 雙圓形截面碰撞吸能性分析

圖6～圖7是雙圓形橫截面橫梁與剛性墻碰撞的幾個時刻的等效應力云圖仿真結果。

從圖8中我們可以看到移動壁障在碰撞過程的第 12ms時減速度最大值為 156.6g（1535m/s2）①。從圖9中可以看到雙圓形截面橫梁從第9 ms②開始其吸能量在較短時間內迅速上升，整個碰撞過程的吸能量在第24ms②時達到最大值38.2kJ，并基本保持至碰撞過程結束。從能量曲線上看雙圓形截面梁的最大吸能量略低于圓形截面橫梁的最大吸能量。

圖6 11ms時刻碰撞響應

圖7 30ms時刻碰撞響應

圖8 移動壁障減速度隨時間變化曲線

圖9 雙圓形截面橫梁吸能量隨時間變化曲線

3.3 矩形截面碰撞吸能性分析

圖 10～圖11是矩形橫截面橫梁與剛性墻碰撞的幾個時刻的等效應力云圖仿真結果。

從圖12中可以看到移動壁障在碰撞開始的第10ms其減速度達到最大值 108.3g（1061m/s2）①。從圖13中我們看到矩形截面橫梁的能量曲線與雙圓形截面相比有所緩和，在碰撞過程結束時達到吸能量最大值38.7kJ。

圖10 11ms時刻碰撞響應

圖11 30ms時刻碰撞響應

圖12 移動壁障減速度隨時間變化曲線

圖13 矩形截面橫梁吸能量隨時間變化曲線

3.4 槽鋼形截面碰撞吸能性分析

圖 14～圖15是槽鋼形橫截面橫梁與剛性墻碰撞的幾個時刻的等效應力云圖仿真結果。

從圖16移動壁障的減速度隨時間變化曲線，在第8 ms時其最大減速度峰值為74.7 g（732 m/s2）①。 再從圖17中可以看到槽鋼形截面橫梁的能量隨時間變化曲線跟矩形截面橫梁有點相似，都是在碰撞過程結束時達到吸能量最大值，槽鋼形截面橫梁的最大吸能量為33 kJ。

圖14 12ms時刻碰撞響應

圖15 30ms時刻碰撞響應

圖16 移動壁障減速度隨時間變化曲線

圖17 槽鋼形截面橫梁吸能量隨時間變化曲線

對以上四種不同截面的緩沖吸能性主要參數指標（見表 1）：

由表1可清楚地看出四種不同截面橫梁的緩沖吸能性能，減速度峰值最大的是雙圓形截面，這反映了雙圓形截面橫梁的剛度要較其他截面形狀橫梁高。吸收內能最大的是圓形截面橫梁，這表明了圓形截面橫梁的吸能性要好于其他截面形狀橫梁。綜合評價四種不同橫截面橫梁的緩沖性能和吸能性能，圓形截面橫梁為最佳。

表1 不同截面形狀橫梁的緩沖吸能對比情況

4 結論

本文對橫梁橫截面分別取常見圓形橫截面、雙圓形橫截面、矩形橫截面和槽鋼形橫截面四種截面形狀時的碰撞緩沖吸能性進行了仿真分析，并得出結論：在同等條件下，圓形橫截面橫梁的緩沖吸能性能最好。當前《汽車和掛車后下部防護要求》（GB11567.2-2001）中并未對橫梁的截面形狀提出相關建議，然而面對時有發生的嚴重追尾事故，本文在此建議同等材料屬性下，后防護盡可能選取圓形截面橫梁。

參考文獻：

[1]顧力強.轎車保險杠和金屬緩沖吸能結構的耐撞性研究[D].上海:上海交通大學，2000.

[2]GB11567.2-2001汽車和掛車后下部防護要求[S].2001.