重型貨車后下部防護(hù)裝置碰撞仿真試驗(yàn)研究

馮文濤,馮詩(shī)源

(1.鐵嶺師范高等專科學(xué)校 對(duì)外交流合作處,遼寧 鐵嶺 112601;2.吉林大學(xué) 交通學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130025)

后下部防護(hù)裝置是指由橫向構(gòu)件和連接結(jié)構(gòu)件組成,并且固定在底盤部件上或車輛其他結(jié)構(gòu)件上的裝置[1].有研究表明,小型轎車追尾重型貨車所造成的傷亡人數(shù)約占所有交通事故傷亡人數(shù)的3/5[2],而具備有效緩沖吸能作用的后下部防護(hù)裝置可將追尾事故中司乘人員的死亡率降低至10%[3].國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者主要運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真模擬對(duì)后下部防護(hù)裝置的碰撞安全性能進(jìn)行研究.Balta等通過(guò)改變其構(gòu)造,對(duì)有限元模型進(jìn)行優(yōu)化,從多方面考慮選擇了最佳方案[4];Ruecker等基于實(shí)車碰撞試驗(yàn)的基礎(chǔ)上指出,當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)后下部防護(hù)裝置橫向構(gòu)件下邊緣距地高度的要求不能有效緩沖吸能并防止小型轎車發(fā)生鉆入碰撞,并對(duì)當(dāng)前的標(biāo)準(zhǔn)提出一些修改意見(jiàn)[5];朱西產(chǎn)等構(gòu)建了移動(dòng)可變形壁障,分析了后下部防護(hù)裝置距地高度與材料剛度對(duì)防止鉆入的影響[6];尹巖等通過(guò)對(duì)比中美兩國(guó)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)了我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的一些不足,并提出了適當(dāng)?shù)慕ㄗh[7].目前的研究更多關(guān)注在防護(hù)范圍上,而忽視了防護(hù)裝置結(jié)構(gòu)和選材的研究.因此,調(diào)查現(xiàn)有貨車后下部防護(hù)裝置的安裝現(xiàn)狀與結(jié)構(gòu)形式,模擬仿真其碰撞過(guò)程,找出存在的不足,并在此基礎(chǔ)上提出改進(jìn)意見(jiàn),對(duì)提升公路交通被動(dòng)安全具有重要意義.

1 貨車后下部防護(hù)裝置的技術(shù)要求

GB 11567-2017《汽車及掛車側(cè)面和后下部防護(hù)要求》[1](以下簡(jiǎn)稱《要求》)對(duì)4種類型車輛的后下部防護(hù)要求進(jìn)行了明文規(guī)定,并在附錄B、C中介紹了靜態(tài)加載與追尾碰撞兩種檢測(cè)防護(hù)裝置性能的試驗(yàn)要求.其中,移動(dòng)壁障追尾碰撞試驗(yàn)使用移動(dòng)壁障撞擊重型貨車后下部防護(hù)裝置,檢驗(yàn)其阻擋及緩沖吸能效果.

《要求》中對(duì)移動(dòng)壁障的質(zhì)量、表面強(qiáng)度以及尺寸參數(shù)作出了明確的規(guī)定,并且要求其碰撞面應(yīng)覆蓋20 mm厚的優(yōu)質(zhì)膠合板,碰撞瞬時(shí)速度應(yīng)在30～32 km/h范圍內(nèi).如果試驗(yàn)在更高的速度下進(jìn)行,后下部防護(hù)裝置仍能滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求,也視其性能為優(yōu)良.試驗(yàn)結(jié)果滿足下述要求其技術(shù)性能即視為合格:

(1)防護(hù)裝置可以變形或開(kāi)裂但不能整體脫落;

(2)防護(hù)裝置應(yīng)能吸收碰撞產(chǎn)生的能量并緩和碰撞造成的沖擊,且移動(dòng)壁障的減速度不得大于40g(392 m/s2),反彈速度小于2 m/s;

(3)碰撞后防護(hù)裝置的后部與車輛最后端的縱向水平距離不大于400 mm.

2 后下部防護(hù)裝置仿真模型構(gòu)建

2.1 幾何模型構(gòu)建

根據(jù)《要求》的規(guī)定,利用Solid Works軟件建立幾何模型,并將橫向構(gòu)件的截面高度分別設(shè)為120 mm與140 mm.該幾何模型由固定壁障、半掛車車架后部、后下部防護(hù)裝置以及移動(dòng)壁障所組成,且移動(dòng)壁障為剛性結(jié)構(gòu)并于前端覆蓋一層厚度為20 mm的優(yōu)質(zhì)膠合板.碰撞接觸過(guò)程中,由于只有移動(dòng)壁障前端與后下部防護(hù)裝置的橫向構(gòu)件發(fā)生碰撞接觸,故可以忽略車架之間的連接并略去了一些孔及其他部件的建立.

2.2 有限元模型

所建有限元模型如圖1所示.將其固定壁障、車架后部、防護(hù)裝置以及移動(dòng)壁障進(jìn)行網(wǎng)格劃分,兩者分別有26 726、27 196個(gè)節(jié)點(diǎn),兩者分別包含24 726、25 196個(gè)殼單元和2 000個(gè)實(shí)體單元.

3 后下部防護(hù)裝置碰撞性能分析

根據(jù)《要求》,將后下部防護(hù)裝置的下邊緣距地高度設(shè)為500 mm,移動(dòng)壁障下邊緣距地高度設(shè)為240 mm.移動(dòng)壁障沿-Y方向運(yùn)動(dòng)且不設(shè)置任一方向的運(yùn)動(dòng)偏離,運(yùn)動(dòng)速度為-32 km/h(-8888.89 mm/s).所以,在碰撞接觸后只計(jì)算移動(dòng)壁障在Y方向的反彈速度、碰撞加速度和固定壁障的形變位移.由仿真結(jié)果可知,碰撞過(guò)程中橫向構(gòu)件兩側(cè)邊緣形變最嚴(yán)重,故選取該節(jié)點(diǎn)作為后下部防護(hù)裝置最大位移參考點(diǎn)(見(jiàn)圖2).

仿真結(jié)果與附錄C的要求進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如表1所示.

表1 后下部防護(hù)裝置仿真數(shù)據(jù)與國(guó)標(biāo)要求對(duì)比

移動(dòng)壁障與120 mm橫向構(gòu)件碰撞過(guò)程運(yùn)動(dòng)速度曲線如圖3(見(jiàn)54頁(yè))所示.由圖3可知,由120 mm橫向構(gòu)件搭建的防護(hù)裝置無(wú)法阻擋移動(dòng)壁障鉆入.移動(dòng)壁障與140 mm橫向構(gòu)件碰撞過(guò)程運(yùn)動(dòng)速度曲線如圖4(見(jiàn)54頁(yè))所示.從圖4可知,140 mm橫向構(gòu)件由于其與移動(dòng)壁障的有效接觸面積增大,以及橫向構(gòu)件本身材料剛度的影響,0.074 s時(shí)橫向構(gòu)件發(fā)生回彈可將移動(dòng)壁障排出大型貨車車架后下部.以上結(jié)果可以說(shuō)明,當(dāng)橫向構(gòu)件截面高度大于140 mm時(shí)該后下部防護(hù)裝置可以滿足國(guó)標(biāo)要求,通夠有效緩沖吸能,阻止鉆入碰撞.

4 結(jié)論

根據(jù)《要求》對(duì)某品牌重型倉(cāng)柵式半掛車后下部防護(hù)裝置進(jìn)行建模及有限元分析,分別選用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的120 mm和半掛車自身配備的140 mm截面高度作為其橫向構(gòu)件建模依據(jù).經(jīng)過(guò)仿真模擬得出,選用120 mm橫向構(gòu)件的后下部防護(hù)裝置無(wú)法有效阻擋移動(dòng)壁障發(fā)生鉆入碰撞,140 mm橫向構(gòu)件的防護(hù)裝置可以有效阻擋車輛發(fā)生鉆入.研究表明,適當(dāng)增加橫向構(gòu)件的寬度能夠使車輛在發(fā)生追尾碰撞的過(guò)程中增大有效碰撞接觸面積,避免追尾車輛進(jìn)一步發(fā)生鉆入.