载货汽车后部防侵入装置的研究与分析

一、载货汽车安装防侵入装置的意义

货车的防侵入装置不仅在发生追尾事故时能起到一定程度的缓冲作用，而且还能防止轿车追尾钻进货车尾部，让轿车的被动安全系统发挥其作用。如果货车没有防撞护栏，一旦后方轿车追尾，轿车会很容易钻进货车底部，气囊很难打开，无法起到安全保护作用。而且驾驶员很容易被卡住，生还几率很低。而对于安装了防侵入装置的货车，轿车一旦追尾，其被动安全措施优先发挥作用，有效保证轿车中驾乘人员的安全，大幅度降低事故死亡率。

因此，不少国家和地区都已经出台明确的法律规定，货车尾部必须安装有效的安全防护装置，中国也早在2004年就出台了相关政策。但是由于种种原因，国内普遍的后防护装置安装的是普通防护钢梁，其质量不能够满足安全需求，而且普及率也令人担忧。

笔者在调查中发现，尾部没有安装防侵入装置的货车，能够让追尾轿车最先进的安全保护装置失灵，使相对速度超过40 km/h的轿车前排驾驶员和乘客失去生命。所以在中国地区，货车普及安装防侵入装置具有重要的意义。

二、普及安装货车防侵入装置的策略

目前国内在用货车安装的防侵入装置大多不符合技术标准，甚至很多车辆没有安装。普及安装货车防侵入装置需要付出一定的成本，对于靠长途运输赚辛苦钱的货车车主来说，肯定不情愿。但是，安全无小事，安装货车防侵入装置，普及方式需要一定的策略。

①呼吁主机厂和政府有关部门出台相应的补贴政策，为货车车主们分担一些压力，让他们愿意去更换现有不符合标准的防侵入装置。这样既不用受到处罚，还享受了补贴政策。

②在车辆进行年检时，对于不安装以及安装了不合格防侵入装置的车辆，不给予其继续上路行驶的资质。

③对于新车，需要有相关法规强制安装防侵入装置后才能上市销售。而且，各地车辆管理所也应加强检查，对于防侵入装置不符合规定的不给予上牌的资质。

图1 防侵入装置对追尾轿车起到保护作用

④建立追溯制度，一旦因车辆防侵入装置问题导致重大事故的，严格追查责任，从严处罚。

三、国标对后防侵入装置的技术要求及失效准则

《汽车和挂车侧面和后下部防护要求》（GB 11567.2-2017）中，对N2、N3、O3和O4类车辆的后下部防侵入装置定义了相关的技术要求和失效标准。总的来说可以归结为5类：安装要求、尺寸要求、质量要求、耐撞性要求和吸能性要求。其中质量要求、耐撞性和吸能性要求是本文关心的重点，具体要求如下。

首先，GB 11567.2-2017 中对防侵入装置的加载碰撞试验有明确规定。在按要求进行加载碰撞试验后，变形后防侵入装置的后部与车辆最后端的纵向水平距离不能超过 400 mm（测量时，处于空载状态下的车辆上与地面的垂直距离大于3 m的部分除外）。一旦超过 400 mm，防侵入装置将发生塑性变形失效或者断裂脱落失效。在与规定的移动壁障进行碰撞的过程中，防侵入装置可以变形开裂，但不许整体脱落。

其次，防侵入装置在进行仿真及优化设计的碰撞试验过程中，防侵入装置应能吸收碰撞能量以缓和冲击，要求移动壁障的最大减速度不大于40G，反弹速度不大于 2 m/s。

图2 市面上防侵入装置典型结构

图3 新型防侵入装置结构

因此，对货车后下部防侵入装置应该是有着良好的质量性、耐撞性和吸能性。其中耐撞性最为重要。

四、一种新型防侵入装置设计及性能分析

1.新型防侵入装置结构

本文所提出的新型防侵入装置，是在市面上常规产品中选出的典型结构基础上（图2），改进完成的一款产品。新型防侵入装置针对车体更窄的集装箱货车（半挂车）进行设计，这类货车的后部货厢的防滑出结构都有横梁，新型防侵入装置是附加在横梁的左右两侧，连接位置使用焊接，以山字形钣金结构作为焊接接触面（图3）。新型防侵入装置的高度更高，并针对小角度碰撞进行优化，结构更加科学合理，更加完善。

新型防侵入装置选择304钢材作为构建材料，钢材数据如图4所示。其中，弹性模量、中泊松比、质量密度和屈服强度是进行有限元应力分析时实际需要使用到的对应属性。304钢材在多次实验、造价以及制造难度上是相对最均衡、最经济的。

2.对新型防侵入装置进行有限元分析

图4 304钢材参数

图5 有限元分析网格准备

有限元分析，是一种将大型零件划分为网格状零件块，再进行逐一受力分析，将分析数据最终结合的受力分析方法。本文本实验使用有限元分析法，将整体防侵入装置进行建模，对建模装配体采用分块受力分析的有限元分析进行宏观的应力、形变等详细数据的模拟分析。建模采用实际数据1：1 设立，包括焊接、铆接和螺栓等多种固定方式引入建模。针对建模材料我们使用实际材料的屈服力、应力和密度等数据，以保证有限元分析的最接近性。

针对结果的确定性，本文使用了最高等级网格细分，雅可比点4点细分结果（图5）。

由于新型防侵入装置结构的加长，因此常规的撞击位置会相对于典型结构更加向上，外部载荷的施加也会更加靠上。而且因为集装箱货车支撑梁的位置，载荷的施加也将会更加极端，处在右侧支撑柱的略靠右位置。本次实验模拟采用100 kN 模拟受力，受力集中位置在右侧支撑柱的偏右位置（图6）。

3.结果分析

（1）应力分析

图6 外部载荷加载位置

图7 应力分析图

在100 kN的不均匀压力下，对于传统典型结构的防侵入装置来说，由于纵向支架的数量，使得横向的方钢得到了更强的横向均力的能力。在这种情况下，防侵入的主要途径是横向均力、保证结构完整性以及强度。但是新型防侵入装置则不同，其更多的是通过扭转纵向的钣金筋板，把横向的受力通过扭转的过程平均到纵向的筋板上，再通过横向的方钢将旋转的趋势平均到另一个纵向筋板上（图7）。

（2）位移分析

由应力分析得知，新型防侵入装置是通过扭转使得施加在结构体上的力平均分布。如图8所示，位移的最大部分在横梁的端点。紧接着，位移发生的最明显位置不再通过方钢进行延伸，而是向上延伸到了筋板位置。筋板的设计采用了镂空三角，筋板整体也保持了一个三角的结构。同时，筋板的前端和后端使用了折弯钢板和区字形钢板，进行前后方向也就是X轴的加固，保证筋板的X轴不会发生大程度扭转。在筋板扭转的同时，力和位移被再次向另一端传导。由于另一侧筋板的X轴方向加固使得非本身受力被抵消，这种扭转的趋势也就停止，因此另一侧筋板基本没有位移。

（3）安全系数分析

安全系数图同样也可以很好地体现出扭转发生的位置。由图9可以看到，受力侧筋板的中间位置有一处蓝色区域，这个区域即为扭转发生的中心位置，而安全系数低的位置集中在筋板两侧的加强板上，这说明加强板的设计实际产生了效果。一种随机的、不确定性的非扭转力被加强板所抵消，这种情况下就保证了扭转的发生。

图8 位移分析图

图9 安全系数图

同时，不仅仅是因为加强板，安全系数图中受力板的蓝色和绿色位置组成了三角形区域，这个三角形区域是扭转完整发生的必要产生前提。更加靠近加强板的绿色区域是应力最为集中、安全系数最低的部位，在增加了加强板之后，这些区域的应力被平均到了加强板上。这样，扭转使得结构的整体性得以保持，同时二者之间会产生蓝色区域，也就是我们之前说的扭转中心，扭转会沿着这个中心轴发生。

力的延伸在安全系数图中也有更加详细的体现。由安全系数图可以看出，安全系数随着方钢的延伸逐渐升高，在到达另一根筋板的位置处，受力向上延伸。受力的主体此时应该向筋板增加扭转的趋势，而筋板厚度只有3 mm，不足以支撑，但筋板不能发生集中受力，加强板的添加使得筋板的受力被分担。

（4）结论

通过上述应力、位移以及安全系数分析，本文中在现有通行货车后部防侵入装置基础上进行的新型防侵入装置，彻底改善了受力变形状态，提高了安全性。