重型货车后下部防护装置碰撞仿真试验研究

冯文涛,冯诗源

(1.铁岭师范高等专科学校 对外交流合作处,辽宁 铁岭 112601;2.吉林大学 交通学院,吉林 长春 130025)

后下部防护装置是指由横向构件和连接结构件组成,并且固定在底盘部件上或车辆其他结构件上的装置[1].有研究表明,小型轿车追尾重型货车所造成的伤亡人数约占所有交通事故伤亡人数的3/5[2],而具备有效缓冲吸能作用的后下部防护装置可将追尾事故中司乘人员的死亡率降低至10%[3].国内外专家学者主要运用计算机仿真模拟对后下部防护装置的碰撞安全性能进行研究.Balta等通过改变其构造,对有限元模型进行优化,从多方面考虑选择了最佳方案[4];Ruecker等基于实车碰撞试验的基础上指出,当前标准中对后下部防护装置横向构件下边缘距地高度的要求不能有效缓冲吸能并防止小型轿车发生钻入碰撞,并对当前的标准提出一些修改意见[5];朱西产等构建了移动可变形壁障,分析了后下部防护装置距地高度与材料刚度对防止钻入的影响[6];尹岩等通过对比中美两国标准发现了我国标准的一些不足,并提出了适当的建议[7].目前的研究更多关注在防护范围上,而忽视了防护装置结构和选材的研究.因此,调查现有货车后下部防护装置的安装现状与结构形式,模拟仿真其碰撞过程,找出存在的不足,并在此基础上提出改进意见,对提升公路交通被动安全具有重要意义.

1 货车后下部防护装置的技术要求

GB 11567-2017《汽车及挂车侧面和后下部防护要求》[1](以下简称《要求》)对4种类型车辆的后下部防护要求进行了明文规定,并在附录B、C中介绍了静态加载与追尾碰撞两种检测防护装置性能的试验要求.其中,移动壁障追尾碰撞试验使用移动壁障撞击重型货车后下部防护装置,检验其阻挡及缓冲吸能效果.

《要求》中对移动壁障的质量、表面强度以及尺寸参数作出了明确的规定,并且要求其碰撞面应覆盖20 mm厚的优质胶合板,碰撞瞬时速度应在30～32 km/h范围内.如果试验在更高的速度下进行,后下部防护装置仍能满足国家标准要求,也视其性能为优良.试验结果满足下述要求其技术性能即视为合格:

(1)防护装置可以变形或开裂但不能整体脱落;

(2)防护装置应能吸收碰撞产生的能量并缓和碰撞造成的冲击,且移动壁障的减速度不得大于40g(392 m/s2),反弹速度小于2 m/s;

(3)碰撞后防护装置的后部与车辆最后端的纵向水平距离不大于400 mm.

2 后下部防护装置仿真模型构建

2.1 几何模型构建

根据《要求》的规定,利用Solid Works软件建立几何模型,并将横向构件的截面高度分别设为120 mm与140 mm.该几何模型由固定壁障、半挂车车架后部、后下部防护装置以及移动壁障所组成,且移动壁障为刚性结构并于前端覆盖一层厚度为20 mm的优质胶合板.碰撞接触过程中,由于只有移动壁障前端与后下部防护装置的横向构件发生碰撞接触,故可以忽略车架之间的连接并略去了一些孔及其他部件的建立.

2.2 有限元模型

所建有限元模型如图1所示.将其固定壁障、车架后部、防护装置以及移动壁障进行网格划分,两者分别有26 726、27 196个节点,两者分别包含24 726、25 196个壳单元和2 000个实体单元.

3 后下部防护装置碰撞性能分析

根据《要求》,将后下部防护装置的下边缘距地高度设为500 mm,移动壁障下边缘距地高度设为240 mm.移动壁障沿-Y方向运动且不设置任一方向的运动偏离,运动速度为-32 km/h(-8888.89 mm/s).所以,在碰撞接触后只计算移动壁障在Y方向的反弹速度、碰撞加速度和固定壁障的形变位移.由仿真结果可知,碰撞过程中横向构件两侧边缘形变最严重,故选取该节点作为后下部防护装置最大位移参考点(见图2).

仿真结果与附录C的要求进行对比,结果如表1所示.

表1 后下部防护装置仿真数据与国标要求对比

移动壁障与120 mm横向构件碰撞过程运动速度曲线如图3(见54页)所示.由图3可知,由120 mm横向构件搭建的防护装置无法阻挡移动壁障钻入.移动壁障与140 mm横向构件碰撞过程运动速度曲线如图4(见54页)所示.从图4可知,140 mm横向构件由于其与移动壁障的有效接触面积增大,以及横向构件本身材料刚度的影响,0.074 s时横向构件发生回弹可将移动壁障排出大型货车车架后下部.以上结果可以说明,当横向构件截面高度大于140 mm时该后下部防护装置可以满足国标要求,通够有效缓冲吸能,阻止钻入碰撞.

4 结论

根据《要求》对某品牌重型仓栅式半挂车后下部防护装置进行建模及有限元分析,分别选用国家标准规定的120 mm和半挂车自身配备的140 mm截面高度作为其横向构件建模依据.经过仿真模拟得出,选用120 mm横向构件的后下部防护装置无法有效阻挡移动壁障发生钻入碰撞,140 mm横向构件的防护装置可以有效阻挡车辆发生钻入.研究表明,适当增加横向构件的宽度能够使车辆在发生追尾碰撞的过程中增大有效碰撞接触面积,避免追尾车辆进一步发生钻入.