張志勇

（司法部司法鑒定科學(xué)技術(shù)研究所，上海200063）

近年來(lái)，隨著我國(guó)高速公路里程及汽車(chē)保有量的持續(xù)增加，轎車(chē)追尾大型車(chē)輛的事故也在不斷發(fā)生，貨車(chē)后下部防護(hù)裝置的被動(dòng)安全問(wèn)題越來(lái)越引起人們的關(guān)注。因此，如何改善提高貨車(chē)后下部防護(hù)裝置的安全性能對(duì)減輕或避免事故中追尾車(chē)輛乘員的傷亡有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文從研究貨車(chē)后下部防護(hù)裝置幾種典型的不同截面橫梁的碰撞吸能特性入手，根據(jù)《汽車(chē)和掛車(chē)后下部防護(hù)要求》（GB11567.2-2001）標(biāo)準(zhǔn)要求的碰撞試驗(yàn)條件，建立同等壁厚條件下的不同截面橫梁FEM模型，進(jìn)行碰撞仿真分析，進(jìn)而對(duì)幾種典型的不同截面橫梁的吸能特性做出評(píng)價(jià)。

1 碰撞過(guò)程中的能量傳遞

碰撞過(guò)程中，碰撞能量的主要傳遞途徑是[1]：

（1）通過(guò)結(jié)構(gòu)的彈塑性吸收一部分能量（內(nèi)能）；

（2）通過(guò)碰撞車(chē)輛之間的速度再分配保留一部分碰撞動(dòng)能。

為了減弱碰撞過(guò)程中的沖擊作用，達(dá)到保護(hù)后車(chē)乘員的目的，必須在后防護(hù)裝置的有限許可范圍內(nèi)，盡可能降低碰撞過(guò)程中移動(dòng)壁障的加速度和延長(zhǎng)碰撞時(shí)間，提高橫梁等主要構(gòu)件的彈塑性變形所吸收的能量。

碰撞吸能特性涉及的一個(gè)重要內(nèi)容是結(jié)構(gòu)發(fā)生彈塑性變形吸收的內(nèi)能。內(nèi)能越大，則彈塑性變形吸收的能量越多，碰撞動(dòng)能的消耗也越多。依據(jù)LS-DYNA對(duì)碰撞過(guò)程中能量變化的分析，碰撞過(guò)程中的能量滿(mǎn)足下式：

KE+IE＝KE0+EW

式中，KE0為初始動(dòng)能，EW為外力所做的功，KE為當(dāng)前系統(tǒng)動(dòng)能，IE為當(dāng)前系統(tǒng)內(nèi)能，內(nèi)能包括彈性應(yīng)變能和發(fā)生永久塑性變形所做的功。由于一般碰撞過(guò)程中不存在外力的作用，因此分析中常假設(shè)EW＝0。

2 不同橫截面形狀橫梁FEM模型的建立及邊界條件的設(shè)定

對(duì)于汽車(chē)結(jié)構(gòu)的碰撞安全性設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)橫截面是需要考慮的一個(gè)重要因素，因?yàn)椴煌臋M截面將可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件的碰撞吸能水平不同[2]。橫梁構(gòu)件雖然簡(jiǎn)單，但可以有各種不同形狀的橫截面，本文就橫梁構(gòu)件常見(jiàn)四種不同截面形狀（見(jiàn)圖1）的吸能性進(jìn)行同樣邊界條件下的碰撞仿真分析。

圖1 橫梁橫截面形狀示意圖

在建立不同橫截面的橫梁有限元模型時(shí)，統(tǒng)一采用Thin Shell163殼單元（采用缺省的Belytschko-Tsay算法，Gauss積分法則），殼單元厚度為6 mm，在殼單元厚度方向采用5點(diǎn)積分；網(wǎng)格劃分規(guī)格為15 mm×15 mm；材料模型采用塑性隨動(dòng)模型（*MAT_PLASTIC_KINEMATIC），材料選取低碳合金鋼；接觸方式選用自動(dòng)單面接觸（ASSC）[2]。

為了方便對(duì)各不同橫截面的橫梁的碰撞仿真結(jié)果和吸能性進(jìn)行比較，要求在一個(gè)同等的邊界條件下進(jìn)行碰撞計(jì)算，本文采取的邊界條件為：采取相同的截面周長(zhǎng)，采用相同的材料、壁厚（支臂厚度為6 mm，定義為全約束剛體），采用相同的碰撞速度（32 km/h即8 889 mm/s），采用相同的移動(dòng)壁障剛性墻設(shè)置*RIGIDWALL_PLANAR_FINITE_MOVING（有限移動(dòng)剛性墻），剛性墻質(zhì)量定義為1.1t。

因?yàn)椤镀?chē)和掛車(chē)后下部仿護(hù)要求》（GB11567.2-2001）規(guī)定橫梁構(gòu)件的截面高度不小于100mm[2]，本文就以圓形截面直徑取100mm為基準(zhǔn)，對(duì)橫梁四種不同的截面形狀在保證截面高度不小于100mm的前提下，截面周長(zhǎng)取圓形截面周長(zhǎng)（314mm），壁厚都取6mm。

3 不同橫截面形狀橫梁的碰撞仿真分析

3.1 圓形截面碰撞吸能性分析

對(duì)橫梁和移動(dòng)壁障之間設(shè)置了約0.05 m的距離，經(jīng)過(guò)換算LS-DYNA的求解終止時(shí)間設(shè)為30 ms。

圖2～3是圓形橫截面橫梁受到1.1t剛性墻以32 km/h（8 889 mm/s）的速度撞擊的幾個(gè)時(shí)刻的等效應(yīng)力云圖仿真結(jié)果，我們可以清楚的看到圓形截面橫梁在受到碰撞過(guò)程中的應(yīng)力和變形情況。

圖2 11ms時(shí)刻碰撞響應(yīng)

圖3 30ms時(shí)刻碰撞響應(yīng)

圖4 移動(dòng)壁障減速度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

從圖4中我們看到移動(dòng)壁障的減速度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)在開(kāi)始碰撞第7ms時(shí)減速度值迅速達(dá)到最大值64g（627m/s2）①圖示中橫坐標(biāo)為時(shí)間換算單位“s”；縱坐標(biāo)為減速度換算單位“m/s2”。，表明圓形截面梁在碰撞開(kāi)始很短時(shí)間內(nèi)就達(dá)到材料屈服極限，隨后其塑性變形成為主要的變形形態(tài)。之后的小幅振蕩說(shuō)明在圓形截面橫梁變形的過(guò)程中，隨著碰撞能量的耗散，其間彈性變形分量產(chǎn)生彈性恢復(fù)。總體上，圓截面橫梁有很好的塑性變形特性。

從圖5中可以清楚的看到圓形橫截面橫梁受到1.1t剛性墻以32 km/h的速度撞擊過(guò)程中其吸能曲線(xiàn)整體比較平緩，吸能量峰值為40.5 kJ，其對(duì)應(yīng)的時(shí)刻為21ms②圖示中橫坐標(biāo)為時(shí)間換算單位“s”。。當(dāng)橫梁的吸能量達(dá)到峰值后曲線(xiàn)出現(xiàn)了輕微的下滑并最終在29 ms的時(shí)候穩(wěn)定在40.2 kJ，這說(shuō)明橫梁在碰撞過(guò)程中除了塑性變形外還存在彈性變形，當(dāng)碰撞過(guò)程持續(xù)到橫梁的吸能峰值時(shí)，剛性墻的速度降為0，然后橫梁存在少量的彈性恢復(fù)。因此橫梁的最大吸能量應(yīng)為彈性恢復(fù)后的40.2kJ。

圖5 圓形截面橫梁吸能量隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

3.2 雙圓形截面碰撞吸能性分析

圖6～圖7是雙圓形橫截面橫梁與剛性墻碰撞的幾個(gè)時(shí)刻的等效應(yīng)力云圖仿真結(jié)果。

從圖8中我們可以看到移動(dòng)壁障在碰撞過(guò)程的第 12ms時(shí)減速度最大值為 156.6g（1535m/s2）①。從圖9中可以看到雙圓形截面橫梁從第9 ms②開(kāi)始其吸能量在較短時(shí)間內(nèi)迅速上升，整個(gè)碰撞過(guò)程的吸能量在第24ms②時(shí)達(dá)到最大值38.2kJ，并基本保持至碰撞過(guò)程結(jié)束。從能量曲線(xiàn)上看雙圓形截面梁的最大吸能量略低于圓形截面橫梁的最大吸能量。

圖6 11ms時(shí)刻碰撞響應(yīng)

圖7 30ms時(shí)刻碰撞響應(yīng)

圖8 移動(dòng)壁障減速度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

圖9 雙圓形截面橫梁吸能量隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

3.3 矩形截面碰撞吸能性分析

圖 10～圖11是矩形橫截面橫梁與剛性墻碰撞的幾個(gè)時(shí)刻的等效應(yīng)力云圖仿真結(jié)果。

從圖12中可以看到移動(dòng)壁障在碰撞開(kāi)始的第10ms其減速度達(dá)到最大值 108.3g（1061m/s2）①。從圖13中我們看到矩形截面橫梁的能量曲線(xiàn)與雙圓形截面相比有所緩和，在碰撞過(guò)程結(jié)束時(shí)達(dá)到吸能量最大值38.7kJ。

圖10 11ms時(shí)刻碰撞響應(yīng)

圖11 30ms時(shí)刻碰撞響應(yīng)

圖12 移動(dòng)壁障減速度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

圖13 矩形截面橫梁吸能量隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

3.4 槽鋼形截面碰撞吸能性分析

圖 14～圖15是槽鋼形橫截面橫梁與剛性墻碰撞的幾個(gè)時(shí)刻的等效應(yīng)力云圖仿真結(jié)果。

從圖16移動(dòng)壁障的減速度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)，在第8 ms時(shí)其最大減速度峰值為74.7 g（732 m/s2）①。 再?gòu)膱D17中可以看到槽鋼形截面橫梁的能量隨時(shí)間變化曲線(xiàn)跟矩形截面橫梁有點(diǎn)相似，都是在碰撞過(guò)程結(jié)束時(shí)達(dá)到吸能量最大值，槽鋼形截面橫梁的最大吸能量為33 kJ。

圖14 12ms時(shí)刻碰撞響應(yīng)

圖15 30ms時(shí)刻碰撞響應(yīng)

圖16 移動(dòng)壁障減速度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

圖17 槽鋼形截面橫梁吸能量隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

對(duì)以上四種不同截面的緩沖吸能性主要參數(shù)指標(biāo)（見(jiàn)表 1）：

由表1可清楚地看出四種不同截面橫梁的緩沖吸能性能，減速度峰值最大的是雙圓形截面，這反映了雙圓形截面橫梁的剛度要較其他截面形狀橫梁高。吸收內(nèi)能最大的是圓形截面橫梁，這表明了圓形截面橫梁的吸能性要好于其他截面形狀橫梁。綜合評(píng)價(jià)四種不同橫截面橫梁的緩沖性能和吸能性能，圓形截面橫梁為最佳。

表1 不同截面形狀橫梁的緩沖吸能對(duì)比情況

4 結(jié)論

本文對(duì)橫梁橫截面分別取常見(jiàn)圓形橫截面、雙圓形橫截面、矩形橫截面和槽鋼形橫截面四種截面形狀時(shí)的碰撞緩沖吸能性進(jìn)行了仿真分析，并得出結(jié)論：在同等條件下，圓形橫截面橫梁的緩沖吸能性能最好。當(dāng)前《汽車(chē)和掛車(chē)后下部防護(hù)要求》（GB11567.2-2001）中并未對(duì)橫梁的截面形狀提出相關(guān)建議，然而面對(duì)時(shí)有發(fā)生的嚴(yán)重追尾事故，本文在此建議同等材料屬性下，后防護(hù)盡可能選取圓形截面橫梁。

參考文獻(xiàn)：

[1]顧力強(qiáng).轎車(chē)保險(xiǎn)杠和金屬緩沖吸能結(jié)構(gòu)的耐撞性研究[D].上海:上海交通大學(xué)，2000.

[2]GB11567.2-2001汽車(chē)和掛車(chē)后下部防護(hù)要求[S].2001.