液罐車后防護裝置的結構優(yōu)化設計①

吳亞蘭, 闞玉錦, 孫 晗

(1.安徽機電職業(yè)技術學院,安徽 蕪湖 241000;2.蕪湖中集瑞江汽車有限公司,安徽 蕪湖 241000)

0 引 言

隨著公路運輸事業(yè)的發(fā)展和車輛飽有量的不斷增加，交通事故也呈現(xiàn)逐年上升趨勢。在交通事故類型中，與大型車輛追尾傷亡多數(shù)都比較嚴重。液罐車作為最常用的液體危險品運輸工具，其在發(fā)生追尾事故時，如何減輕對跟馳車車內人員的人身傷害和罐體的損傷，同時防止次生傷害的產(chǎn)生是其車輛結構設計的重要課題之一。近年來各國都加大對液罐車的研究，并得到一定的發(fā)展[1]。液罐車后防護裝置是車輛尾部緩和、吸收外界沖擊力的主要措施。工程實際中目前多數(shù)液罐車采用單橫梁式后防護結構，這種結構防護面積小主要用于防止后下部小型車輛的鉆撞，防護裝置末端與車輛尾部基本平齊防護距離過小缺少緩沖區(qū)域，缺少縱向支撐吸能效果差已無法滿足新國標對車輛行駛安全的要求。提出的雙橫梁后防護裝置防護范圍廣、防護距離大、吸能性能好、加工制造方便、成本低，符合工程應用實際。

1 整體結構設計

液罐車后防護裝置性能指標主要體現(xiàn)在防護范圍(阻攔不同類型車輛的碰撞與鉆入)、阻擋能力和強沖擊下的吸能能力，最大的保護司乘人員和罐體的安全，降低事故的損失程度，因此研究人員在結構安全和材料性能上進行了諸多探索。依據(jù)《GB11567—2017》，液罐車后下部防護裝置橫向構件整體應向車輛前方平滑彎曲，防護裝置外側邊緣不應有尖銳部分，構件截面拐角處應有大于2.5mm半徑的倒圓，橫向構件的高度尺寸應不小于120mm[2-3]。后下部防護的下邊緣在車輛空載狀態(tài)下離地高度應小于500mm，防護裝置的整體寬度應小于車輛后軸兩側車輪最外點之間的距離，且任一端最外邊緣與這一側車輛后軸車輪最外端的水平橫向距離不大于100mm[4-5]。

設計的后防護裝置是針對易燃液體罐式運輸半掛車WL9400GRY04車型，該車輛類型屬于O4類，車寬2550mm，后軸兩側車輪最外點之間的距離為2480mm，車輛最大總質量為40000kg。結合車輛自身的結構參數(shù)，充分考慮不同車型的碰撞可能，提升后防護阻擋范圍，設計雙橫梁后防護裝置結構上主要由橫向構件和連接結構件組成，主要有上下橫梁、縱梁和連接豎撐組成，結構之間采用滿焊連接。整個后防護裝置通過螺栓連接固定在車輛尾部大梁上。

為擴大防護范圍，采用上下橫梁結構，同時通過豎撐，增加緩沖區(qū)域。上、下橫梁的截面高度分別為300mm、150mm，滿足國標對O4類車的截面高度不小于120mm的規(guī)定；上下橫梁的外側短端部圓角半徑為4mm，滿足國標對橫向構件外側應倒角，其圓角半徑不小于2.5mm的規(guī)定；上下橫梁寬度為2400mm，居中安裝在車輛尾部大梁上，左右外邊緣于車輪最外端的水平橫向距離為40mm，滿足國標中對該項尺寸不大于100mm的規(guī)定；該結構安裝在WL9400GRY04車輛的尾部大梁上后下邊緣的離地高度為482mm，滿足國標對該項尺寸小于500mm的規(guī)定，如圖1所示。與原單橫梁防護裝置相比防護高度由原來300mm擴大到700mm[5-6]。

2 有限元分析

后防護裝置的阻擋能力是衡量其防護性能的主要指標，主要通過防護裝置的剛度來體現(xiàn)。根據(jù)國標對后防護裝置的要求，分別采用三點加載和兩點加載方式進行靜力加載仿真實驗，模擬其被后車追尾時的阻擋能力。在確定各構件具體結構形狀和厚尺寸后，對其建立有限元模型，模擬加載，得出理論分析數(shù)據(jù)，為后期工作提供理論依據(jù)。有限元分析按變質量法分別進行，將各構件厚度從薄到厚分別進行分析，從而確定合適的構件幾何厚度尺寸，以減輕整體重量，實現(xiàn)輕量化。

2.1 材料選取

設計的后防護裝置除了要有較大的防護范圍和較強的阻擋能力外，還要有較強的緩沖吸能能力。在碰撞事故發(fā)生時，防護裝置主要依靠結構的塑性變形來吸收沖擊能量[7]。在滿足性能要求的前提下，兼顧輕量化和經(jīng)濟性等多方面因素考慮，上、下橫梁選取T610汽車橫梁鋼，豎支撐選取Q345，橫截面形狀均為“C形”，其結構材料的相關屬性見表1。

表1 雙橫梁防護裝置的材料物理性能參數(shù)

2.2 變形仿真分析

采用hypermesh4.0對后防護裝置幾何模型進行前處理，ANSYS15.0進行分析[8]。根據(jù)縱橫梁的“C形”截面形狀，確定其單元類型為殼體，將其劃分為shell181單元建立模型，按表1參數(shù)值設置各零件材料及其相關屬性，同時對豎撐尾端進行安裝后處于懸置狀態(tài)，故上橫梁抵抗變形能力高于下橫梁，因此模擬加載點均在下橫上全約束[9]。由于上橫梁后部附有豎撐，且其與車尾部大梁平齊連接，下橫梁梁在選取。

需要強調的是，為了直觀的反映后防護裝置耐沖擊性能，分析過程主要采取在軟件中設定150mm極限變形量的條件下，驗證防護裝置構件的支座反力大小，并與最大許應沖擊力比對，從而驗證是否滿足設計要求。

2.2.1 三點加載

三點加載要求每點沖擊力不小于5KN，主要測試橫梁剛度。由于中間有縱梁加固，因此先進行剛度較低的兩端加載試驗，再進行中心平面加載試驗。

由于設計的防護裝置與車輛整體成中心對稱關系，因此兩端加載時可以只測其中一側的一個點。根據(jù)國標規(guī)定，側邊作用點距離車輛后軸輪胎的最外端為 300± 25 mm，設計的防護裝置與車輛后軸輪胎的最外端距離為2480mm，計算選取側邊加載作用點位置為距離中心950mm處，如圖2所示[10]。通過不同壁厚加載試驗發(fā)現(xiàn)，下橫梁厚度5mm時，側邊加載150 mm位移時的支座反力為65kN>50kN，滿足國標要求。

圖2 三點加載 側邊加載

通過試驗發(fā)現(xiàn)當下橫梁厚度為3mm時，在縱向中心平面加載150mm位移，此時的支座反力為51kN>50kN，如圖3所示滿足國標要求。

圖3 三點加載 中心加載

2.2.2 兩點加載

由三點加載分析結構可以看出，壁厚5mm符合設計要求，而壁厚3mm 存在一定的風險，故選擇壁厚5mm進行兩點加載分析，其他壁厚不再考慮。兩點加載要求每點加載10 kN，后防護最大縱向變形不超過150mm。兩點加載時，主要測試縱梁剛度，所選兩個作用點應相對于防護裝置或車輛縱向中心線對稱[10-11]?？紤]不同車輛的追尾可能，兩作用點之間的距離必須在700 mm～1 000 mm 之間，根據(jù)防護裝置實際選擇相對車輛中心對稱且距離950mm處兩點為作用點，如圖4所示。根據(jù)三點加載結果，下橫梁厚度為5mm，通過試驗得出當縱梁厚度為8mm時，加載位移達到85mm時,支座反力達到105kN>100 kN，滿足國標要求。

圖4 兩點加載

兩點加載時，縱梁結構不夠完善，強度不夠，通過試驗得出縱梁厚度為8 mm，下橫梁厚度為5mm時，滿足國標要求。

分析過程中不考慮螺栓受力，固將螺栓理想化為剛體，實際實驗中裝配螺栓受較大的剪切力，不排除發(fā)生螺栓發(fā)生剪切破壞的可能。

3 靜力加載試驗

設計的后防護裝置需在平行于車輛縱軸的方向應具有一定的阻擋能力以防止發(fā)生追尾碰撞時車輛鉆入[11]。該阻擋能力應按照國標要求進行靜態(tài)加載試驗或移動壁障碰撞試驗。根據(jù)實際條件對設計的雙橫梁后防護裝置采用靜態(tài)加載試驗。

將后防護裝置安裝在WL9400GRY04車輛的尾部大梁上，將車輛處于空載狀態(tài)，置于水平、平坦、剛性、平滑的平面上，前輪應處于直線行駛位置，輪胎氣壓為620kPa。

根據(jù)模型有限元分析確定的梁體各結構厚度和2.1所述的車輛具體尺寸，進行實車靜力加載試驗，確定加載點位置如圖5所示[12],具體位置尺寸如表2所示，試驗加載值與總變形量如表3所示。

圖5 加載點位置示意圖

表2 加載點具體位置尺寸

表3 試驗結果

通過試驗可以看出，兩點加載左側加載時變形量最大為55.7mm，小于國標限制的150mm變形量，符合設計要求[13]。

4 結 論

1)雙橫梁后防護裝置在結構上滿足國標對車輛后防護裝置的技術要求，其防護范圍由原單橫梁的350mm防護高度擴大到750mm，分散碰撞沖擊力，同時通過豎撐，增加緩沖區(qū)域，提升吸能效果，且其質量比原單橫梁防護減少8%，符合輕量化設計要求。

2)利用有限元分析確定的雙橫梁結構的壁厚通過靜力加載試驗確定其變形量小于國標要求值，證實其阻擋能力滿足相關要求。