罐車后防護(hù)裝置性能仿真與試驗(yàn)研究

王勝偉

(滁州永強(qiáng)汽車制造有限公司，滁州 239000)

油罐車的碰撞安全問題已經(jīng)受到人們越來越多的關(guān)注，而在車輛碰撞過程中，追尾相撞是發(fā)生頻率較高的事故.在追尾事故中，具有良好阻擋作用和緩沖吸能效果的后防護(hù)裝置能有效保護(hù)追尾車輛，防止小車發(fā)生鉆入碰撞，提高車輛間的碰撞相容性，對保持高速公路交通的順暢、減少惡性追尾事故的發(fā)生起到積極的促進(jìn)作用.因此，油罐車后防護(hù)裝置的改進(jìn)設(shè)計(jì)與研究，對提高車輛的被動(dòng)安全性，改善道路交通安全有著非常重要的意義.

Uikey等[1]對保險(xiǎn)杠的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)參數(shù)進(jìn)行參數(shù)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)，得到符合相關(guān)法規(guī)的產(chǎn)品方案.Wen等[2]對填充復(fù)合材料的保險(xiǎn)杠進(jìn)行了有限元分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，優(yōu)化設(shè)計(jì)使之達(dá)到保險(xiǎn)杠相關(guān)法規(guī)的要求.目前國內(nèi)學(xué)者大多采用有限元分析和相關(guān)試驗(yàn)對保險(xiǎn)杠的性能進(jìn)行分析研究.乘用車領(lǐng)域，王智文、徐中明等[3-5]通過有限元分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，得到了優(yōu)于鋼制橫梁的鋁合金保險(xiǎn)杠橫梁.馬天飛等[6]通過對某乘用車后保險(xiǎn)杠剛度強(qiáng)度進(jìn)行仿真與試驗(yàn)研究，得到了保險(xiǎn)杠在大變形及回彈過程中具有良好的恢復(fù)性能并能消耗一定的能量.陳濤等[7]通過對兩種保險(xiǎn)杠的流場進(jìn)行分析，得到了低風(fēng)阻后保險(xiǎn)杠相比原后保險(xiǎn)杠可顯著降低風(fēng)阻.罐車領(lǐng)域，李金、張國勝等[8-11]采用有限元方法和試驗(yàn)驗(yàn)證對車輛后防護(hù)裝置的碰撞特性和防護(hù)性能進(jìn)行了研究.徐平、李巢等[12]通過ANSYS LS-DYNA軟件研發(fā)了優(yōu)于傳統(tǒng)保險(xiǎn)杠性能的泡沫鋁填充結(jié)構(gòu)的后保險(xiǎn)杠.

文中以某油罐車具有翻轉(zhuǎn)特性的后防護(hù)裝置為研究對象，參照《GB11567-2017 汽車及掛車側(cè)面和后下部防護(hù)要求》[13]規(guī)定的技術(shù)要求，利用Workbench建立后防護(hù)裝置的有限元模型，對其強(qiáng)度性能進(jìn)行了仿真分析與試驗(yàn)研究，為后防護(hù)裝置的研究提供參考依據(jù).

1 后防護(hù)裝置的有限元分析

1.1 有限元數(shù)學(xué)模型

該后防護(hù)裝置主要由限位裝置、固定座、軸套、連接板、旋轉(zhuǎn)板和保險(xiǎn)杠等主要部件構(gòu)成，其三維幾何模型見圖1.連接板、旋轉(zhuǎn)板和保險(xiǎn)杠可圍繞軸套實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn).建立后防護(hù)裝置有限元數(shù)學(xué)模型時(shí)，在不影響分析的前提下，對模型進(jìn)行合理簡化.利用Workbench建立后防護(hù)裝置有限元模型，見圖2.單元平均尺寸為5 mm，共計(jì)產(chǎn)生單元286 395個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)5 588 906個(gè).

圖1 后防護(hù)裝置三維圖

圖2 后防護(hù)裝置有限元數(shù)學(xué)模型

1.2 材料參數(shù)的選擇

進(jìn)行后防護(hù)裝置的靜態(tài)加載分析時(shí)，各部件的材料屬性對結(jié)構(gòu)性能分析結(jié)果具有重要影響，油罐車后防護(hù)裝置中各部件的材料屬性見表1.

表1 各部件的材料屬性

1.3 邊界條件的施加

根據(jù)GB11567-2017的要求，對后防護(hù)裝置的有限元模型施加了邊界條件.兩點(diǎn)加載時(shí)的加載區(qū)域位于距離旋轉(zhuǎn)板最近的保險(xiǎn)杠外端面，分左側(cè)和右側(cè)，由于左側(cè)和右側(cè)屬于對稱關(guān)系，且無需對兩點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行加載，因此,只需對其左側(cè)點(diǎn)進(jìn)行加載計(jì)算.兩點(diǎn)加載100 kN，見圖3.三點(diǎn)加載時(shí)的加載區(qū)域分別位于保險(xiǎn)杠外端面的左側(cè)、中部和右側(cè).由于左側(cè)和右側(cè)屬于對稱關(guān)系，且無需對三點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行加載，因此，只需對其左側(cè)和中部分別進(jìn)行加載計(jì)算.三點(diǎn)加載50 kN，見圖4.

圖3 兩點(diǎn)加載(左側(cè))

圖4 三點(diǎn)加載

1.4 后防護(hù)靜態(tài)加載分析結(jié)果

(1)兩點(diǎn)加載(100 kN)

根據(jù)上述步驟在Workbench中加載求解后得到的總變形見圖5.

圖5 兩點(diǎn)加載后的總變形

(2)三點(diǎn)加載(50 kN)求解結(jié)果

根據(jù)上述步驟在Workbench中加載求解后得到的總變形見圖6和圖7.

圖6 三點(diǎn)加載(兩端)總變形

圖7 三點(diǎn)加載(中間)總變形

由5～7圖可以看出，兩點(diǎn)加載后的變形量為31.217 mm，三點(diǎn)加載后的變形量分別為36.016 mm、17.353 mm.由于三點(diǎn)加載(兩端)相對兩點(diǎn)加載時(shí)的加載點(diǎn)位置距離旋轉(zhuǎn)板較遠(yuǎn)，因此，其變形量相對較大，相差量約4.8 mm.三點(diǎn)加載(中間)時(shí)，由于兩個(gè)旋轉(zhuǎn)板對保險(xiǎn)杠的變形起到一定的限制作用，因此，其變形量相對較小.

2 后防護(hù)裝置性能試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 樣品情況

后防護(hù)裝置采用銷軸式翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，保險(xiǎn)杠橫截面為矩形，材質(zhì)為Q235，外形尺寸為2 400 mm×80 mm×120 mm.

2.2 試驗(yàn)內(nèi)容

試驗(yàn)在剛性臺(tái)架上進(jìn)行，剛性臺(tái)架見圖8.

圖8 剛性臺(tái)架

根據(jù)《GB11567-2017 汽車及掛車側(cè)面和后下部防護(hù)要求》對后防護(hù)裝置進(jìn)行加載，具體加載點(diǎn)位置見圖9，分別對P3左、P3中、P3右、P2左、P2右施加載荷50 kN、50 kN、50 kN、100 kN、100 kN.

圖9 加載點(diǎn)位置

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

對后防護(hù)裝置進(jìn)行三點(diǎn)加載和兩點(diǎn)加載，各加載點(diǎn)的試驗(yàn)載荷及變形量等數(shù)據(jù)見表2.

表2 各加載點(diǎn)的變形量

由表2可以看出，對后防護(hù)裝置強(qiáng)度進(jìn)行有限元仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，由于試驗(yàn)過程中存在不可控因素，致使兩種結(jié)果數(shù)據(jù)存在一些誤差，但誤差均在合理范圍內(nèi)，因此，有限元仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證方法可行.

綜合有限元仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證得到的所有數(shù)據(jù)，最大變形量為41.01 mm，遠(yuǎn)小于《GB11567-2017 汽車及掛車側(cè)面和后下部防護(hù)要求》的上限(<150 mm)，因此，新開發(fā)的具有翻轉(zhuǎn)特性的后防護(hù)裝置滿足強(qiáng)度要求.

3 結(jié) 論

1)有限元仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證的結(jié)果數(shù)據(jù)存在誤差，但誤差在合理范圍內(nèi)，因此，有限元仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證方法可行.

2)后防護(hù)裝置的變形量遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)要求值，因此，后防護(hù)裝置設(shè)計(jì)合理，滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的強(qiáng)度要求.