載貨汽車后部防侵入裝置的研究與分析

白晶 趙志蝢 李姊晴 梁稹遠(yuǎn) 張瀚韜

一、載貨汽車安裝防侵入裝置的意義

貨車的防侵入裝置不僅在發(fā)生追尾事故時能起到一定程度的緩;中作用，而且還能防止轎車追尾鉆進(jìn)貨車尾部，讓轎車的被動安全系統(tǒng)發(fā)揮其作用。如果貨車沒有防撞護(hù)欄，一旦后方轎車追尾，轎車會很容易鉆進(jìn)貨車底部，氣囊很難打開，無法起到安全保護(hù)作用。而且駕駛員很容易被卡住，生還幾率很低。而對于安裝了防侵入裝置的貨車，轎車一旦追尾，其被動安全措施優(yōu)先發(fā)揮作用，有效保證轎車中駕乘人員的安全，大幅度降低事故死亡率。

因此，不少國家和地區(qū)都已經(jīng)出臺明確的法律規(guī)定，貨車尾部必須安裝有效的安全防護(hù)裝置，中國也早在2004年就出臺了相關(guān)政策。但是由于種種原因，國內(nèi)普遍的后防護(hù)裝置安裝的是普通防護(hù)鋼梁，其質(zhì)量不能夠滿足安全需求，而且普及率也令人擔(dān)憂。

筆者在調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，尾部沒有安裝防侵入裝置的貨車，能夠讓追尾轎車最先進(jìn)的安全保護(hù)裝置失靈，使相對速度超過40km/h的轎車前排駕駛員和乘客失去生命。所以在中國地區(qū)，貨車普及安裝防侵入裝置具有重要的意義。

二、普及安裝貨車防侵入裝置的策略

目前國內(nèi)在用貨車安裝的防侵入裝置大多不符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，甚至很多車輛沒有安裝。普及安裝貨車防侵入裝置需要付出一定的成本，對于靠長途運輸賺辛苦錢的貨車車主來說，肯定不情愿。但是，安全無小事，安裝貨車防侵入裝置，普及方式需要一定的策略。

①呼吁主機廠和政府有關(guān)部門出臺相應(yīng)的補貼政策，為貨車車主們分擔(dān)一些壓力，讓他們愿意去更換現(xiàn)有不符合標(biāo)準(zhǔn)的防侵入裝置。這樣既不用受到處罰，還享受了補貼政策。

②在車輛進(jìn)行年檢時，對于不安裝以及安裝了不合格防侵入裝置的車輛，不給予其繼續(xù)上路行駛的資質(zhì)。

③對于新車，需要有相關(guān)法規(guī)強制安裝防侵入裝置后才能上市銷售。而且，各地車輛管理所也應(yīng)加強檢查，對于防侵入裝置不符合規(guī)定的不給予上牌的資質(zhì)。

④建立追溯制度，一旦因車輛防侵入裝置問題導(dǎo)致重大事故的，嚴(yán)格追查責(zé)任，從嚴(yán)處罰。

三、國標(biāo)對后防侵入裝置的技術(shù)要求及失效準(zhǔn)則

《汽車和掛車側(cè)面和后下部防護(hù)要求》（GB 11567.2-2017）中，對N2、N3、03和04類車輛的后下部防侵入裝置定義了相關(guān)的技術(shù)要求和失效標(biāo)準(zhǔn)。總的來說可以歸結(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。其中質(zhì)量要求、耐撞性和吸能性要求是本文關(guān)心的重點，具體要求如下。

首先，GB 11567.2-2017中對防侵入裝置的加載碰撞試驗有明確規(guī)定。在按要求進(jìn)行加載碰撞試驗后，變形后防侵入裝置的后部與車輛最后端的縱向水平距離不能超過400mm（測量時，處于空載狀態(tài)下的車輛上與地面的垂直距離大于3m的部分除外）。一旦超過400mm，防侵入裝置將發(fā)生塑性變形失效或者斷裂脫落失效。在與規(guī)定的移動壁障進(jìn)行碰撞的過程中，防侵入裝置可以變形開裂，但不許整體脫落。

其次，防侵入裝置在進(jìn)行仿真及優(yōu)化設(shè)計的碰撞試驗過程中，防侵入裝置應(yīng)能吸收碰撞能量以緩和沖擊，要求移動壁障的最大減速度不大于40G，反彈速度不大于2m/s。

因此，對貨車后下部防侵入裝置應(yīng)該是有著良好的質(zhì)量性、耐撞性和吸能性。其中耐撞性最為重要。

四、一種新型防侵入裝置設(shè)計及性能分析

1.新型防侵入裝置結(jié)構(gòu)

本文所提出的新型防侵入裝置，是在市面上常規(guī)產(chǎn)品中選出的典型結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上（圖2），改進(jìn)完成的一款產(chǎn)品。新型防侵入裝置針對車體更窄的集裝箱貨車（半掛車）進(jìn)行設(shè)計，這類貨車的后部貨廂的防滑出結(jié)構(gòu)都有橫梁，新型防侵入裝置是附加在橫梁的左右兩側(cè)，連接位置使用焊接，以山字形鈑金結(jié)構(gòu)作為焊接接觸面（圖3）。新型防侵入裝置的高度更高，并針對小角度碰撞進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)構(gòu)更加科學(xué)合理，更加完善。

新型防侵入裝置選擇304鋼材作為構(gòu)建材料，鋼材數(shù)據(jù)如圖4所示。其中，彈性模量、中泊松比、質(zhì)量密度和屈服強度是進(jìn)行有限元應(yīng)力分析時實際需要使用到的對應(yīng)屬性。304鋼材在多次實驗、造價以及制造難度上是相對最均衡、最經(jīng)濟的。

2.對新型防侵入裝置進(jìn)行有限元分析

有限元分析，是一種將大型零件劃分為網(wǎng)格狀零件塊，再進(jìn)行逐一受力分析，將分析數(shù)據(jù)最終結(jié)合的受力分析方法。本文本實驗使用有限元分析法，將整體防侵入裝置進(jìn)行建模，對建模裝配體采用分塊受力分析的有限元分析進(jìn)行宏觀的應(yīng)力、形變等詳細(xì)數(shù)據(jù)的模擬分析。建模采用實際數(shù)據(jù)1：1設(shè)立，包括焊接、鉚接和螺栓等多種固定方式引入建模。針對建模材料我們使用實際材料的屈服力、應(yīng)力和密度等數(shù)據(jù)，以保證有限元分析的最接近性。

針對結(jié)果的確定性，本文使用了最高等級網(wǎng)格細(xì)分，雅可比點4點細(xì)分結(jié)果（圖5）。

由于新型防侵入裝置結(jié)構(gòu)的加長，因此常規(guī)的撞擊位置會相對于典型結(jié)構(gòu)更加向上，外部載荷的施加也會更加靠上。而且因為集裝箱貨車支撐梁的位置，載荷的施加也將會更加極端，處在右側(cè)支撐柱的略靠右位置。本次實驗?zāi)M采用100KN模擬受力，受力集中位置在右側(cè)支撐柱的偏右位置（圖6）。

3.結(jié)果分析

（1）應(yīng)力分析

在100KN的不均勻壓力下，對于傳統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)的防侵入裝置來說，由于縱向支架的數(shù)量，使得橫向的方鋼得到了更強的橫向均力的能力。在這種情況下，防侵入的主要途徑是橫向均力、保證結(jié)構(gòu)完整性以及強度。但是新型防侵入裝置則不同，其更多的是通過扭轉(zhuǎn)縱向的鈑金筋板，把橫向的受力通過扭轉(zhuǎn)的過程平均到縱向的筋板上，再通過橫向的方鋼將旋轉(zhuǎn)的趨勢平均到另一個縱向筋板上（圖了）。

（2）位移分析

由應(yīng)力分析得知，新型防侵入裝置是通過扭轉(zhuǎn)使得施加在結(jié)構(gòu)體上的力平均分布。如圖8所示，位移的最大部分在橫梁的端點。緊接著，位移發(fā)生的最明顯位置不再通過方鋼進(jìn)行延伸，而是向上延伸到了筋板位置。筋板的設(shè)計采用了鏤空三角，筋板整體也保持了一個三角的結(jié)構(gòu)。同時，筋板的前端和后端使用了折彎鋼板和區(qū)字形鋼板，進(jìn)行前后方向也就是X軸的加固，保證筋板的X軸不會發(fā)生大程度扭轉(zhuǎn)。在筋板扭轉(zhuǎn)的同時，力和位移被再次向另一端傳導(dǎo)。由于另一側(cè)筋板的X軸方向加固使得非本身受力被抵消，這種扭轉(zhuǎn)的趨勢也就停止，因此另一側(cè)筋板基本沒有位移。

（3）安全系數(shù)分析

安全系數(shù)圖同樣也可以很好地體現(xiàn)出扭轉(zhuǎn)發(fā)生的位置。由圖9可以看到，受力側(cè)筋板的中間位置有一處藍(lán)色區(qū)域，這個區(qū)域即為扭轉(zhuǎn)發(fā)生的中心位置，而安全系數(shù)低的位置集中在筋板兩側(cè)的加強板上，這說明加強板的設(shè)計實際產(chǎn)生了效果。一種隨機的、不確定性的非扭轉(zhuǎn)力被加強板所抵消，這種情況下就保證了扭轉(zhuǎn)的發(fā)生。

同時，不僅僅是因為加強板，安全系數(shù)圖中受力板的藍(lán)色和綠色位置組成了三角形區(qū)域，這個三角形區(qū)域是扭轉(zhuǎn)完整發(fā)生的必要產(chǎn)生前提。更加靠近加強板的綠色區(qū)域是應(yīng)力最為集中、安全系數(shù)最低的部位，在增加了加強板之后，這些區(qū)域的應(yīng)力被平均到了加強板上。這樣，扭轉(zhuǎn)使得結(jié)構(gòu)的整體性得以保持，同時二者之間會產(chǎn)生藍(lán)色區(qū)域，也就是我們之前說的扭轉(zhuǎn)中心，扭轉(zhuǎn)會沿著這個中心軸發(fā)生。

力的延伸在安全系數(shù)圖中也有更加詳細(xì)的體現(xiàn)。由安全系數(shù)圖可以看出，安全系數(shù)隨著方鋼的延伸逐漸升高，在到達(dá)另一根筋板的位置處，受力向上延伸。受力的主體此時應(yīng)該向筋板增加扭轉(zhuǎn)的趨勢，而筋板厚度只有3mm，不足以支撐，但筋板不能發(fā)生集中受力，加強板的添加使得筋板的受力被分擔(dān)。

（4）結(jié)論

通過上述應(yīng)力、位移以及安全系數(shù)分析，本文中在現(xiàn)有通行貨車后部防侵入裝置基礎(chǔ)上進(jìn)行的新型防侵入裝置，徹底改善了受力變形狀態(tài)，提高了安全性。