護欄碰撞的汽車模型標準化

蔡 路， 王成虎

（1.北京科技大學，北京 100083；2.交通運輸部公路科學研究院，北京 100088）

0 引言

目足尺實車碰撞試驗是檢驗安全防護設施防護功能最直觀、可靠的方法，它是通過實際車輛以一定的速度和角度碰撞護欄，分析車輛在整個碰撞過程中的運行狀態和參數來檢驗護欄防護能力的一種方法。

目前，國內有關部門根據我國公路狀況、車輛行駛狀況，并結合國際相關行業標準制定了《高速公路護欄安全性能評價標準》（JTG/T F83-01-2004），該標準是安全防護設施性能評價標準和檢驗標準的參考依據。在公路護欄檢驗碰撞試驗中，該標準下的試驗車型選擇條件過于粗略，實車碰撞試驗所使用的車輛并不能完全代表當前公路上行駛的主流車型。使得試驗與實際道路中所需防護的車型存在一定的偏差。

為了讓實車碰撞試驗的車型標準化、規范化，本文通過調研分析，得出了主流車型表，并最終建立了在我國具有較高保有量的汽車模型。這使得護欄的研發和評價工作更切實符合本國道路交通狀況，有利于提升我國護欄安全性能的研究。

1 汽車模型的選取

統計顯示[1]，中國汽車市場2010年的快速增長，對全球汽車保有量的增長起到了重要作用。2010年，中國在用汽車的保有量同比增長27.5%，增量超過1680萬輛，這個數字接近同期全球新增汽車保有量的一半。資料顯示：截至2003年底，全國個人汽車保有量為1242萬輛，比2002年增加247萬輛，增長率為24.8%。其中，個人轎車489萬輛，比2002年增加146萬輛，增長速率為42.7%。而2006年至2010年，汽車保有量年均增加951萬輛。截至2010年6月底的數據來看，全國機動車總保有量達2.17億輛。其中，汽車9846萬輛，摩托車1.02億輛。2011年前八個月，汽車保有量增加983萬輛，月均增加123萬輛；高于2010年同期月均113萬輛的增量。其中，私人小型載客汽車增加782萬輛，月均增加98萬輛（據此計算，相當于日均增加3.27萬輛，每小時平均增加1363輛，每分鐘平均增加23輛車），占汽車增量的79.45%，是汽車實現快速增長的主要因素。

同樣根據公安部交通管理局消息[2]，截至2011年11月，全國機動車保有量達2.25億，機動車駕駛人數量達2.34億人，汽車保有量達1.06億輛，許多城市以進入汽車社會。

預測結果分析[3]我國未來的汽車保有量主要取決于經濟發展速度和能源供應，對趨勢外推法、彈性系數法、國內外情景類比法和運輸工作量計算等預測結果進行綜合分析，以確定2010年、2020年及2030年我國的汽車保有量。在不同預測方法下我國汽車保有量預測結果見表1。

本文統計了全國大陸各省市保有量排名前十的各車型，如圖1所示。其中包括桑塔納 （桑塔納、桑塔納2000、桑塔納 3000）、捷達、夏利 TJ7101、帕薩特1.8T、富康、長安奧拓、伊蘭特1.6、凱越1.6、雅閣2.4、雅閣2.0。

就目前看來，民用小型轎車還是占民用車保有量的主導地位，所以在民用車里面選取一款保有量最高的車型是可取的。由圖1可知，桑塔納比重占到了30%，是所有車型保有量最高的。因此桑塔納是最具有廣泛參考性，也最能夠代表目前中國的主流車型。

表1 不同預測方法下汽車保有量預測結果

圖1 各車型所占比重

2 實車拆卸與掃描

車型確定好桑塔納2000后，首先需要選取一輛拆卸其零部件，然后通過三維掃描重新建模并組裝。由于我們只需了解汽車的整體受力情況，因此在拆車過程中，汽車主要被拆成車身、底盤、發動機、內室四個大的部分。

值得注意的是，在拆車過程中，還得考慮各鈑金件的搭接，各個鉸鏈的安裝位置及方式，焊點或者焊縫的位置，這是保證車殼強度的因素，一般國內廠家會做一些焊點或者焊縫的刪減、添加；然后把握好車身強度要求；最后把握拆車的次序。這可以導出車體的大致結構，可以增強對鈑金件的認知，理順思路。

在白車身拆解過程中，最主要是分析清焊接關系，分清主焊線。若是要做逆向建模，點云掃描的完整性及車身報告輸出的必要條件要準備完善。圖2為實際拆車的部分構件，圖3為點云處理圖。

圖2 輪胎、葉子板、車門、白車身構件圖

圖3 輪胎、葉子板、車門、白車身點云圖

3 有限元模型建立

在整車網格劃分中對外形較復雜部件進行網格劃分時一般按照以下幾個步驟進行：

（1）先對整體進行幾何清理，清除多余的自由邊、T形邊和重復面，對殘缺部分進行補全。

（2）清除不必要的幾何特征。

（3）對共享邊進行合并，切割調整。其中對共享邊進行調整時在幾何形狀邊角和邊緣處的共享邊需保留，在平面內部的共享邊可以取消。共享邊最好能夠連續貫穿整個面。

（4）劃分網格一般從形狀較為復雜的小面開始劃分。每劃分一個面都要進行網格檢查，檢查最小邊、翹曲度、最大/最小角度等因素。如果不滿足要求進行調整后重新進行網格劃分，直到滿足要求為止。

（5）在網格檢查中不滿足要求的網格如果是網格翹曲度過大可以將該四邊形網格劈開為兩個三角形網格；如果網格某邊太短在平面內可以適當往兩邊小范圍移動；如果夾角過大或過小可以將節點適當地在平面內移動。

（6）在網格劃分中一定要避免單排網格和單邊連接網格出現，否則該網格在計算中將會發生不可預知的變形，甚至使計算無法進行。圖4為汽車各部件有限元模型。

確認各構件模型的網格劃分完成后，則需要對其進行參數設置，并按照車輛拆卸之前的尺寸以白車身為基礎進行組裝，如圖5所示。

圖4 輪胎、葉子板、車門、白車身有限元模型

圖5 組裝后的整車有限元模型

4 結論

經測試，小客車模型可以作為護欄-車輛碰撞的計算機仿真模擬計算模型。與實車碰撞試驗結果的擬合度較高。項目研究工作取得的成績創新點如下：

（1）形成了符合我國實際道路交通狀況的碰撞試驗的小客車車型表。

（2）建立與我國主流車型一致的，目前市場保有量最大的小型客車模型。

[1]時代汽車編輯部.全球汽車保有量與中國汽車保有量[J].時代汽車，2012，01.

[2]內燃機與配件編輯部.中國機動車保有量達2.25億輛汽車保有量過億[J].內燃機與配件，2012，2.

[3]馬艷麗，高月娥.我國未來汽車保有量情景預測研究[J].公路交通科技，2007，1.