半掛車撞擊公路護欄時的等效模型

甘新眾，甘有為，劉群艷，李闖民

(1.宜春市公路管理局，江西 宜春 336000； 2.江西省交通設(shè)計研究院有限責任公司； 3.長沙理工大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院)

1 引言

半掛車具有運輸量大、成本低、高效和經(jīng)濟的優(yōu)勢，在貨物運輸中得到廣泛應(yīng)用，但由于載重量重，尺寸大，質(zhì)心高，且牽引車和半掛車之間相互耦合，其事故發(fā)生率很高。2015年9月25日在滬昆高速公路K1 075+423路段發(fā)生了一起重大交通事故，一輛半掛車由于車輛失控越過高速公路中央護欄，與對向車道正常行駛的大客車相撞，該事故引發(fā)半掛車和大客車起火燃燒，造成多人傷亡，4輛車及部分道路設(shè)施受損。根據(jù)事故鑒定報告提供的事故數(shù)據(jù)，對此次事故進行試驗分析發(fā)現(xiàn)，由于半掛車與整體車碰撞護欄時運動姿態(tài)的明顯不同，導(dǎo)致直接采用整體車碰撞能量計算公式，算得的半掛車碰撞能量誤差很大。雖然在護欄設(shè)計時，由于碰撞條件為法規(guī)規(guī)定的少量幾個固定條件，可以直接采用半掛車進行碰撞分析，但在司法鑒定中，碰撞車速、碰撞角度等通常是待鑒定量，那種直接采用半掛車進行碰撞分析的做法并不適用。事實上，文獻[13]通過對半掛車與整體車進行試驗對比分析，得出半掛車與整體車碰撞護欄時有著明顯不同的特性，但文中沒有進一步對這些不同特性在碰撞過程中產(chǎn)生的影響進行分析，也沒有提出半掛車碰撞能量計算誤差的問題。文獻[14]針對半掛車-護欄碰撞試驗進行了分析研究，文中對碰撞過程中車輛運動規(guī)律、損傷情況、能量轉(zhuǎn)換等進行了詳細分析。但文中僅僅分析了碰撞過程中動能與系統(tǒng)內(nèi)能的轉(zhuǎn)換，沒有考慮到車輛的初始碰撞能量與其運動特性之間的聯(lián)系。

為此，該文提出一種半掛車撞擊公路護欄的等效模型的確定方法，為半掛車撞擊公路護欄事故的司法鑒定提供理論依據(jù)。

2 半掛車與整體車撞擊護欄過程對比分析

分別選用質(zhì)量同為33 t的半掛車與整體貨車，以相同的碰撞速度65 km/h和相同的碰撞角度20°，進行仿真試驗，分析其不同特性。整體貨車有限元模型如圖1所示，半掛車有限元模型如圖2所示，試驗護欄為洞庭湖二橋HA級半剛性橋梁護欄，防護能量760 kJ，護欄有限元模型如圖3所示。

圖1 整體車模型

整體車與護欄碰撞運動過程如圖4所示，其車頭和貨箱尾部分別與護欄發(fā)生碰撞，半掛車與護欄碰撞運動過程如圖5所示，其車頭首先與護欄發(fā)生撞擊，由于牽引車與后面半掛車之間可以相對轉(zhuǎn)動，在牽引車車頭撞擊護欄后很快完成偏轉(zhuǎn)，緊接著貨箱前部與護欄發(fā)生撞擊，最后是貨箱尾部與護欄撞擊。

圖2 半掛車模型

圖3 護欄模型

圖4 整體車撞擊護欄過程

圖5 半掛車撞擊護欄過程

護欄橫向最大動態(tài)偏移點的位移時程曲線對比如圖6所示，可以看出：整體車碰撞護欄的最大偏移量為192 mm，半掛車碰撞護欄最大偏移量為89 mm。其碰撞力時程曲線如圖7所示，整體貨車碰撞過程中碰撞力出現(xiàn)兩次峰值，最大碰撞力為1 246 kN，半掛車碰撞過程出現(xiàn)三次峰值，最大碰撞力為852 kN。

3 碰撞能量計算公式的適用性分析

中國護欄安全評價標準JTG/T F83-01-2013《高速公路護欄安全性能評價指標》(后文簡稱《評價指標》)中給出了整體車輛碰撞護欄時的碰撞能量計算公式(1)，人們習慣性認為該公式也適用于半掛車車型。但由于半掛車的特殊結(jié)構(gòu)，在與護欄發(fā)生碰撞時其運動特性與整體車之間存在明顯差別，也因此導(dǎo)致慣用的整體車輛碰撞能量計算公式并不適用于半掛車。

圖6 護欄位移時程曲線

圖7 護欄碰撞力時程曲線

(1)

式中:E為碰撞能量;m為車輛總質(zhì)量;v為碰撞速度;θ為碰撞角度。

3.1 正交試驗設(shè)計

基于正交試驗方法，按照中國護欄安全評價標準《評價指標》中規(guī)定的整體貨車試驗參數(shù)設(shè)計試驗，通過對得到的試驗數(shù)據(jù)進行分析，確定碰撞能量的等效評價指標，試驗因素分別為：A為整體貨車質(zhì)量，B為碰撞速度，C為碰撞角度，具體因素水平如表1所示。

表1 試驗因素水平

根據(jù)表1所示的各因素優(yōu)化區(qū)間值，選用L49(36)的正交表進行49組仿真試驗，試驗結(jié)果如表2所示。

表2 整體貨車的正交試驗結(jié)果

續(xù)表2

試驗號A/tB/(km·h-1)C/(°)車輛最大加速度/(×g)護欄橫向最大動態(tài)偏移量/mm垂直護欄方向最大碰撞力/kN碰撞能量/kJ42185066.2624.26355.818.9743108067.5633.11362.626.984465594.8016.27262.917.144525601213.2874.99750.6150.09461040206.1322.60396.972.21476651510.0027.38641.865.514840651215.78111.351167.0281.8449660187.5731.21468.979.58

3.2 碰撞能量等效評價指標

基于表2的試驗數(shù)據(jù)，將各評價指標與碰撞能量進行擬合分析如圖8所示，該圖直觀地呈現(xiàn)了各個指標與碰撞能量之間的相關(guān)程度，但還不能準確得知相關(guān)程度的大小，因此借助SPSS軟件的Pearson相關(guān)性分析功能進行相關(guān)性分析，得到結(jié)果如圖9所示。車輛最大加速度、護欄最大橫向動態(tài)偏移量及垂直護欄方向最大碰撞力與碰撞能量之間的Pearson相關(guān)性分別為0.009、0.947和0.969。這3個評價指標中, 護欄最大橫向動態(tài)偏移量與垂直護欄方向最大碰撞力這兩個參數(shù)都與碰撞能量具有很強的相關(guān)性，即都具有顯著相關(guān)性，由于垂直護欄方向的最大碰撞力在事故后已經(jīng)消失了，它本質(zhì)上是一個無法用于司法鑒定的參數(shù)，顯然，在司法鑒定中，采用護欄最大橫向動態(tài)偏移量作為碰撞能量的等效評價指標具有可操作性，因此，該文擬將護欄最大橫向動態(tài)偏移量作為碰撞能量的等效評價指標。

圖8 各評價指標與碰撞能量相關(guān)性分析圖

4 等效模型的建立方法

前文正交試驗設(shè)計表，是根據(jù)中國護欄安全評價標準《評價指標》中規(guī)定的整體車試驗參數(shù)進行試驗設(shè)計得到的等效模型表，該表包含全部試驗216組，可計算碰撞能量范圍4～1 805 kJ。等效模型的確定方法如下：

(1) 根據(jù)事故現(xiàn)場，測量出護欄最大橫向動態(tài)偏移量D。

(2) 再將D代入該數(shù)據(jù)表中的護欄最大橫向動態(tài)偏移量列，與之前整體車的D′相減得到一個差值ΔD，然后以|ΔD|為優(yōu)化指標，結(jié)合正交設(shè)計表對其進行極差與方差分析，分析結(jié)果中使|ΔD|最優(yōu)的整體車試驗組即為該半掛車的等效模型。

5 結(jié)論

(1) 建立車-護欄有限元碰撞分析模型，從車輛運動姿態(tài)、護欄橫向最大動態(tài)偏移量、垂直護欄方向最大碰撞力等方面進行了對比分析研究。結(jié)果表明：半掛車撞擊護欄時車輛與護欄之間發(fā)生3次碰撞，整體車則只與護欄發(fā)生兩次碰撞，且其護欄橫向最大動態(tài)偏移量和垂直護欄方向最大碰撞力都明顯小于整體車。

(2) 護欄最大橫向動態(tài)偏移量與垂直護欄方向最大碰撞力這兩個參數(shù)都與碰撞能量具有很強的相關(guān)性，但垂直護欄方向的最大碰撞力在事故后已經(jīng)消失，無法用于司法鑒定，因此，將護欄最大橫向動態(tài)偏移量作為碰撞能量的等效評價指標是合適的。

(3) 研究了等效模型建立方法，即以半掛車與整體車碰撞護欄時護欄最大橫向動態(tài)偏移量之差|ΔD|為優(yōu)化目標，結(jié)合正交設(shè)計表對其進行極差與方差分析，使|ΔD|最優(yōu)的整體車試驗組即為該半掛車的等效模型。