货车后下部防护装置不同截面横梁在碰撞中的吸能性研究

张志勇

（司法部司法鉴定科学技术研究所，上海200063）

近年来，随着我国高速公路里程及汽车保有量的持续增加，轿车追尾大型车辆的事故也在不断发生，货车后下部防护装置的被动安全问题越来越引起人们的关注。因此，如何改善提高货车后下部防护装置的安全性能对减轻或避免事故中追尾车辆乘员的伤亡有着重要的现实意义。本文从研究货车后下部防护装置几种典型的不同截面横梁的碰撞吸能特性入手，根据《汽车和挂车后下部防护要求》（GB11567.2-2001）标准要求的碰撞试验条件，建立同等壁厚条件下的不同截面横梁FEM模型，进行碰撞仿真分析，进而对几种典型的不同截面横梁的吸能特性做出评价。

1 碰撞过程中的能量传递

碰撞过程中，碰撞能量的主要传递途径是[1]：

（1）通过结构的弹塑性吸收一部分能量（内能）；

（2）通过碰撞车辆之间的速度再分配保留一部分碰撞动能。

为了减弱碰撞过程中的冲击作用，达到保护后车乘员的目的，必须在后防护装置的有限许可范围内，尽可能降低碰撞过程中移动壁障的加速度和延长碰撞时间，提高横梁等主要构件的弹塑性变形所吸收的能量。

碰撞吸能特性涉及的一个重要内容是结构发生弹塑性变形吸收的内能。内能越大，则弹塑性变形吸收的能量越多，碰撞动能的消耗也越多。依据LS-DYNA对碰撞过程中能量变化的分析，碰撞过程中的能量满足下式：

KE+IE＝KE0+EW

式中，KE0为初始动能，EW为外力所做的功，KE为当前系统动能，IE为当前系统内能，内能包括弹性应变能和发生永久塑性变形所做的功。由于一般碰撞过程中不存在外力的作用，因此分析中常假设EW＝0。

2 不同横截面形状横梁FEM模型的建立及边界条件的设定

对于汽车结构的碰撞安全性设计来说，结构横截面是需要考虑的一个重要因素，因为不同的横截面将可能导致结构件的碰撞吸能水平不同[2]。横梁构件虽然简单，但可以有各种不同形状的横截面，本文就横梁构件常见四种不同截面形状（见图1）的吸能性进行同样边界条件下的碰撞仿真分析。

图1 横梁横截面形状示意图

在建立不同横截面的横梁有限元模型时，统一采用Thin Shell163壳单元（采用缺省的Belytschko-Tsay算法，Gauss积分法则），壳单元厚度为6 mm，在壳单元厚度方向采用5点积分；网格划分规格为15 mm×15 mm；材料模型采用塑性随动模型（*MAT_PLASTIC_KINEMATIC），材料选取低碳合金钢；接触方式选用自动单面接触（ASSC）[2]。

为了方便对各不同横截面的横梁的碰撞仿真结果和吸能性进行比较，要求在一个同等的边界条件下进行碰撞计算，本文采取的边界条件为：采取相同的截面周长，采用相同的材料、壁厚（支臂厚度为6 mm，定义为全约束刚体），采用相同的碰撞速度（32 km/h即8 889 mm/s），采用相同的移动壁障刚性墙设置*RIGIDWALL_PLANAR_FINITE_MOVING（有限移动刚性墙），刚性墙质量定义为1.1t。

因为《汽车和挂车后下部仿护要求》（GB11567.2-2001）规定横梁构件的截面高度不小于100mm[2]，本文就以圆形截面直径取100mm为基准，对横梁四种不同的截面形状在保证截面高度不小于100mm的前提下，截面周长取圆形截面周长（314mm），壁厚都取6mm。

3 不同横截面形状横梁的碰撞仿真分析

3.1 圆形截面碰撞吸能性分析

对横梁和移动壁障之间设置了约0.05 m的距离，经过换算LS-DYNA的求解终止时间设为30 ms。

图2～3是圆形横截面横梁受到1.1t刚性墙以32 km/h（8 889 mm/s）的速度撞击的几个时刻的等效应力云图仿真结果，我们可以清楚的看到圆形截面横梁在受到碰撞过程中的应力和变形情况。

图2 11ms时刻碰撞响应

图3 30ms时刻碰撞响应

图4 移动壁障减速度随时间变化曲线

从图4中我们看到移动壁障的减速度随时间变化曲线在开始碰撞第7ms时减速度值迅速达到最大值64g（627m/s2）①图示中横坐标为时间换算单位“s”；纵坐标为减速度换算单位“m/s2”。，表明圆形截面梁在碰撞开始很短时间内就达到材料屈服极限，随后其塑性变形成为主要的变形形态。之后的小幅振荡说明在圆形截面横梁变形的过程中，随着碰撞能量的耗散，其间弹性变形分量产生弹性恢复。总体上，圆截面横梁有很好的塑性变形特性。

从图5中可以清楚的看到圆形横截面横梁受到1.1t刚性墙以32 km/h的速度撞击过程中其吸能曲线整体比较平缓，吸能量峰值为40.5 kJ，其对应的时刻为21ms②图示中横坐标为时间换算单位“s”。。当横梁的吸能量达到峰值后曲线出现了轻微的下滑并最终在29 ms的时候稳定在40.2 kJ，这说明横梁在碰撞过程中除了塑性变形外还存在弹性变形，当碰撞过程持续到横梁的吸能峰值时，刚性墙的速度降为0，然后横梁存在少量的弹性恢复。因此横梁的最大吸能量应为弹性恢复后的40.2kJ。

图5 圆形截面横梁吸能量随时间变化曲线

3.2 双圆形截面碰撞吸能性分析

图6～图7是双圆形横截面横梁与刚性墙碰撞的几个时刻的等效应力云图仿真结果。

从图8中我们可以看到移动壁障在碰撞过程的第 12ms时减速度最大值为 156.6g（1535m/s2）①。从图9中可以看到双圆形截面横梁从第9 ms②开始其吸能量在较短时间内迅速上升，整个碰撞过程的吸能量在第24ms②时达到最大值38.2kJ，并基本保持至碰撞过程结束。从能量曲线上看双圆形截面梁的最大吸能量略低于圆形截面横梁的最大吸能量。

图6 11ms时刻碰撞响应

图7 30ms时刻碰撞响应

图8 移动壁障减速度随时间变化曲线

图9 双圆形截面横梁吸能量随时间变化曲线

3.3 矩形截面碰撞吸能性分析

图 10～图11是矩形横截面横梁与刚性墙碰撞的几个时刻的等效应力云图仿真结果。

从图12中可以看到移动壁障在碰撞开始的第10ms其减速度达到最大值 108.3g（1061m/s2）①。从图13中我们看到矩形截面横梁的能量曲线与双圆形截面相比有所缓和，在碰撞过程结束时达到吸能量最大值38.7kJ。

图10 11ms时刻碰撞响应

图11 30ms时刻碰撞响应

图12 移动壁障减速度随时间变化曲线

图13 矩形截面横梁吸能量随时间变化曲线

3.4 槽钢形截面碰撞吸能性分析

图 14～图15是槽钢形横截面横梁与刚性墙碰撞的几个时刻的等效应力云图仿真结果。

从图16移动壁障的减速度随时间变化曲线，在第8 ms时其最大减速度峰值为74.7 g（732 m/s2）①。 再从图17中可以看到槽钢形截面横梁的能量随时间变化曲线跟矩形截面横梁有点相似，都是在碰撞过程结束时达到吸能量最大值，槽钢形截面横梁的最大吸能量为33 kJ。

图14 12ms时刻碰撞响应

图15 30ms时刻碰撞响应

图16 移动壁障减速度随时间变化曲线

图17 槽钢形截面横梁吸能量随时间变化曲线

对以上四种不同截面的缓冲吸能性主要参数指标（见表 1）：

由表1可清楚地看出四种不同截面横梁的缓冲吸能性能，减速度峰值最大的是双圆形截面，这反映了双圆形截面横梁的刚度要较其他截面形状横梁高。吸收内能最大的是圆形截面横梁，这表明了圆形截面横梁的吸能性要好于其他截面形状横梁。综合评价四种不同横截面横梁的缓冲性能和吸能性能，圆形截面横梁为最佳。

表1 不同截面形状横梁的缓冲吸能对比情况

4 结论

本文对横梁横截面分别取常见圆形横截面、双圆形横截面、矩形横截面和槽钢形横截面四种截面形状时的碰撞缓冲吸能性进行了仿真分析，并得出结论：在同等条件下，圆形横截面横梁的缓冲吸能性能最好。当前《汽车和挂车后下部防护要求》（GB11567.2-2001）中并未对横梁的截面形状提出相关建议，然而面对时有发生的严重追尾事故，本文在此建议同等材料属性下，后防护尽可能选取圆形截面横梁。

参考文献：

[1]顾力强.轿车保险杠和金属缓冲吸能结构的耐撞性研究[D].上海:上海交通大学，2000.

[2]GB11567.2-2001汽车和挂车后下部防护要求[S].2001.