李測測，甘泉源

(沈陽航空航天大學(xué)安全工程學(xué)院，遼寧沈陽 110136)

0 引言

汽車交通安全一直是公共安全問題中的重要部分，也越來越受到人們的關(guān)注。汽車碰撞安全性包括主動安全性和被動安全性：前者主要是指車輛在未出現(xiàn)事故時(shí)，預(yù)防事故出現(xiàn)的能力；后者是指不可避免的交通事故發(fā)生時(shí)，汽車通過車身吸能結(jié)構(gòu)和車內(nèi)保護(hù)系統(tǒng)來有效地保護(hù)乘客，避免發(fā)生傷害或者降低傷害的能力。碰撞相容性屬于被動安全性的范疇，主要研究在碰撞中如何保護(hù)乘員的安全[1]。

在這類事故中轎車乘員相對于貨車乘員有較高的死亡率，是由于車輛之間具有不同的碰撞相容性造成的。碰撞相容性的不同主要取決于車輛自身的特性、車身質(zhì)量、防護(hù)裝置剛度和外形，這是影響車輛追尾碰撞相容性的重要因素[2-3]。

文獻(xiàn)[4]中提出采用轎車方向盤的侵入量和侵入速度作為衡量指標(biāo)。而轎車方向盤內(nèi)的安全氣囊是對乘員頭部與頸部的主要保護(hù)，故僅以方向盤侵入量和侵入速度為評價(jià)指標(biāo)，易忽略安全氣囊的剛度和起爆等一系列安全性問題。

文獻(xiàn)[5]中將貨車與轎車之間的質(zhì)量比M作為變化量進(jìn)行了相容性分析。當(dāng)質(zhì)量比大于等于7∶1時(shí)加速度不再增加。

文中以碰撞相容性影響因素為研究對象，考慮貨車后下部防護(hù)裝置的離地高度和剛度，并以貨車后下部防護(hù)裝置和轎車前壁擋板侵入量、轎車侵入速度和B柱加速度變化為評價(jià)指標(biāo)對轎車和貨車的相容性進(jìn)行研究。

1 理論分析

1.1 碰撞相容性概述

汽車碰撞的相容性可以理解為：在車對車(特別是不同類型的車輛之間)碰撞的交通事故中，汽車不僅要能保護(hù)自己車內(nèi)乘員的安全，也必須考慮對方車內(nèi)乘員的安全，使碰撞中雙方車輛上的乘員得到相同的安全保護(hù)水平，達(dá)到整個(gè)碰撞事故中人員和財(cái)產(chǎn)損失的最小化。相反，如果車輛在碰撞中能夠非常好地保護(hù)自己車內(nèi)的乘員，但卻具有明顯的攻擊性，給對方車內(nèi)乘員造成了很大的傷害，使碰撞中雙方乘員的傷害危險(xiǎn)不同，造成整個(gè)碰撞事故的損失并未最小化，它的相容性就不好，也即汽車碰撞的不相容，這種情況應(yīng)該盡量避免。

1.2 碰撞相容性影響因素

碰撞相容性通常與3個(gè)影響因素相關(guān)，即質(zhì)量、結(jié)構(gòu)剛度和車身幾何外形。質(zhì)量是占主導(dǎo)因素的，質(zhì)量不等的車輛之間發(fā)生碰撞時(shí)，質(zhì)量小的車會處于非常不利的地位，碰撞中對方車輛質(zhì)量越大，我方車輛乘員受到的傷害就越大。

結(jié)構(gòu)剛度相容性對于追尾碰撞相容性來說主要是指貨車后下部防護(hù)裝置與轎車前端結(jié)構(gòu)剛度的相容性問題。載貨汽車后下部防護(hù)裝置是提高載貨汽車的被動安全性主要措施之一。

假設(shè)車輛前部的剛度恒定為k，撞擊動能為E，質(zhì)量為m，碰撞時(shí)的速度為v0，碰撞時(shí)的動態(tài)變形量為X，則有如下關(guān)系：

(1)

(2)

從上式可以看出：車輛碰撞速度一定時(shí)，車輛的前部變形量與其剛度呈反比[6]。

車身幾何外形相容性對于追尾碰撞相容性來說主要是指貨車后部離地間隙(高度)與轎車前端高度[7]。

作者著重從結(jié)構(gòu)剛度相容性和車身幾何外形相容性來分析考慮。

2 仿真分析

2.1 轎車追尾貨車的碰撞仿真分析

以B柱加速度和轎車前壁板內(nèi)侵塌陷量為評價(jià)指標(biāo)來對轎車100%重疊追尾貨車碰撞相容性進(jìn)行研究。

通過對轎車和貨車模型進(jìn)行相對位置調(diào)整、約束和接觸設(shè)置等碰撞條件的初始化設(shè)置，最終搭建了轎車100%重疊追尾貨車的碰撞仿真模型。以下是建立的追尾碰撞模型圖，如圖1所示。

圖1 基礎(chǔ)模型圖

當(dāng)質(zhì)量比大于等于7∶1時(shí)加速度不再增加[5]，所以在轎車質(zhì)量為1 100 kg的基礎(chǔ)上，給貨車配重為7 800 kg。為了分析出轎車追尾貨車碰撞過程中轎車的受損情況，在轎車的B柱下端和前端引擎蓋下建立加速度傳感器作為測量點(diǎn)。

美國公路安全保險(xiǎn)協(xié)會(IIHS)在轎車追尾貨車實(shí)車試驗(yàn)中采用的碰撞測試速度為56 km/h，根據(jù)這一經(jīng)驗(yàn)，并在減小試驗(yàn)和計(jì)算工作量的情況下，以貨車后下部防護(hù)裝置厚度C和離地高度H為因素，間隔設(shè)置水平數(shù)為3，從而得到轎車追尾貨車的9個(gè)仿真模型，進(jìn)行9個(gè)仿真試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)計(jì)表格見表1。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)模型表 mm

2.2 貨車后防護(hù)離地高度對碰撞相容性的影響

2.2.1 轎車B柱下端加速度變化

從圖2加速度變化可以看出：隨著高度的增加，加速度最大值逐漸降低，其原因是碰撞剛開始時(shí)的接觸面積減少，給轎車留有很大的緩沖空間。在碰撞過程的前20 ms內(nèi)均出現(xiàn)一個(gè)加速度波峰，這是由于轎車的前保險(xiǎn)杠與貨車后下部防護(hù)裝置的橫梁碰撞導(dǎo)致的。圖2中B柱下端加速度曲線峰值雖均未超過法規(guī)要求的40g，但是高度在460 mm時(shí)，轎車插入過程中的加速度最大值并不是轎車前保險(xiǎn)杠與貨車后防護(hù)的接觸，即轎車前保險(xiǎn)杠并未起到吸能的效果。從貨車后防護(hù)離地高度的角度來看，高度在大于等于460 mm時(shí)，轎車與貨車后防護(hù)的相容性較差。

圖2 貨車后防護(hù)不同離地高度下的B柱下端加速度曲線

2.2.2 貨車后防護(hù)防鉆撞效果分析

轎車前段結(jié)構(gòu)的車身變形量是衡量貨車后防護(hù)防鉆能力的重要指標(biāo)。通過分析不同離地高度下貨車后防護(hù)的防鉆撞效果，可以更好地研究轎車追尾貨車碰撞相容性。通過HyperView對仿真試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行后處理后，轎車前端變形量變化如圖3所示。

經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，隨著貨車后防護(hù)離地高度的增加，轎車前端車身的變形量不斷增加。在56 km/h的追尾速度下，貨車后防護(hù)離地高度為460 mm時(shí)，轎車前端車身的變形量最大，說明貨車后防護(hù)的防護(hù)效果較差；而當(dāng)貨車后防護(hù)離地高度為380 mm時(shí)，轎車前端車身的變形量最小，說明轎車與貨車后防護(hù)的碰撞相容性較好。

圖3 不同離地高度下轎車前端變形量

2.2.3 轎車前壁板內(nèi)侵塌陷量變化

從9組試驗(yàn)轎車前壁板的應(yīng)力云圖得出前壁板內(nèi)侵塌陷量表如表2所示，前壁板內(nèi)侵塌陷量的變化很明顯，最小值是C3H1的140.9 mm,最大值是C1H2的310.6 mm。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，在C相同的情況下，隨著H的增加雖然C1和C3兩組沒有完全符合線性增加的規(guī)律，但是在H值為380 mm時(shí)前壁板內(nèi)侵塌陷量依然是最小的，說明貨車后下部防護(hù)裝置的離地高度對碰撞相容性的影響依然很大。

表2 轎車前壁板內(nèi)侵塌陷量表 mm

2.3 貨車后防護(hù)厚度對碰撞相容性的影響

2.3.1 轎車B柱下端加速度變化

根據(jù)已分析出的貨車后防護(hù)離地高度對碰撞相容性的影響結(jié)果，H值為380 mm時(shí)二者碰撞相容性最好，所以應(yīng)將H值為380 mm的轎車B柱下端加速度曲線作為主要的分析目標(biāo)，如圖4所示。

圖4 貨車后防護(hù)裝置不同厚度下的B柱下端加速度曲線

經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)：3條加速度曲線在碰撞前20 ms內(nèi)均出現(xiàn)一個(gè)加速度波峰，且在3 mm厚度情況下波峰峰值明顯低于6 mm和9 mm的情況，說明3 mm厚度時(shí)的后防護(hù)裝置沒能較好地阻止轎車入侵。因此，在碰撞過程中，隨著后防護(hù)欄材料厚度的增加，對后車的阻擋作用越明顯，即防止后車鉆入前車的效果越明顯，二者碰撞相容性越好。

2.3.2 貨車后防護(hù)防鉆撞效果分析

將H值為380 mm的轎車前端變形量為主要分析目標(biāo)，從圖3轎車前端變形量中提取不同厚度的變形量，如表3所示，從而觀察不同厚度下的轎車前端變形量的變化情況。

表3 轎車前端變形量表 mm

經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)：隨著貨車后防護(hù)裝置厚度的增加，轎車前端車身的變形量不斷減小，說明在碰撞過程中，隨著貨車后防護(hù)材料厚度的增加，對轎車的阻擋作用越明顯，即二者碰撞相容性越好。

2.3.3 轎車前壁板內(nèi)侵塌陷量變化

從表2中可以發(fā)現(xiàn)：在H相同的情況下，隨著貨車后下部防護(hù)裝置厚度C的增加，前壁板內(nèi)侵塌陷量逐漸減小，說明貨車后下部防護(hù)裝置與轎車的碰撞相容性較好。

3 結(jié)論

(1)研究的追尾碰撞相容性跟正面碰撞相容性有所區(qū)別，正面碰撞相容性需要降低貨車前端剛度，而追尾碰撞相容性則是要提高貨車后防護(hù)剛度。

(2)根據(jù)碰撞相容性的影響因素，提出將轎車前壁擋板侵入量作為衡量指標(biāo)之一，將貨車后防護(hù)裝置離地高度和厚度設(shè)為關(guān)鍵因素，研究了以貨車后防護(hù)離地高度、厚度為度量的轎車追尾貨車碰撞相容性問題，并得到較理想的數(shù)值分析結(jié)果。

(3)文中所得結(jié)果可應(yīng)用于其他類型追尾碰撞的事故分析，為貨車后防護(hù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了一定的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn):

[1]雷雨成,嚴(yán)斌,程昆.汽車的碰撞相容性研究[J].汽車科技,2004(1):15-17.

LEI Y C,YAN B,CHENG K.A Study on Vehicle Crash Compatibility[J].Automobile Science and Technology,2004(1):15-17.

[2]BUZEMAN-JEWKES D,THOMSON R W,VIANO D C.Crash Compatibility[M]//AMBROSIO J A C.Crashworthiness: Energy Management and Occupant Protection.Vienna:Springer,2001:447-466.

[3]GABLERH C,HOLLOWELL W T.The Crash Compatibility of Cars and Light Trucks[J].Journal of Crash Prevention & Injury Control,2000,2(1):19-31.

[4]程闊,黃玉鵬,萬鑫銘,等.相容性評價(jià)指標(biāo)及改進(jìn)分析[J].機(jī)械工程與自動化,2010(2):119-121.

CHENG K,HUANG Y P,WAN X M,et al.Compatibility Criterion and Improvement Analysis[J].Mechanical Engineering & Automation,2010(2):119-121.

[5]李楊.汽車尾部碰撞的相容性研究[D].長沙:長沙理工大學(xué),2011.

[6]邱少波.汽車碰撞安全工程[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2016.

[7]JENEFELDT F,THOMSON R.A Methodology to Assess Frontal Stiffness to Improve Crash Compatibility[J].International Journal of Crashworthiness,2004,9(5):475-482.

[8]全國汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.汽車和掛車后下部防護(hù)要求:GB 11567-2017[S]. 北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2018.

[9]楊輝.我國貨車后下部防護(hù)裝置標(biāo)準(zhǔn)與歐美的對比研究[C]//國際汽車交通安全學(xué)術(shù)會議.長沙,2009.

[10]朱西產(chǎn)，程勇.載貨汽車防護(hù)裝置最佳離地高度和剛度的分析[J].汽車工程,2002,24(5):419-421.

ZHU X C,CHANG Y.An Analysis on the Optimal Ground Clearance and Stiffness of Truck Under-run Protector[J].Automotive Engineering,2002,24(5):419-421.

[11]袁泉,李一兵.基于碰撞相容性因素的車輛追尾事故深入數(shù)據(jù)分析[C]//2006中國汽車安全技術(shù)國際學(xué)術(shù)會議暨中國汽車工程學(xué)會汽車安全技術(shù)年會.北京,2006.

[12]郝明先,傅君君,劉恒榮.前壁板開裂問題分析與研究[C]//2015中國汽車工程學(xué)會年會論文集.上海,2015.