护栏碰撞的汽车模型标准化

蔡 路， 王成虎

（1.北京科技大学，北京 100083；2.交通运输部公路科学研究院，北京 100088）

0 引言

目足尺实车碰撞试验是检验安全防护设施防护功能最直观、可靠的方法，它是通过实际车辆以一定的速度和角度碰撞护栏，分析车辆在整个碰撞过程中的运行状态和参数来检验护栏防护能力的一种方法。

目前，国内有关部门根据我国公路状况、车辆行驶状况，并结合国际相关行业标准制定了《高速公路护栏安全性能评价标准》（JTG/T F83-01-2004），该标准是安全防护设施性能评价标准和检验标准的参考依据。在公路护栏检验碰撞试验中，该标准下的试验车型选择条件过于粗略，实车碰撞试验所使用的车辆并不能完全代表当前公路上行驶的主流车型。使得试验与实际道路中所需防护的车型存在一定的偏差。

为了让实车碰撞试验的车型标准化、规范化，本文通过调研分析，得出了主流车型表，并最终建立了在我国具有较高保有量的汽车模型。这使得护栏的研发和评价工作更切实符合本国道路交通状况，有利于提升我国护栏安全性能的研究。

1 汽车模型的选取

统计显示[1]，中国汽车市场2010年的快速增长，对全球汽车保有量的增长起到了重要作用。2010年，中国在用汽车的保有量同比增长27.5%，增量超过1680万辆，这个数字接近同期全球新增汽车保有量的一半。资料显示：截至2003年底，全国个人汽车保有量为1242万辆，比2002年增加247万辆，增长率为24.8%。其中，个人轿车489万辆，比2002年增加146万辆，增长速率为42.7%。而2006年至2010年，汽车保有量年均增加951万辆。截至2010年6月底的数据来看，全国机动车总保有量达2.17亿辆。其中，汽车9846万辆，摩托车1.02亿辆。2011年前八个月，汽车保有量增加983万辆，月均增加123万辆；高于2010年同期月均113万辆的增量。其中，私人小型载客汽车增加782万辆，月均增加98万辆（据此计算，相当于日均增加3.27万辆，每小时平均增加1363辆，每分钟平均增加23辆车），占汽车增量的79.45%，是汽车实现快速增长的主要因素。

同样根据公安部交通管理局消息[2]，截至2011年11月，全国机动车保有量达2.25亿，机动车驾驶人数量达2.34亿人，汽车保有量达1.06亿辆，许多城市以进入汽车社会。

预测结果分析[3]我国未来的汽车保有量主要取决于经济发展速度和能源供应，对趋势外推法、弹性系数法、国内外情景类比法和运输工作量计算等预测结果进行综合分析，以确定2010年、2020年及2030年我国的汽车保有量。在不同预测方法下我国汽车保有量预测结果见表1。

本文统计了全国大陆各省市保有量排名前十的各车型，如图1所示。其中包括桑塔纳 （桑塔纳、桑塔纳2000、桑塔纳 3000）、捷达、夏利 TJ7101、帕萨特1.8T、富康、长安奥拓、伊兰特1.6、凯越1.6、雅阁2.4、雅阁2.0。

就目前看来，民用小型轿车还是占民用车保有量的主导地位，所以在民用车里面选取一款保有量最高的车型是可取的。由图1可知，桑塔纳比重占到了30%，是所有车型保有量最高的。因此桑塔纳是最具有广泛参考性，也最能够代表目前中国的主流车型。

表1 不同预测方法下汽车保有量预测结果

图1 各车型所占比重

2 实车拆卸与扫描

车型确定好桑塔纳2000后，首先需要选取一辆拆卸其零部件，然后通过三维扫描重新建模并组装。由于我们只需了解汽车的整体受力情况，因此在拆车过程中，汽车主要被拆成车身、底盘、发动机、内室四个大的部分。

值得注意的是，在拆车过程中，还得考虑各钣金件的搭接，各个铰链的安装位置及方式，焊点或者焊缝的位置，这是保证车壳强度的因素，一般国内厂家会做一些焊点或者焊缝的删减、添加；然后把握好车身强度要求；最后把握拆车的次序。这可以导出车体的大致结构，可以增强对钣金件的认知，理顺思路。

在白车身拆解过程中，最主要是分析清焊接关系，分清主焊线。若是要做逆向建模，点云扫描的完整性及车身报告输出的必要条件要准备完善。图2为实际拆车的部分构件，图3为点云处理图。

图2 轮胎、叶子板、车门、白车身构件图

图3 轮胎、叶子板、车门、白车身点云图

3 有限元模型建立

在整车网格划分中对外形较复杂部件进行网格划分时一般按照以下几个步骤进行：

（1）先对整体进行几何清理，清除多余的自由边、T形边和重复面，对残缺部分进行补全。

（2）清除不必要的几何特征。

（3）对共享边进行合并，切割调整。其中对共享边进行调整时在几何形状边角和边缘处的共享边需保留，在平面内部的共享边可以取消。共享边最好能够连续贯穿整个面。

（4）划分网格一般从形状较为复杂的小面开始划分。每划分一个面都要进行网格检查，检查最小边、翘曲度、最大/最小角度等因素。如果不满足要求进行调整后重新进行网格划分，直到满足要求为止。

（5）在网格检查中不满足要求的网格如果是网格翘曲度过大可以将该四边形网格劈开为两个三角形网格；如果网格某边太短在平面内可以适当往两边小范围移动；如果夹角过大或过小可以将节点适当地在平面内移动。

（6）在网格划分中一定要避免单排网格和单边连接网格出现，否则该网格在计算中将会发生不可预知的变形，甚至使计算无法进行。图4为汽车各部件有限元模型。

确认各构件模型的网格划分完成后，则需要对其进行参数设置，并按照车辆拆卸之前的尺寸以白车身为基础进行组装，如图5所示。

图4 轮胎、叶子板、车门、白车身有限元模型

图5 组装后的整车有限元模型

4 结论

经测试，小客车模型可以作为护栏-车辆碰撞的计算机仿真模拟计算模型。与实车碰撞试验结果的拟合度较高。项目研究工作取得的成绩创新点如下：

（1）形成了符合我国实际道路交通状况的碰撞试验的小客车车型表。

（2）建立与我国主流车型一致的，目前市场保有量最大的小型客车模型。

[1]时代汽车编辑部.全球汽车保有量与中国汽车保有量[J].时代汽车，2012，01.

[2]内燃机与配件编辑部.中国机动车保有量达2.25亿辆汽车保有量过亿[J].内燃机与配件，2012，2.

[3]马艳丽，高月娥.我国未来汽车保有量情景预测研究[J].公路交通科技，2007，1.