貨車外形改裝對碰撞相容性的影響

秦海力，段傲文，楊袖菊，鄭曉旭，尹志勇

(1.重慶理工大學 a.車輛工程學院; b.藥學與生物工程學院， 重慶 400054；2.第三軍醫(yī)大學 大坪醫(yī)院 交通醫(yī)學研究所， 重慶 400042)

隨著我國高速公路網(wǎng)建設的加快與完善，公路運輸行業(yè)也迎來了重大變革與發(fā)展，貨車已經(jīng)從單一載運貨物向物流服務運輸方向發(fā)展，因此貨車車身的設計結(jié)構(gòu)也緊隨時代發(fā)生了變化。

目前，越來越多的車輛為方便使用進行改裝，使其車輛相容性發(fā)生變化，對其他車輛及其車內(nèi)人員也會造成影響，發(fā)生事故后會直接或間接導致人員傷亡，因此改裝車的行駛安全性值得關注?！兜缆方煌ò踩ā返谑鶙l中明確規(guī)定：任何單位或者個人不得拼裝機動車或者擅自改變機動車已登記的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造或者特征，但是仍有許多人為方便使用而私自改裝車輛[1]。目前改裝車輛形式多樣，而事故產(chǎn)生的后果也多種多樣。許多貨車司機將貨廂拆除以擴大載貨面積，但拆除后導致的直接影響會是怎樣，對其相容性會造成怎樣的改變，會對其他車輛造成何種安全隱患還不得而知。因此，在考慮自身利益的同時應該兼顧一旦發(fā)生事故后會對其他車輛造成的安全隱患問題。本文主要研究改裝車輛對交通事故的影響。

1 汽車相容性

1.1 相容性概念

車輛的相容性除包括車輛自身的防撞性、車內(nèi)乘員安全性之外，還包括對對方車輛的攻擊性和對對方車輛乘員的傷害性。在碰撞時，車內(nèi)乘員和財產(chǎn)的損失越小就表明相容性越好[2]。而隨著碰撞法規(guī)的日益完善和對汽車安全性的日益關注，汽車碰撞安全性也越來越受到人們的關注。因此，在事故中不僅僅要關注自身的安全，還要關注對對方車輛及車內(nèi)人員安全性的影響。當相容性足夠好時，事故中雙方所受到的影響將會更小。

1.2 影響相容性的因素

影響相容性的因素通常包含以下幾個方面：① 質(zhì)量相容性；② 結(jié)構(gòu)剛度相容性；③ 車身幾何外形相容性。通常在相同的條件下，不同質(zhì)量的車輛間發(fā)生碰撞后的結(jié)果是不同的，質(zhì)量較輕的車輛損壞會更嚴重，車內(nèi)乘員的危險性更大。除質(zhì)量相容性外，兩車的結(jié)構(gòu)剛度和幾何外形都會影響事故的損害情況。如車架高度、保險杠剛度的不同就會使碰撞后兩車產(chǎn)生的變形不同，其造成的傷害影響也會不同[3]。

2 計算機仿真模擬方法

隨著計算機技術的發(fā)展，利用計算機軟件來進行的車輛碰撞模擬仿真已經(jīng)變成一種趨勢[4-5]。計算機仿真軟件主要分為兩大類：有限元分析軟件和剛體運動學軟件。有限元法是在相關理論發(fā)展以及計算機技術越發(fā)成熟的情況下產(chǎn)生的一種較先進的工程分析方法，已廣泛應用于各種工程分析領域。有限元軟件主要包括LS-DYNA、Hyperworks等。利用有限元計算方法既可以簡化計算，又能得到有效的結(jié)果。有限元法的基本思想是把連續(xù)的幾何體離散化為有限個單元，相鄰單元之間通過節(jié)點連接組合成一組有限單元的幾何體，并通過節(jié)點進行力的傳遞，也就是將具有無限個自由度的連續(xù)的求解區(qū)域離散為具有有限個自由度、且按一定方式(節(jié)點)相互連接在一起的離散體(單元)，從而將無限自由度問題離散為有限自由度問題，以得到近似解[6-7]。

本文選用了當前在實際運用中比較常用的仿真軟件LS-DYNA作為模擬仿真的求解器，為前、后處理選用的是由Altair公司研發(fā)的與多種CAD和CAE軟件有良好的接口、并具有高效的網(wǎng)格劃分功能的Hyperworks軟件。

LS-DYNA是一種功能齊全的動態(tài)非線性分析軟件。該軟件主要以Lagrange算法為主，兼有ALE和Euler算法的功能；以結(jié)構(gòu)分析為主，兼有熱分析、流體-結(jié)構(gòu)耦合功能；以顯式求解為主，兼有隱式求解功能；以非線性動力分析為主，兼有動力分析功能。LS-DYNA中有上百種金屬和非金屬材料模型可供選擇，同時也包含50多種接觸分析方式供選擇[8-9]。目前，LS-DYNA也是在各個領域運用較為廣泛的求解器之一。

Hyperworks是功能極為強大的CAE應用軟件包，它集成了設計與分析所需的各種工具。該軟件包含了3個軟件模塊：HyperMesh、HyperView、HyperGraph。HyperMesh是一個高效的有限元前、后處理器，能建立各種復雜的有限元模型，同時具有高效的網(wǎng)格劃分功能，與多種CAD和CAE軟件有良好接口。HyperView是一個可進行后處理的可視化用戶環(huán)境，用于數(shù)據(jù)處理、仿真動畫處理等。HyperGraph是一個擁有強大數(shù)據(jù)分析和繪圖工能的軟件，可與多種文件格式對接[10]。

圖1 空間物體變形簡化模型圖

汽車碰撞過程是在短時間內(nèi)發(fā)生較大位移和變形的過程，過程中將會出現(xiàn)復雜的材料特性非線性變化，其中還包含以大位移、大轉(zhuǎn)角、接觸面滑動為特征的非線性問題，將這些問題整合到一起將使汽車碰撞的仿真求解問題變得更為復雜，而這就需要選擇合適的方法。非線性有限元問題的求解方法有兩種：隱式積分法和顯式積分法，其中顯式積分法主要使用顯式中心差分法。

2.1 基本力學模型

在本起事故案例中，車輛的碰撞過程發(fā)生了位移與變形，但必須遵守相關力學定律[11]。

如圖1所示，在笛卡兒坐標系中，當物體任意一個質(zhì)點x1運動到另外一個質(zhì)點x2時，這個過程經(jīng)過了時間t，可根據(jù)Lagrange方程得到其簡化模型：

Xi=Xi(Xα,t)，i=1,2,3

(1)

當初始時刻t=0時有：

Xi(Xα,0)=Xα

(2)

(3)

式(2)(3)中Vα為初始時刻速度。

根據(jù)能量守恒方程，

E=Vsijεij-(P+q)V

(4)

式中：E為當前構(gòu)型能量；εij為應變率張量；sij和P分別表示應力偏量和壓力；q為體積黏度；V為當前構(gòu)型的體積。

根據(jù)動量守恒定律，

(5)

根據(jù)質(zhì)量守恒定律，

ρ=ρ0J

(6)

式中：ρ為變形后的質(zhì)量密度；ρ0為變形前質(zhì)量密度；J為質(zhì)量變化系數(shù)。

2.2 顯式中心差分法

在顯式積分方法中，通常采用顯式中心差分法以提高計算效率[12]。在顯式中心差分法中，用速度和加速度來描述其最大侵入量，

(7)

(8)

在考慮結(jié)構(gòu)阻力時建立動力結(jié)構(gòu)2階常微分方程：

(9)

式中M、C、K為有效質(zhì)量矩陣。

最后將式(7)(8)代入式(9)可得：

(10)

通常，在已知Xt和Xt-Δt的情況下，可根據(jù)式(10)求出Xt+Δt，進而可以求出各個離散時間點的解。

顯式中心差分法雖然具有一定的穩(wěn)定性，但這個穩(wěn)定性通常需要設置合理的時間步長。時間步長Δt應滿足以下條件：

Δt≤2/wmax

(11)

式中wmax為網(wǎng)格單元中最大固有頻率，而w可以表示為

w=4C2/I2

(12)

式中：C為傳播速度；I為單元的長度。

3 案例分析

3.1 案情介紹

2016年8月31日，徐某駕駛渝G*****號貨車行駛至石柱縣云塘鎮(zhèn)附近，因雨天路滑操作不當，與渝H*****號小型越野車發(fā)生碰撞，造成兩車受損、渝H*****號小型越野車車上4人受傷的交通事故。

根據(jù)越野車勘查照片可知：越野車車體黑色；左側(cè)車身受損嚴重，其中A柱折斷，B柱變形嚴重；擋風玻璃破損；左前側(cè)車門變形。事故發(fā)生后越野車車體照片如圖2所示。

圖2 事故發(fā)生后越野車車體照片

根據(jù)貨車勘查照片可知：貨車前部有少量刮擦痕跡，是與邊坡接觸形成的；貨車尾部變形不明顯，改裝痕跡較大；貨車貨廂被拆除，后部加裝了吊臂。事故發(fā)生后改裝貨車車體照片如圖3所示。未改裝時的貨車車體照片如圖4所示。

圖3 事故發(fā)生后改裝貨車車體照片

圖4 未改裝時的貨車車體照片

3.2 車型介紹

3.2.1 貨車車身結(jié)構(gòu)及分類

貨車是一種主要為載運貨物而設計和裝備的車輛，其車身包括駕駛室和貨廂兩個部分。在設計貨車車身結(jié)構(gòu)時均會考慮貨車的安全性、實用性、耐用性及其他方面相關因素，同時在設計時考慮貨廂的結(jié)構(gòu)強度、尺寸、容量、前后載荷分布等因素。

貨車貨廂可分為兩大類：通用貨廂和專用貨廂。通用貨廂可分為平板貨廂、低欄板貨廂、高欄板貨廂和小噸位自卸貨廂等，主要用于運輸一些裝卸簡單、環(huán)境要求不高、周轉(zhuǎn)次數(shù)較少的貨物；專用貨廂可分為箱式貨廂、罐式貨廂、自卸車貨廂和集裝箱等，主要用于運輸通用貨廂不宜運輸?shù)呢浳铩?/p>

3.2.2 越野車車身結(jié)構(gòu)

越野車是一種為越野而設計的汽車，都擁有非承載式車身結(jié)構(gòu)，具有獨立的底盤和大梁，且重要的零部件均安裝在大梁上。根據(jù)載重能力越野車分為重型越野車、中型越野車以及輕型越野車，而本次事故中涉及到的越野車屬于輕型越野車。

3.3 仿真分析研究

3.3.1 模型的簡化

選取與事故車輛相似的某款越野車的三維模型，在其基礎上建立碰撞車輛的有限元模型。鑒于計算機條件的限制以及主要的研究目的，做以下簡化處理[13]：

1) 根據(jù)越野車變形部位和貨車刮擦痕跡可知，本次事故中貨車前部刮擦應是與山坡碰撞所致，越野車左側(cè)變形為與貨車貨廂底板碰撞接觸所致，因此本次實驗對改裝前后貨車尾部貨廂及貨廂底板進行模擬仿真。

2) 因碰撞過程中僅有改裝后的貨車貨廂與越野車有接觸，故可直接忽略貨車車身模型，僅用貨廂以及改裝后的貨廂模型代替發(fā)生碰撞的貨車。

3) 根據(jù)事發(fā)時貨車貨廂數(shù)據(jù)建立改裝后的貨廂模型。同時根據(jù)事故車輛信息找到未改裝的同型號貨車的貨廂數(shù)據(jù)，根據(jù)該數(shù)據(jù)建立未改裝的貨車貨廂模型。

4) 事發(fā)時越野車內(nèi)飾對本次事故無影響，故省略了整車內(nèi)飾。

5) 本次事故無須對人員傷亡進行研究，因此碰撞過程中未加入駕駛員及乘員進行碰撞仿真。

在建模過程中，使用CATIA V5 R17作為貨車車底板結(jié)構(gòu)工藝數(shù)據(jù)建模軟件，應用Hypermesh 9.0作為有限元分析的前處理軟件，將LS-DYNA作為碰撞過程的計算求解軟件，采用Hyperview和LS-PrePost作為后處理結(jié)果查看工具。

3.3.2 模型的導入

運用CATIA軟件建立該改裝貨車貨廂和未改裝貨車貨廂的模型，模型建好后導出IGES格式文件，之后導入到Hypermesh中進行碰撞模型的搭建。

3.3.3 初始條件的設置

根據(jù)事發(fā)時采集的事故現(xiàn)場痕跡，并根據(jù)提供的資料分析計算，將事發(fā)時貨車設為靜止，越野車碰撞時速度設為60 km/h，碰撞時兩者夾角為45°。貨車車廂底部距離地面高度設為130 cm，與越野車后視鏡上部位置齊平。

根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)勘查，貨廂底板未發(fā)生變形，故在本次計算分析過程中可將其看成剛性體。根據(jù)貨廂底板的材質(zhì)，彈性模量E為217 000 MPa，泊松比為0.26，屈服強度σs為355 MPa。

在仿真碰撞分析前需要進行仿真相關參數(shù)的確定，例如碰撞時間以及計算時間步長等。參數(shù)設置完畢后，將Hypermesh中設置完成的模型文件輸出為K文件，并將輸出的K文件在LS-DYNA中進行求解計算。

3.3.4 輸出K文件

在完成所有模型的建立和參數(shù)的設置后，要進行相應功能的控制卡片的輸出，其中需要設置的控制卡片有：終止時間卡片、CPU時間卡片、時間步長卡片、能量控制卡片、接觸定義卡片、殼單元卡片、剛體卡片、沙漏控制卡片、ASCII輸出卡片以及二進制結(jié)果文件輸出控制卡片。完成控制卡片建立后，輸出所需的K文件。

4 仿真實驗

將建立好的車輛模型和貨車底板模型導入Hypermesh中，搭建好的模型如圖5所示，并進行碰撞仿真實驗。經(jīng)過LS-DYNA計算得到后處理文件，導入Hyperview中對其碰撞仿真結(jié)果進行后處理分析，并得到車輛最大侵入量云圖、應力應變云圖。

圖5 碰撞仿真模型及擺放示例

結(jié)果顯示：以相同的速度碰撞相同的位置，兩次碰撞均使越野車A柱折斷、B柱變形嚴重、擋風玻璃破損、左前側(cè)車門變形，但變形量存在差異，如圖6所示。

根據(jù)仿真實驗結(jié)果得出最大侵入量云圖，如圖7所示。由圖7可知：改裝后的貨車車板撞擊越野車產(chǎn)生的最大侵入量為1.579×103mm，原始貨廂撞擊越野車產(chǎn)生的最大侵入量為1.567×103mm，貨車改裝后碰撞越野車造成越野車最大侵入量較改裝前增大。

圖6 兩組仿真中越野車變形情況

圖7 越野車最大侵入量(顏色深淺代表最大侵入量大小)

根據(jù)仿真實驗結(jié)果得出應力應變量，如圖8所示。由圖8可知：改裝后的貨車車板撞擊越野車產(chǎn)生的最大應力為7.207×102MPa，未改裝貨車貨廂撞擊越野車產(chǎn)生的最大應力為 6.998×102MPa，貨車改裝后碰撞越野車造成越野車最大應力較改裝前增加。

圖8 越野車應力應變量(顏色深淺代表應力應變量大小)

根據(jù)仿真結(jié)果可知：改裝貨車與越野車碰撞仿真結(jié)果與本次交通事故變形情況基本一致。比較貨車改裝前后的仿真結(jié)果可知：在相同邊界條件下，越野車與改裝貨車接觸的應力及最大侵入量更大，即最大侵入量由由1.567×103mm變?yōu)?.579×103mm，最大應力由 6.998×102MPa變?yōu)?.207×102MPa，因此貨車改裝后與越野車碰撞接觸危險程度增加，兩車的相容性變差。

5 結(jié)束語

本文根據(jù)實際的交通事故案例，對某改裝貨車和越野車在發(fā)生交通事故后的碰撞相容性進行了研究，結(jié)果表明：

1) 在相同碰撞條件下，當改裝貨車的貨廂取消后，改裝貨車與其他車輛接觸時的受力面積變小，應力更為集中，同時最大侵入量增大。

2) 因貨車和越野車之間本身的質(zhì)量相容性和結(jié)構(gòu)剛度相容性存在差異，越野車處于劣勢。經(jīng)過改裝后貨車車身幾何外形發(fā)生改變，使其車身幾何外形相容性也隨之發(fā)生改變，導致車輛相容性變差。因此，貨車進行此類型改裝加重了與越野車碰撞時越野車在質(zhì)量相容性和結(jié)構(gòu)剛度相容性方面的劣勢，致使碰撞后越野車車內(nèi)乘員生存空間更小，車內(nèi)乘員受傷風險增大，將會給車內(nèi)乘員造成更為嚴重的危害。

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