大客車側(cè)翻碰撞護(hù)欄事故仿真分析及改進(jìn)

王 蕊， 張曉云， 馮 浩, 陳建國(guó)

(1.上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力學(xué)院,上海 200240； 2. 司法部 司法鑒定科學(xué)技術(shù)研究所,上海 200063)

交通事故不僅給生活、生產(chǎn)帶來(lái)較大危害，且對(duì)社會(huì)穩(wěn)定、發(fā)展亦造成較大負(fù)面影響。因此，對(duì)交通事故過(guò)程分析及人體傷害防范的數(shù)值仿真技術(shù)廣受關(guān)注。目前，交通事故數(shù)值仿真技術(shù)研究主要集中于小客車碰撞事故，忽視了大客車交通事故及安全設(shè)計(jì)需求。實(shí)際上我國(guó)大、中型客車所致事故數(shù)量及死亡人數(shù)占有較大比例。調(diào)查表明，造成“群死群傷”的惡性重大交通事故多與大客車碰撞、翻滾等事故形態(tài)有關(guān)。如，2011年9月14日上海發(fā)生的大客車側(cè)翻事故，死傷24人；2011年10月7日天津發(fā)生相同事故，死亡35人。兩起事故中大客車均在側(cè)翻后與路邊護(hù)欄發(fā)生碰撞，故而傷亡慘重。因此，針對(duì)大客車碰撞事故，結(jié)合車身及車內(nèi)變形等重要信息，研究適用事故仿真及防范方法具有重要的理論意義與實(shí)用價(jià)值。

本文類比此兩起交通事故，以某12 m長(zhǎng)大客車車身骨架為對(duì)象，在HYPERMESH中模擬事故發(fā)生環(huán)境用LS-DYNA進(jìn)行運(yùn)算，后處理結(jié)果在HYPERVIEW中觀察仿真大客車側(cè)翻碰撞護(hù)欄并向前滑行過(guò)程。通過(guò)改進(jìn)材料及設(shè)計(jì)，探索減小事故損失方法。

1 側(cè)翻事故有限元模型建立

1.1 側(cè)翻事故客車模型前處理

大客車側(cè)翻事故研究對(duì)象主要包括大客車及碰撞護(hù)欄兩大部分，整體碰撞事故環(huán)境為：

(1)以大客車車身骨架及車架為板殼單元，底盤(pán)車輪、軸、發(fā)動(dòng)機(jī)為實(shí)體單元，前后6個(gè)空氣彈簧懸架及整體橋結(jié)構(gòu)的導(dǎo)向桿系分別為剛性單元、梁?jiǎn)卧?，并忽略蒙皮、玻璃、?nèi)飾板等非承載件，見(jiàn)圖1。板殼單元基準(zhǔn)面為實(shí)際結(jié)構(gòu)中面，結(jié)構(gòu)間用共節(jié)點(diǎn)、剛性連接、點(diǎn)焊等模擬連接關(guān)系[1-7]。施加質(zhì)量單元模擬大客車重力，使模型總質(zhì)量、重心位置與實(shí)車一致。

(2)據(jù)文獻(xiàn)[8]規(guī)定，選單坡型路側(cè)混凝土護(hù)欄(防撞等級(jí)為SB級(jí))，尺寸參數(shù)按標(biāo)準(zhǔn)確定，建立橫截面為等腰梯形的護(hù)欄幾何模型，并劃分為合適大小六面體實(shí)體單元，置于大客車車輪同一水平面處?；炷磷o(hù)欄為剛性護(hù)欄，用有限元建模護(hù)欄可對(duì)大客車碰撞護(hù)欄事故充分評(píng)價(jià)[9]。

(3)為方便大客車旋轉(zhuǎn)定義，在大客車輪胎下方建立翻滾平臺(tái)。翻滾平臺(tái)側(cè)邊與相鄰護(hù)欄底邊間距2597 mm，此為高度仿真大客車側(cè)窗處與護(hù)欄碰撞事故，可在一定程度內(nèi)變動(dòng)。

(4)文獻(xiàn)[10]對(duì)大客車內(nèi)生存空間位置與尺寸有嚴(yán)格規(guī)定。而生存空間為可保證乘員生命安全、衡量車體合格與否的重要標(biāo)準(zhǔn)。據(jù)生存空間形狀的不變性，為簡(jiǎn)化計(jì)算，略去建立此部分模型，而改用在仿真結(jié)果圖中進(jìn)行繪制示意方式(圖中尺寸、位置嚴(yán)格按建模比例縮放獲得)。

(5)側(cè)翻事故大客車有限元模型見(jiàn)圖1、圖2。共有單元683907個(gè)，節(jié)點(diǎn)695298個(gè)。其中三角形單元數(shù)量9719，占1.42%，滿足小于5%要求。

圖1 大客車有限元模型

1.2 材料參數(shù)設(shè)置

車體模型中主要采用兩種材料：①M(fèi)AT20剛體材料即大客車輪胎、發(fā)動(dòng)機(jī)及增加的護(hù)欄等不變形部件；②MAT24分段線性塑性材料即車身各變形部件。底盤(pán)部分用20#碳素鋼，車身上部用Q235[6]，改進(jìn)材料Q345，其屬性見(jiàn)表1。參照實(shí)際事故中混凝土護(hù)欄基本不變形事實(shí)(圖3)，為提高運(yùn)算效率，護(hù)欄模型材料選MAT20剛體材料。

1.3 初始條件及接觸設(shè)置

將翻滾平臺(tái)靠近護(hù)欄側(cè)及護(hù)欄全約束。為計(jì)算效率及穩(wěn)定，將翻滾平臺(tái)預(yù)先自豎直位置旋轉(zhuǎn)45°作為初始位置；在0～0.1 s使翻滾平臺(tái)以5°/s角速度旋轉(zhuǎn)，以保證大客車能翻過(guò)臨界位置而不影響計(jì)算結(jié)果。整車模型有沿x方向的初速度10 m/s(36 km/h)。

表1 材料屬性表

圖3 實(shí)際交通事故中護(hù)欄

單面接觸用于單個(gè)物體表面的自接觸或與另一物體表面的相互接觸，無(wú)需定義接觸面與目標(biāo)面，適用于求解預(yù)先未知接觸表面大變形問(wèn)題，計(jì)算時(shí)精確、快速[5]。因此在汽車碰撞仿真分析中，為防止各部件間發(fā)生相互穿透或部件產(chǎn)生大變形時(shí)自身產(chǎn)生穿透現(xiàn)象，采用單面接觸以提高數(shù)值計(jì)算的穩(wěn)定性及效率。碰撞分析時(shí)，采用自動(dòng)接觸方式，可減少工作量[7]。側(cè)翻過(guò)程中，車體與地面接觸定義為剛性墻接觸，并定義車身與地面間摩擦數(shù)為0.3。車體與護(hù)欄間采用自動(dòng)搜索類型接觸[11]。

2 大客車側(cè)翻碰撞護(hù)欄事故仿真分析

2.1 仿真結(jié)果驗(yàn)證

大客車由初始位置受重力作用開(kāi)始側(cè)翻，0.6 s后與護(hù)欄發(fā)生碰撞。由圖4看出，側(cè)窗立柱首先因拉伸強(qiáng)度不足發(fā)生斷裂，護(hù)欄侵入車內(nèi)乘員的生存空間；側(cè)窗立柱與車頂連接處發(fā)生斷裂，原因可能為兩處間焊接強(qiáng)度不足。而車頂與側(cè)窗立柱構(gòu)成的閉環(huán)結(jié)構(gòu)可抵抗變形，車頂坍塌進(jìn)一步擠壓車內(nèi)乘員的生存空間；大客車因慣性向前滑行，更增加事故的嚴(yán)重性。

圖4 大客車側(cè)翻事故仿真序列

按規(guī)定，生存空間以外其他部分不得侵入大客車的生存空間[10]，但模擬最終損毀情況顯示側(cè)窗立柱及護(hù)欄均侵入生存空間，見(jiàn)圖5。與圖6相比，此類交通事故對(duì)乘員的生命安全威脅極大。

圖5 大客車側(cè)翻事故損壞細(xì)節(jié)圖

圖6 實(shí)際事故中大客車生存空間壓縮圖

2.2 能量分析

為檢驗(yàn)仿真精度，需觀察能量是否守恒及非物理能量如沙漏能等是否超過(guò)此總能量5%[10]。側(cè)翻過(guò)程的能量變化曲線見(jiàn)圖7。由圖7看出，仿真過(guò)程能量守恒，沙漏能在側(cè)翻變形中占總能量比未超1.65%，在許可范圍5%以內(nèi)，對(duì)分析結(jié)果影響微弱。因此，該仿真計(jì)算結(jié)果可信。

圖7 大客車側(cè)翻事故能量分析圖

2.3 模型材料改進(jìn)仿真分析

將大客車側(cè)窗立柱材料改為Q345，其他同初始設(shè)置，仿真結(jié)果見(jiàn)圖8。與圖5對(duì)比看出，在側(cè)翻碰撞護(hù)欄過(guò)程中，大客車側(cè)窗護(hù)欄仍出現(xiàn)斷裂進(jìn)而擠壓車內(nèi)乘員生存空間情況，護(hù)欄侵入車內(nèi)高度343.965 mm，較Q235側(cè)窗立柱侵入量小，可減輕事故損失。

圖8 材料改進(jìn)后仿真圖

2.4 模型厚度改進(jìn)仿真分析

將大客車模型側(cè)窗立柱材料由1.5 mm加厚至3.0 mm，其他條件不變，仿真結(jié)果見(jiàn)圖9。由圖9看出，護(hù)欄侵入高度294.961 mm，護(hù)欄、側(cè)窗立柱未侵入生存空間，滿足設(shè)計(jì)規(guī)定，與圖8相比，車頂塌陷較少，損毀程度進(jìn)一步減小。

圖9 側(cè)窗立柱厚度改進(jìn)仿真圖

3 改進(jìn)建議

大客車側(cè)翻時(shí)車身上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是決定事故損失程度的重要因素。GB 13094- 2007規(guī)定自2011年2月1日開(kāi)始強(qiáng)制執(zhí)行對(duì)客車上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，主要技術(shù)要求需滿足GB/T 17578《客車上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的規(guī)定》，其修訂亦參照歐盟的ECE R663[12]。現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中只對(duì)大客車側(cè)壁與地面碰撞進(jìn)行側(cè)翻試驗(yàn)，未考慮側(cè)翻碰撞護(hù)欄更慘重情況。建議大客車設(shè)計(jì)者在標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上考慮此類事故，損失會(huì)進(jìn)一步減少。

4 結(jié) 論

(1)由仿真知，增加大客車側(cè)窗立柱材料強(qiáng)度及厚度均可減小損失。

(2)增加側(cè)窗立柱與客車頂部連接強(qiáng)度、側(cè)窗立柱數(shù)量、吸能元件等，可減少護(hù)欄浸入車廂擠壓生命空間的概率。通過(guò)面向真實(shí)交通事故數(shù)值仿真分析，可以為大客車結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)提供理論參考。

參 考 文 獻(xiàn)

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