貨車后下部防護(hù)裝置碰撞仿真及優(yōu)化設(shè)計(jì)

葉新娜1，楊 明1，張志勇

(1.河南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450000，2.司法部司法鑒定科學(xué)技術(shù)研究所，上海 200063)

筆者對(duì)大量貨車進(jìn)行了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)車輛(包括新出廠的車輛)安裝的后下部防護(hù)裝置雖然在安裝尺寸上滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但是難以保證最基本的防止鉆撞功能。載貨汽車和乘用車碰撞事故的主要形態(tài)是追尾碰撞中乘用車鉆入載貨汽車的后下部，造成乘用車車內(nèi)乘員的高致死率和高致殘率；為此，研究汽車防護(hù)裝置的碰撞特性，對(duì)于提高汽車碰撞安全性具有重要意義。

1 國(guó)標(biāo)對(duì)車輛后下部防護(hù)裝置的技術(shù)要求及失效準(zhǔn)則

為了達(dá)到“如果M1和N1類車輛與N2、N3、O3和O4類車輛發(fā)生碰撞時(shí)能夠提供有效的保護(hù)，以防止發(fā)生鉆撞”的根本目的，GB 11567.2—2001《汽車和掛車后下部防護(hù)要求》對(duì)N2、N3、O3和O4類車輛的后下部防護(hù)裝置定義了相關(guān)的技術(shù)要求和失效標(biāo)準(zhǔn)，總的來(lái)說(shuō)可以歸結(jié)為5類：安裝要求、尺寸要求、質(zhì)量要求、耐撞性要求和吸能性要求[1]。其中耐撞性和吸能性要求是本文關(guān)心的重點(diǎn)，具體要求如下。

1)后下部防護(hù)裝置在與規(guī)定的移動(dòng)壁障進(jìn)行碰撞的過(guò)程中，后下部防護(hù)裝置可以變形、開(kāi)裂，但不許整體脫落。

2)后下部防護(hù)裝置在與規(guī)定的移動(dòng)壁障進(jìn)行的碰撞過(guò)程中，后下部防護(hù)裝置應(yīng)能吸收碰撞能量以緩和沖擊，要求移動(dòng)壁障的最大減速度不大于40g，反彈速度不大于2 m/s。

3)按要求進(jìn)行試驗(yàn)后，由于靜態(tài)加載力的作用或移動(dòng)壁障的碰撞，使后下部防護(hù)裝置發(fā)生變形，則在變形后裝置的后部與車輛最后端(測(cè)量時(shí)處于空載狀態(tài)下的車輛上與地面的垂直距離大于3 m的部分除外)的縱向水平距離不能超過(guò)400 mm。

國(guó)標(biāo)中規(guī)定了后下部防護(hù)發(fā)生變形后裝置的后部與車輛最后端的縱向水平距離不能超過(guò)400 mm，意味著超過(guò)400 mm后下部防護(hù)裝置將發(fā)生塑性大變形失效或者斷裂脫落失效。

因此，對(duì)貨車后下部防護(hù)裝置的要求應(yīng)該是有良好的耐撞性，同時(shí)有較好的吸能性，其中耐撞性是主要要求。

2 仿真模型的建立

2.1 幾何模型

圖 1 移動(dòng)壁障碰撞后下部防護(hù)裝置示意圖

2.2 有限元模型

對(duì)貨車普遍采用的支臂橫梁式后下部防護(hù)裝置建立的有限元模型[2]見(jiàn)圖2。形成有限元模型后的單元總數(shù)為10萬(wàn)5 429，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為3萬(wàn)1 841，實(shí)體單元為3D Solid164，采用缺省的Lagrange算法[3]，殼單元為Thin Shell163，采用缺省的BT算法，Gauss積分模式。

圖 2 后下部防護(hù)裝置的碰撞仿真有限元模型

為了達(dá)到更真實(shí)的動(dòng)畫效果又盡可能地縮短仿真時(shí)間，在構(gòu)建幾何模型和有限元模型時(shí)，將后下部防護(hù)裝置橫梁末端到移動(dòng)壁障之間的距離設(shè)置為0.1 m，這樣LS-DYNA的求解終止時(shí)間約為180 ms。

3 貨車后下部防護(hù)裝置碰撞性能分析

通過(guò)ANSYS/LS-DYNA仿真，輸出的180 ms時(shí)刻的結(jié)構(gòu)變形響應(yīng)結(jié)果如圖3所示。

圖 3 180 ms后下部防護(hù)裝置被撕裂脫落情況

后下部防護(hù)裝置支臂發(fā)生了較大的塑性變形，而后防護(hù)橫梁變形量相對(duì)要小的多。其原因是在發(fā)生碰撞過(guò)程中，后防護(hù)支臂承擔(dān)了大部分的沖擊能量[4]。當(dāng)沖擊力大于支臂材料本身的屈服極限時(shí)，后防護(hù)支臂開(kāi)始發(fā)生塑性屈服變形，同時(shí)吸收掉大部分的沖擊能量。另外一個(gè)重要原因是，碰撞過(guò)程中后防護(hù)支臂是最薄弱的環(huán)節(jié)，最終導(dǎo)致發(fā)生鉆撞。

由此可知，該型重型貨車后下部防護(hù)裝置未能達(dá)到國(guó)標(biāo)要求的防止鉆撞功能，其根本原因在于后防護(hù)支臂壁厚太薄[5]；因此，要提高后下部防護(hù)裝置的耐撞性，就要提高后防護(hù)支臂的抗撞能力[6]。

4 后下部防護(hù)裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)

在移動(dòng)壁障全寬范圍內(nèi)(距后防護(hù)橫梁端部0.45 m)與車架縱梁間增加一根截面為100 mm×65 mm的方形斜支撐，見(jiàn)圖4。

圖 4 增加斜支撐的后下部防護(hù)裝置

4.2 優(yōu)化后的碰撞仿真

利用LS-DYNA對(duì)優(yōu)化后的后下部防護(hù)裝置(支臂、斜支撐壁厚都取1.5 mm最小值時(shí))的計(jì)算結(jié)果經(jīng)LS-PREPOST處理后，輸出180 ms時(shí)刻的結(jié)構(gòu)變形響應(yīng)圖，如圖5所示。

圖 5 優(yōu)化后180 ms時(shí)刻碰撞響應(yīng)示意圖

壁厚為1.5 mm的斜支撐是方形截面，因此其寬度內(nèi)總壁厚為3 mm，其剛度也稍微大于后防護(hù)支臂，所以在碰撞前半部分其塑性變形小于后防護(hù)支臂變形。當(dāng)碰撞持續(xù)到41.4 ms時(shí)，斜支撐與后防護(hù)支臂變形開(kāi)始同步。這樣的剛度搭配可以使后防護(hù)橫梁塑性變形較小的兩端位移量不會(huì)太大[7]，更容易達(dá)到國(guó)標(biāo)要求的縱向水平方向(X方向)的位移量要求；但由于斜支撐與后防護(hù)支臂壁厚都比較小，整體剛度較差[8]，因此后下部防護(hù)裝置整體位移量仍較大。

4.3 動(dòng)力響應(yīng)特性分析

4.3.1 位移變化分析

圖6和圖7分別為優(yōu)化前后防護(hù)裝置碰撞最大變形圖，圖8與圖9分別為優(yōu)化前后防護(hù)裝置碰撞位移-時(shí)間曲線圖。

圖 6 節(jié)點(diǎn)1和1657的位置(優(yōu)化前)

圖 7 節(jié)點(diǎn)3953的位置(優(yōu)化后)

從仿真結(jié)果來(lái)看，位移量最大的部位都是后防護(hù)橫梁兩端。

圖 8 節(jié)點(diǎn)1657的位移隨時(shí)間變化曲線(優(yōu)化前)

圖 9 節(jié)點(diǎn)3953的位移隨時(shí)間變化曲線(優(yōu)化后)

從圖9可看出最大位移量節(jié)點(diǎn)3 953的位移量剛好在400 mm附近，說(shuō)明經(jīng)過(guò)優(yōu)化的后下部防護(hù)裝置支臂和斜支撐壁厚都取1.5 mm的最小值時(shí)耐撞性基本達(dá)到國(guó)標(biāo)要求。

4.3.2 移動(dòng)壁障速度、減速度變化分析

圖10和圖11分別是后下部防護(hù)裝置優(yōu)化前后移動(dòng)壁障在碰撞過(guò)程中的速度-時(shí)間曲線。

圖 10 優(yōu)化前移動(dòng)壁障的速度-時(shí)間曲線

圖 11 優(yōu)化后移動(dòng)壁障的速度-時(shí)間曲線

由圖11可看出在14.4 ms時(shí)移動(dòng)壁障與優(yōu)化后的后下部防護(hù)裝置發(fā)生碰撞后，其速度與時(shí)間呈約45°的線性關(guān)系，在75.5 ms時(shí)速度降為零，隨后出現(xiàn)了小幅反彈，反彈速度為0.77 m/s，略高于未加斜支撐的后防護(hù)支臂取防鉆撞最小壁厚時(shí)的速度0.5 m/s，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖 12 優(yōu)化前移動(dòng)壁障的減速度-時(shí)間曲線

圖12和圖13是后下部防護(hù)裝置優(yōu)化前后移動(dòng)壁障的減速度-時(shí)間曲線。優(yōu)化后曲線顯示移動(dòng)壁障最大減速度峰值為250 m/s2，略高于優(yōu)化前未加斜支撐的后防護(hù)支臂取防鉆撞最小壁厚時(shí)的240 m/s2，低于國(guó)標(biāo)規(guī)定的最大減速度不超40g(392 m/s2)，說(shuō)明其吸能性滿足要求。

圖 13 優(yōu)化后移動(dòng)壁障的減速度-時(shí)間曲線

4.3.3 能量變化分析

圖14和圖15分別為后下部防護(hù)裝置優(yōu)化前后各構(gòu)件吸收能量情況隨時(shí)間的變化曲線。

圖 14 優(yōu)化前支臂吸能時(shí)間曲線

圖 15 優(yōu)化后支臂吸能時(shí)間曲線

圖15顯示優(yōu)化后的后下部防護(hù)裝置支臂最大吸能量為4.84 kJ，遠(yuǎn)小于優(yōu)化前的12.40 kJ。

圖 16 優(yōu)化前橫梁吸能時(shí)間曲線

圖 17 優(yōu)化后橫梁吸能時(shí)間曲線

圖16和圖17顯示后下部防護(hù)裝置優(yōu)化前后的后防護(hù)橫梁最大吸能?？梢钥闯龊笙虏糠雷o(hù)裝置優(yōu)化后的后防護(hù)橫梁最大吸能為14.97 kJ，略低于優(yōu)化前的16.88 kJ。

圖18為后下部防護(hù)裝置優(yōu)化后的斜支撐構(gòu)件最大吸收能量?？梢钥闯龊笙虏糠雷o(hù)裝置增加斜支撐優(yōu)化后斜支撐構(gòu)件的最大吸收能量為16.11 kJ，成為了后下部防護(hù)裝置所有構(gòu)件中吸收能量最大的構(gòu)件。斜支撐構(gòu)件分擔(dān)了后防護(hù)支臂大部分的沖擊能量[9]。表1列出了后下部防護(hù)裝置增加斜支撐優(yōu)化后與優(yōu)化前的能量吸收情況。

圖 18 優(yōu)化后斜支撐吸能時(shí)間曲線

優(yōu)化前后后防護(hù)支臂吸能量/kJ后防護(hù)橫梁吸能量/kJ斜支撐構(gòu)件吸能量/kJ總吸能量/kJ 與車架縱梁連接構(gòu)件壁厚/mm優(yōu)化前12.4016.8829.28后防護(hù)支臂:6優(yōu)化后4.8414.9716.1135.92后防護(hù)支臂:1.5斜支撐構(gòu)件:1.5

表1表明優(yōu)化后的后下部防護(hù)裝置總吸能量大于優(yōu)化前，并且裝置吸能性比優(yōu)化前要好得多[10]，這表示優(yōu)化后的后下部防護(hù)裝置達(dá)到了防止鉆入碰撞的最基本要求。

5 結(jié)論

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB 11567.2—2001《汽車和掛車后下部防護(hù)要求》的要求，利用ANSYS/LS-DYNA建立了貨車后下部防護(hù)裝置仿真模型，進(jìn)行了移動(dòng)壁障全寬碰撞的仿真研究，對(duì)支臂橫梁式后下部防護(hù)裝置通過(guò)增加側(cè)面斜支撐構(gòu)件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并對(duì)優(yōu)化后的后下部防護(hù)裝置的碰撞仿真結(jié)果與優(yōu)化前進(jìn)行了優(yōu)劣對(duì)比。仿真分析結(jié)果表明，利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)進(jìn)行汽車碰撞研究可以完善結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高汽車被動(dòng)安全性能，從而縮短開(kāi)發(fā)周期，降低開(kāi)發(fā)費(fèi)用，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力[11]，進(jìn)而達(dá)到防止安裝了不合格后下部防護(hù)裝置的車輛進(jìn)入社會(huì)的目的，對(duì)開(kāi)展后下部防護(hù)裝置的設(shè)計(jì)工作具有積極推動(dòng)意義。

[1]GB 11567.2—2001汽車和掛車后下部防護(hù)要求[S].

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