Study of Truck Rear Bumper Crashworthiness
-
摘要: 货车尾部护栏缓撞性能的优劣直接影响到与其发生追尾碰撞的其它车辆损坏和乘员伤亡的严重程度。用三维动态非线性有限元方法模拟计算了护栏横梁的碰撞过程, 并进行了试验研究, 在此基础上进一步改善槽形截面横梁的缓撞性能, 在其碰撞表面加装了筒系吸能装置。计算和试验结果表明, 该装置能够明显降低与之碰撞的台车的减速度Abstract: When passenger cars crash into the rear end of heavy trucks, the degree of cars occupants' injury and cars damages depends on weather the crashworthiness of the truck rear bumpers are good or not.The dynamic three dimensional non linear finite element methods are adopted to simulate the impact of truck rear bumper for the investigation of its crashworthiness.And some impact tests are carried out.Based on this, tubes' system is installed on the impact surface of the bumper horizontal beam as an energy absorption device to improve the beam's impact performace. Simulation and test results of the improved bumper show that this device leads the deceleration of the moving barrier crashing into the bumper decreased obviously.
-
Key words:
- crashworthiness /
- energy absorption devices /
- truck rear bumper
-
追尾碰撞是道路交通事故的主要事故类型之一, 其发生的数量仅次于正面碰撞和侧碰撞事故, 表 1为中国1998年各种事故类型的构成。
表 1 道路交通事故类型构成[1]事故类型 正面碰撞 侧面碰撞 追尾碰撞 相向刮擦 同向刮擦 碾压 翻车 坠车 撞固定物 失火 其他 事故次数 82653 109552 66154 13603 15854 6369 14191 2769 13118 242 21633 占总数比率 23.88% 31.65% 19.11% 3.93% 4.58% 1.84% 4.10% 0.80% 3.79% 0.07% 6.25% 另一方面, 随着中国公路建设规模的空前发展, 高速公路里程迅速增长, 到1999年底, 中国已建成高速公路11000 km。与普遍道路不同, 高速公路的事故类型有其自身的特点。全封闭式运行, 避免了机动车与行人、自行车之间的事故, 分道行驶解决了车辆间正面冲突问题, 而追尾撞车事故则占相当比例。据1998年1月至6月对陕西、山东及安徽三省的高速公路事故统计, 追尾碰撞事故的发生起数占总事故数的36%, 导致死亡人数占总死亡人数的55%, 居各类事故之首, 见图 1。
在这些追尾事故中, 尤其以轿车撞向货车尾部事故的伤亡严重。1980年美国道路交通安全局的统计表明, 在所有与重型货车尾部相撞事故中, 68%为轿车事故[2]。而中国高速公路上, 货车混入率远高于发达国家, 约为45%, 所以轿车对货车的追尾碰撞事故几率很高。在这类事故中, 由于车辆几何尺寸的差异, 多发生“钻撞”现象。由于货车尾部过多侵入轿车乘坐舱, 钻撞往往造成轿车乘员死亡。
针对钻撞现象, 美国FMVSS 208项393.86条款[3]、欧州ECE法规No.58、日本机动车安全规则JASO B105-83[4]、中国国家标准GB 11567-94 (汽车和挂车侧面及下部防护装置要求) [5]均对重型货车或拖挂车尾部防钻撞装置做了具体规定。但是, 即使装有防钻撞护栏, 由于过分强调货车尾部护栏的高强度、低成本及维修方便性, 导致货车尾部的刚度远高于轿车。轿车尾撞货车事故的重伤率高达8.6%, 是道路交通事故重伤率平均值(2.9%) 的3倍[2]。因此, 研究货车尾部护栏的缓撞性能, 改善其能量吸收特性将有助于减轻轿车乘员的伤亡程度。
1. 货车尾部护栏碰撞过程的模拟计算及试验
当轿车撞向驻停状态的货车尾部时, 由于轿车质量远小于货车质量, 可假设货车质量为无穷大, 即碰撞过程中货车不发生整体位移。在实际碰撞中, 货车尾部护栏横梁的变形与护栏本身有无吸能装置以及轿车前部结构有很大关系, 为了研究横梁的变形特征, 须剔除这些因素的影响, 所以将轿车视为具有一定速度和质量的刚体, 只以护栏横梁为研究对象。经过上述简化, 将轿车追尾货车的碰撞简化为如图 2所示模型, 其中被撞横梁为槽形截面梁。
考虑因结构大变形引起的材料非线性和几何非线性问题, 采用三维非线性有限元法对碰撞过程进行模拟, 经对称处理后将其离散成由488个板单元、539个节点组成的有限元模型, 见图 3。图中①~⑤个标记为以后计算中输出结果的位置, 也是试验中的测量位置。板单元为4节点薄板, 按Hughes-Liu板理论计算, 取过板厚的4点积分。横梁材料为A3钢, 选用各向同性弹塑性材料模型, 材料参数见表 2。
表 2 材料参数剪切模量/MPa 屈服应力/MPa 硬化模量/MPa 体积模量/MPa 比重/kg·m-3 79400 235 1040 156000 7800 碰撞速度分别为5.58 m/s和7.15 m/s。图 4为7.15 m/s速度碰撞后横梁的变形情况, 图 4(a) 为计算结果, 图 4(b) 为试验结果。图 5为5.58 m/s速度碰撞时第①标记点的速度变化曲线。表 3为在两个碰撞速度下横梁中央点的位移、速度和减速度。
表 3 计算与试验结果对比参量 计算结果 试验结果 计算结果 试验结果 碰撞速度/m·s-1 5.58 5.58 7.15 7.15 最大位移/mm 100.5 91.7 119.0 120.8 到达零速度时间/ms 33 35 33 33 减速度脉宽/ms 38 46* 37 39* 平均减速度/m·s-2 163 153* 221 236* 碰撞刚度/kN·m-1 317.9 327.0 364.0 382.0 注: 表中有“*”的试验数据为电测量结果, 其余为高速摄影测量结果, 试验所得减速度为峰值减速度。 由表 3可以看出, 对横梁变形过程的模拟计算结果与试验测量的结果吻合很好, 说明所采用的计算方法能够较准确地反映实际的碰撞过程, 可以用于结构的碰撞特性研究。
2. 横梁缓撞性能的改进
为了吸收碰撞能量, 降低台车的碰撞减速度, 可在横梁的碰撞表面加装缓冲装置。在众多吸能元件中, 圆管因其易于制造, 成本低廉, 变形行程长等优点, 被广泛应用; 又因圆管的轴向受压承载能力是其横向承载能力的10倍[6], 比能耗亦高于受轴压方管[7], 所以本文采用轴向承载的一组圆筒作为缓冲装置, 具体结构见图 6。在5.58 m/s速度碰撞后, 其变形情况如图 7。图 8为有和无筒系吸能装置的两种结构在相同速度(5.58 m/s) 下碰撞, 模拟计算所得台车的减速度变化过程。
两次试验所得数据列于表 4。由计算和试验结果可以看出, 增加吸能筒系装置后, 台车的碰撞减速度峰值下降了47%, 平均减速度也有降低, 且减速过程延长约57%。
表 4 有无筒系吸能装置的效果对比横梁结构 碰撞速度/m·s-1 最大变形/mm 峰值减速度/m·s-2 减速度脉宽/ms 无吸能装置 5.58 92 153 46 有吸能装置 5.56 —— 81 72 3. 结语
(1) 追尾碰撞事故是道路交通事故的主要类型之一。在这类事故中, 货车尾部护栏因其结构尺寸不合理和刚度过大往往加重了与之相撞的其它车辆的损坏和人员伤亡, 因此有必要研究和改善货车尾部护栏的缓撞性能。
(2) 采用非线性有限元方法对碰撞过程进行模拟, 可以得到与试验相一致的结果, 在中国目前碰撞试验设备少, 试验费用昂贵的情况下, 可以广泛应用理论计算的方法开展结构碰撞领域的研究。
(3) 通过对比试验证明, 在护栏横梁的碰撞面加装筒系吸能装置后, 使与之相撞的台车的减速度大幅度下降, 而且延长了减速过程, 说明采用圆筒作为缓冲元件, 可以明显改善货车尾部护栏的碰撞特性。
-
表 1 道路交通事故类型构成[1]
事故类型 正面碰撞 侧面碰撞 追尾碰撞 相向刮擦 同向刮擦 碾压 翻车 坠车 撞固定物 失火 其他 事故次数 82653 109552 66154 13603 15854 6369 14191 2769 13118 242 21633 占总数比率 23.88% 31.65% 19.11% 3.93% 4.58% 1.84% 4.10% 0.80% 3.79% 0.07% 6.25% 
下载: 导出CSV
表 3 计算与试验结果对比
参量 计算结果 试验结果 计算结果 试验结果 碰撞速度/m·s-1 5.58 5.58 7.15 7.15 最大位移/mm 100.5 91.7 119.0 120.8 到达零速度时间/ms 33 35 33 33 减速度脉宽/ms 38 46* 37 39* 平均减速度/m·s-2 163 153* 221 236* 碰撞刚度/kN·m-1 317.9 327.0 364.0 382.0 注: 表中有“*”的试验数据为电测量结果, 其余为高速摄影测量结果, 试验所得减速度为峰值减速度。
下载: 导出CSV
表 4 有无筒系吸能装置的效果对比
横梁结构 碰撞速度/m·s-1 最大变形/mm 峰值减速度/m·s-2 减速度脉宽/ms 无吸能装置 5.58 92 153 46 有吸能装置 5.56 —— 81 72
下载: 导出CSV
-
[1] 中华人民共和国公安部交通管理局. 中华人民共和国道路交通事故统计资料汇编[Z]. 北京: 中华人民共和国公安部交通管理局, 1999. [2] TOMASSONI J E, BELL G K. An approach to developing underride guard requirements for improved occupant protection[J]. SAE 801422, 1980. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZJLT202011015.htm [3] 中国汽车技术研究中心标准化研究所. 美国联邦机动车标准(571部分)[S], 1989.208. [4] 自動車技術會、規格會議制定. JASO B 105-83. 自动车规格, トヲツケ及ぴトレ-ヲ用后部突入防止装置[S], 1983. [5] 中华人民共和国交通部标准. (GB 11567-94)汽车和挂车侧面及后下部防护装置要求[S], 1994. [6] 余同希. 利用金属塑性变形原理的能量吸收装置, 塑性力学进展[M]. 北京: 中国铁道出版社, 1988, 387-409. [7] REID S R, AUSTIN C D, SMITH R. Tubular rings as impact energy absorbers[J]. Structural Impact and Crashworthiness, 1984, 2: 555-563. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-BJKY202108007.htm -
下载:
点击查看大图
计量
- 文章访问数: 467
- HTML全文浏览量: 207
- PDF下载量: 214
- 被引次数: 0
