大車后下部防護裝置的設計與仿真驗證

沈才華，趙 立，施金金

（河海大學土木與交通學院，江蘇 南京210098）

當小車追尾大車時，由于兩者在尺寸上差異，若大車后下部防護裝置強度不夠，小車容易下鉆大車尾部，造成車毀人亡的重大交通事故。研究表明，乘用車內乘員在乘用車與載貨汽車碰撞中死亡的比例是在乘用車間碰撞死亡比例的4 倍還要多［2］。為了減少此類事故的危害，美國的FMVSS223/224，歐洲的ECE R58-02，我國的GB 11567.2-2001都對大車后下部防護裝置做了強制規定。國家客車質量監督檢驗中心的結果顯示我國的大車后下部防護裝置比較突出的問題是強度不夠和尺寸不足，不能滿足標準的要求［3］。文獻［4］將方鋼焊接成“N”型，在實車碰撞和仿真計算中都有較好表現。文獻［5］設計了一個由8個徑向鋁合金肋板的雙層管狀吸能結構。文獻［6］提出了應從幾何尺寸、型材、剛度要求及重量等幾個因素進行后下部防護裝置的開發。

根據GB 11567.2-2001的要求，設計了具有格柵截面的主副支架，并斜向后依靠在貫穿車架的支撐桿上，通過LS-DYNA動態方仿真分析［7］，證明其具有較高的剛度和吸能特性，各項指標均滿足規范要求，能有效阻擋車輛下鉆。

1 新防護裝置設計與建模

新防護裝置由主支架、副支架、支撐桿及阻擋梁構成。主支架由上至下向后斜30°靠在支撐桿上，支撐桿貫穿車架，主支架上端與車架固定連接，下端與防撞梁固定連接，副支架上端與支撐桿固定連接，下端與防撞橫梁固定連接，如圖1示。

圖1 新防護裝置Fig.1 New protection device

阻擋梁的橫截面為圓弧形，而非C 型鋼材，以便于在受撞擊時可以展開吸能，阻擋梁的最主要作用是建立與小車的撞擊面，并將撞擊力傳導至主副支架，主副支架斜向后安放而非垂直，這樣可以給阻擋梁提供更多的支撐力，并且也增加了接觸時間和可變形距離。當主支架變形時，又受到支撐桿的阻擋，從而使得主支架繞支撐桿彎曲變形，主支架是最重要剛度和吸能部件。副支架也通過彎曲變形吸能，并在發生偏置碰撞時，提供更強阻擋支撐作用。各部件的幾何尺寸整理如表1。

表1 各部件幾何尺寸Tab.1 Geometrical size of components

各部件采用碳素結構鋼Q235 鑄造，按照MAT24材料的要求，需將工程應力應變按下式轉化為真實應力應變，去除真實應力應變中的純彈性部分，得到等效應力應變關系如圖2所示。

圖2 材料模型等效應力應變曲線Fig.2 Equivalent stress and strain curve of the material model

式中：δeff為等效應力；δe為真實應力；εeff為真實應變；εe為等效應變。

MAT24 號材料還可以加入Cowper-Symonds 本構模型相關參數對材料的性能進行設定［8］。Cowper-Symonds本構模型如下：

式中：為等效塑性應變值；為等效塑性應變率；δy為對應的應力值；為準靜態應力值；SIGY為屈服應力；C和P為應變率效應參數，文中C和P值分別為8 000和8。

圖3 支架結構截面Fig.3 The support structure section

2 主副支架結構設計

主副支架若僅使用槽鋼或管鋼，難以提供足夠的剛度和吸能特性。需要在內部焊接補強板，設計如圖3所示的補強截面形式。支架在碰撞過程中是彎曲變形，因此將支架單獨取出在LS-DYNA 中分析［9］，設置其一端固結，另一端施加與截面寬垂直的2000 N 恒定力，讓其發生彎曲，尋找抗變形能力最強的結構形式［10］。

通過計算如圖4，得出圖3中三角形補強的結構自由端位移為232 mm，豎向補強的結構自由端位移為216 mm，橫向補強的機構自由端位移為435 mm。顯然，豎向補強后支架剛度最大抗變形能力最強。

圖4 支架剛度分析Fig.4 The support stiffness analysis

3 壁障碰撞分析

移動壁障質量為1.102 t，碰撞速度為32 km·h-1。碰撞接觸時間大致持續78 ms，阻擋梁在碰撞時發生翹曲振動，向前頂推主副支架，主支架繞支撐桿扭曲，副支架在與支撐桿連接處扭曲，支撐桿微量變形并小幅振動。主副支架下端部不斷向前移動，侵入到車架下部，與此同時壁障移動速度不斷降低，達到一定侵入量后，壁障速度降為0，并以一定速度反彈。在撞擊完成后，支架有一定量的回彈。防護裝置最終變形狀態如圖5。

GB 11567.2-2001對于移動壁障碰撞的要求是，壁障減加速度不超過40 g，反彈速度不超過2 m·s-1。與本防護裝置碰撞后得壁障的加速度及速度曲線如圖6和圖7，加速度曲線的第一波峰由阻擋梁引起，第二波峰由支架變形引起，最大值為20 g，壁障減速平穩，到64 ms左右開始反彈，到86 ms時最大反彈速度達到0.9 m·s-1，之后勻速降低在236 ms時靜止。本防護裝置滿足上述兩個要求。

圖5 碰撞終止狀態Fig.5 Collision termination state

圖6 壁障加速度Fig.6 Barrier acceleration

GB 11567.2-2001還要求防護裝置變形后與車輛最后端的縱向水平距離不超過400 mm。繪制防護裝置上侵入量最深的點與車架最后端的相對位移曲線如圖8。可以看出，防護裝置基本保持勻速變形，在29 ms時，防護裝置變形至車架最后端的正下方，之后防護裝置開始侵入，到64 ms時，防護裝置達到最大縱向位移369 mm，與車架最后端相距187 mm，隨后產生9 mm的微量回彈并保持靜止。本防護裝置滿足規范要求。

圖7 壁障速度Fig.7 Barrier speed

圖8 防護裝置變形量Fig.8 Deformation protection device

4 總結

通過LS-DYNA 仿真分析，支架橫截面內增加豎向補強能最大程度提升防護裝置的剛度，支架繞支撐桿變形增強系能特性，支架斜向后安裝可以減少侵入量，圓弧形截面的阻擋梁比矩形截面的阻擋梁產生更多的塑形變形，吸收的碰撞能量相應增多。防護裝置有效阻擋了壁障的侵入，各項指標均符合法規要求。

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