符合中國(guó)道路交通的壁障研究方法

田威 張山 張向磊

中汽研汽車檢驗(yàn)中心（天津）有限公司 天津市 300300

1 前言

符合中國(guó)道路交通的壁障研究方法需要考慮中國(guó)的道路車輛結(jié)構(gòu)，從大量的中國(guó)道路車輛前端結(jié)構(gòu)入手，分析車輛在試驗(yàn)中發(fā)生的變形，由變形數(shù)據(jù)分析計(jì)算出車輛前端結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度并給予量化，模擬替代中國(guó)道路車輛的前端結(jié)構(gòu)，作為壁障開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)。本文主要從十款不同類型的車型入手，進(jìn)行相應(yīng)的分析研究。

2 蜂窩鋁壁障的要求

汽車安全為當(dāng)今汽車工程領(lǐng)域具有重要社會(huì)、經(jīng)濟(jì)意義的研究熱點(diǎn)，并且得到了有關(guān)政府部門的高度重視。汽車安全性可以分為主動(dòng)安全性和被動(dòng)安全性兩大類，其中被動(dòng)安全性，則是指汽車在發(fā)生意外事故時(shí)對(duì)乘員進(jìn)行有效保護(hù)的能力。國(guó)外進(jìn)行的汽車被動(dòng)安全性研究始于20世紀(jì)六十年代，政府部門專門制定了關(guān)于汽車被動(dòng)安全性的標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)來(lái)保證被動(dòng)安全措施的實(shí)施。如美國(guó)聯(lián)邦機(jī)動(dòng)車安全法規(guī)(FMVSS)中關(guān)于被動(dòng)安全性的就有16項(xiàng)，歐洲基于產(chǎn)品認(rèn)證制度也建立了利于理解和操作的ECE和EEC法規(guī)。為了滿足法規(guī)要求，同時(shí)提高產(chǎn)品性能與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，歐美日等發(fā)達(dá)國(guó)家的汽車制造公司均有專門的研究所和技術(shù)人員從事被動(dòng)安全性的設(shè)計(jì)、分析和試驗(yàn)研究工作。根據(jù)各國(guó)的汽車行業(yè)法規(guī)，汽車在上市前必須通過(guò)法規(guī)規(guī)定的碰撞認(rèn)證試驗(yàn)，如歐洲的 ECE R94、R95，美國(guó)的FMVSS和我國(guó)的GB11551。但是，認(rèn)證試驗(yàn)只能說(shuō)明汽車產(chǎn)品達(dá)到了法規(guī)的低要求，卻不能對(duì)消費(fèi)者提供汽車產(chǎn)品安全性能的準(zhǔn)確和詳細(xì)的信息，也容易使生產(chǎn)者在設(shè)計(jì)和制造產(chǎn)品時(shí)只針對(duì)法規(guī)進(jìn)行研發(fā)而減少對(duì)乘員安全保護(hù)考量。為了能為消費(fèi)者提供準(zhǔn)確可靠的信息，同時(shí)鼓勵(lì)生產(chǎn)者提高其產(chǎn)品的安全性能，在中國(guó)法規(guī)中，碰撞用可變形壁障是重要的組成部分，可變形壁障分為正碰的R94和側(cè)碰的R95類型的壁障。使用可變形壁障目的主要是模擬兩車碰撞的工況，壁障是用來(lái)模擬汽車前部的變形和力學(xué)特性。

3 蜂窩鋁材料

可變形壁障是由一系列的鋁板和蜂窩鋁組成。蜂窩鋁材料是由多層鋁箔粘合，疊壓，然后經(jīng)過(guò)拉伸工藝展開(kāi)成規(guī)則正六邊形蜂窩，各蜂窩鋁有規(guī)則棱角和清晰的孔壁，表面平整可以較好的與面材料粘接成復(fù)合板材。六邊形蜂窩材料是一種近年廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的多孔材料，相互連接制約的密集蜂窩陣列有許多小工字型結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)決定了它可以分散來(lái)自面板方向的承載力，且面板受力均勻，在面板面積較大的時(shí)候受力仍能保證較高平整度，在板受熱膨脹的時(shí)候蜂窩能起到擠壓吸能作用減小熱膨脹帶來(lái)危害。蜂窩鋁的具體特性優(yōu)良，金屬制造綠色環(huán)保，易于回收再利用；其相對(duì)密度低質(zhì)量輕、高比強(qiáng)度、剛度和抗撕裂性好；隔熱隔音性能優(yōu)良，耐腐蝕耐老化；在應(yīng)用中由于其版型大、平整度高、接縫挺直，具有安裝簡(jiǎn)便、裝飾性強(qiáng)、易加工、性能穩(wěn)定等一系列優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到工程界與學(xué)術(shù)界的關(guān)注。其應(yīng)用領(lǐng)域遍及軍工國(guó)防、航空航天、交通工具、建筑材料及裝飾裝修，且有不可替代的重要地位。

4 ECE R94和R95結(jié)構(gòu)

蜂窩鋁壁障包括蜂窩鋁主體、保險(xiǎn)杠元件、背板、覆板、保險(xiǎn)杠面板等，蜂窩鋁主體應(yīng)在單元軸線垂直背板的情況下粘到背板上，覆板應(yīng)粘到蜂窩鋁主體的前表面，保險(xiǎn)杠元件粘到覆板上，在碰撞過(guò)程中主要的吸能元件為蜂窩鋁主體和保險(xiǎn)杠元件，蜂窩鋁下半部分總的強(qiáng)度要高于蜂窩鋁上半部分，水平方向任一位置的強(qiáng)度是一樣的。

5 MPDB蜂窩鋁評(píng)價(jià)介紹

MPDB蜂窩鋁變形的均勻性是評(píng)價(jià)碰撞兼容性的重要參考指標(biāo)。試驗(yàn)后要對(duì)蜂窩鋁表面進(jìn)行掃描得到點(diǎn)云面，用1400條間隔20mm的線與點(diǎn)云面相交后得到1400個(gè)交點(diǎn)，用以表征蜂窩鋁變形量。由于MPDB試驗(yàn)的蜂窩鋁與車輛前部50%碰撞，在設(shè)計(jì)正面碰撞蜂窩鋁壁障時(shí)，考慮到車輛前端部件絕大部分是對(duì)稱結(jié)構(gòu)，可以按照結(jié)構(gòu)對(duì)稱完成整個(gè)蜂窩鋁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

6 不同高度和寬度位置的結(jié)構(gòu)分析

本文選取十款車型進(jìn)行侵入量的分析，侵入量的大小在一定程度上反應(yīng)了車輛前端結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，通過(guò)十款車型的評(píng)價(jià)區(qū)域的侵入量分析，可以得出車輛的前部平均結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大小，并得出一個(gè)平均的車輛前部模擬結(jié)構(gòu)。由于各車型的車寬不同，在MPDB試驗(yàn)中蜂窩鋁評(píng)價(jià)的范圍不同，本文選取共同位置部分進(jìn)行侵入量的分析，選取范圍為MPDB蜂窩鋁前表面，上下范圍為：從底端向上100mm到500mm的范圍，左右范圍為：從右向左200mm到760mm的范圍，分析的位置為560個(gè)點(diǎn)的位置侵入量，十款車型具體位置對(duì)應(yīng)的平均侵入量經(jīng)計(jì)算可得出20行X 28列的圖表，如表1所示：

由表1可以計(jì)算出每一行的平均侵入量，由上至下總共20行，20行的每一行的平均侵入量統(tǒng)計(jì)如表2所示：

表1 十款車型具體位置對(duì)應(yīng)的平均侵入量

表2 20行的平均侵入量

從上表可以看出每一行的平均侵入量，侵入量越大，說(shuō)明此處車輛的強(qiáng)度較大，反之亦然，由表2可以看出十款車型的不同高度處的平均強(qiáng)度大小，由十款車型的不同高度處的平均侵入量大小可以得出下圖1，從下圖1側(cè)面可以看出，與ECE-R94所使用的蜂窩鋁側(cè)面外形類似，但存在一定的差異。差異主要反映在十款車型的自上而下的強(qiáng)度變化為由小變大，然后再由大變小，這個(gè)反映了中國(guó)車輛前端強(qiáng)度上邊較小、下邊較大，蜂窩鋁結(jié)構(gòu)應(yīng)該能夠反映車輛的前端結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。從這十款車型數(shù)據(jù)而言，ECE-R94的蜂窩鋁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度基本能反映車輛的前端結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，但是自上而下每一層的強(qiáng)度是不同的。

圖1 十款車型前端結(jié)構(gòu)的豎直方向上的平均強(qiáng)度大小

由表1可以計(jì)算出每一列的平均侵入量，由左至右總共28列，28列的每一列的平均侵入量統(tǒng)計(jì)如表3所示：

表3 由左至右的28列的侵入量統(tǒng)計(jì)

從上表可以看出每一列的侵入量大小，可以得出十款車型前端結(jié)構(gòu)的水平方向的平均強(qiáng)度大小，從下圖2可以看出，與ECE-R94所使用的蜂窩鋁側(cè)面外形類似，但在不同寬度的位置存在一定的差異，呈現(xiàn)出來(lái)的是車輛前端結(jié)構(gòu)中間強(qiáng)度大、兩邊強(qiáng)度小，在對(duì)蜂窩鋁結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，兩邊的強(qiáng)度應(yīng)該比中間的強(qiáng)度要小，這一點(diǎn)與ECE-R94的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不同。

圖2 十款車型前端結(jié)構(gòu)的水平方向上的平均強(qiáng)度大小

7 結(jié)論

通過(guò)十款不同級(jí)別的車型在MPDB碰撞試驗(yàn)反映出的不同高度和寬度的侵入量的不同，基本可得出蜂窩鋁不同位置的強(qiáng)度規(guī)律，顯示其與現(xiàn)有使用的碰撞蜂窩鋁的結(jié)構(gòu)是存在差異的，由差異性進(jìn)而研究符合中國(guó)道路的壁障結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。本文依托十款不同級(jí)別的車型進(jìn)行試驗(yàn)后變形數(shù)據(jù)的分析，研究可信度高，適合中國(guó)的道路交通情況。