于英華，高文碩，范中海，李 巢

（遼寧工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000）

0 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，液態(tài)危險(xiǎn)化學(xué)品運(yùn)輸量不斷增加，隨之帶來(lái)了液態(tài)危險(xiǎn)品運(yùn)輸事故的激增，極大地威脅人民的生命安全，也給國(guó)家?guī)?lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)損失.為此，如何提高液態(tài)危險(xiǎn)化學(xué)品的主要運(yùn)輸車輛——油罐車的碰撞安全性問(wèn)題引起社會(huì)各界的廣泛關(guān)注，也成為相關(guān)企事業(yè)和科研院所的研究熱點(diǎn).據(jù)統(tǒng)計(jì)，油罐車追尾事故是其主要交通事故之一.特別是追尾碰撞引起的次生災(zāi)害遠(yuǎn)超事故本身所造成的傷害[1-5].為此，研究高耐撞性油罐車后防護(hù)裝置有重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)價(jià)值.目前，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究主要集中在對(duì)已有金屬管后防護(hù)裝置的結(jié)構(gòu)改進(jìn)與優(yōu)化方面[6-7].泡沫鋁具有輕質(zhì)、高比強(qiáng)度、高比剛度、減振降噪和高耐撞吸能性等優(yōu)異特性，被認(rèn)為在車輛、煤礦安全防護(hù)裝置等機(jī)械結(jié)構(gòu)中有著良好的應(yīng)用前景[8-10].

以某油罐車后防護(hù)裝置為研究原型，進(jìn)行泡沫鋁填充結(jié)構(gòu)后防護(hù)裝置的概念設(shè)計(jì)，在保證后防護(hù)裝置質(zhì)量不增加的前提下，從提高其碰撞安全性的角度出發(fā)對(duì)泡沫鋁填充進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化，并對(duì)優(yōu)化的油罐車后防護(hù)裝置的碰撞安全性進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證泡沫鋁填充在油罐車應(yīng)用中的安全性和節(jié)能環(huán)保性.

1 原型防護(hù)裝置

1.1 原型選取

油罐車后防裝置的原型結(jié)構(gòu)見圖1，材料為Q235，由壁厚分別為4 mm和6 mm的矩形和正方形截面的空管焊接而成.矩形截面的尺寸為100 mm× 50 mm，正方形截面的尺寸為100 mm×100 mm.

圖1 油罐車后防護(hù)裝置的原型結(jié)構(gòu)Fig.1 prototype structure of the tank truck rear guard device

1.2 性能分析

（1）質(zhì)量分析

根據(jù)后防護(hù)裝置原型的結(jié)構(gòu)尺寸，利用Creo軟件建立三維結(jié)構(gòu)模型，并對(duì)質(zhì)量屬性進(jìn)行分析，輸入Q235低碳鋼材的密度7.8×10-6kg/mm3，得出后防護(hù)裝置原型的質(zhì)量為280 kg.

（2）追尾正碰安全性分析

在所有碰撞類交通事故中，追尾正碰事故的發(fā)生頻率最高且對(duì)乘員傷害最大，這類事故的安全保護(hù)問(wèn)題也是國(guó)內(nèi)外交通安全研究的重點(diǎn).特別是大型車輛體積龐大，質(zhì)量多為乘用車的10倍以上，所以在追尾正碰事故中將產(chǎn)生更大的初始動(dòng)能，隨之帶來(lái)更大的破壞.若油罐車發(fā)生更嚴(yán)重的罐體破裂將導(dǎo)致運(yùn)輸油泄露，將可能造成更大的環(huán)境問(wèn)題，且更易誘發(fā)伴生的二次特重大交通事故.因此，對(duì)油罐車后防護(hù)裝置受到大型車輛追尾正碰時(shí)的安全性進(jìn)行仿真分析，為后續(xù)的泡沫鋁填充結(jié)構(gòu)油罐車后防護(hù)裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ).

根據(jù)國(guó)家相關(guān)汽車碰撞法規(guī)[11-12]，采用LS-DYNA軟件，將追尾車輛簡(jiǎn)化成移動(dòng)壁障形式，其表面設(shè)為剛性，壁障寬1 700 mm、高600 mm、質(zhì)量10 t，初始速度40 km/h.建立原型結(jié)構(gòu)油罐車后防護(hù)裝置被大車追尾正碰的模型，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，見圖2.由于模型是左右對(duì)稱的，為了節(jié)省計(jì)算資源，取模型右半邊進(jìn)行有限元仿真.

圖2 原型油罐車后防護(hù)裝置追尾正碰模型Fig.2 rear-end collision model of rear protection derice for prototype tank truck

由于油罐車后防護(hù)裝置為薄壁金屬管框架結(jié)構(gòu)，在碰撞事故中表現(xiàn)形式為自生變形，因此，接觸類型選擇自動(dòng)單面接觸（ASSC）.油罐車后防護(hù)裝置與移動(dòng)壁障之間相對(duì)滑動(dòng)量較大，接觸類型選擇自動(dòng)面-面接觸.靜摩擦因數(shù)、動(dòng)摩擦因數(shù)和指數(shù)衰減系數(shù)分別設(shè)置[2]為0.2、0.2和0.1.后防護(hù)裝置的連接卡槽設(shè)置為固定約束.最小時(shí)間步長(zhǎng)為

式中，lmin為最小單元邊長(zhǎng)，取20 mm；E為材料彈性模量，取2.06×105MPa；μ為泊松比，取0.3；ρ為密度，取7.85×10-6kg/mm3.

由式（1）計(jì)算出最小時(shí)間步長(zhǎng)為3.72×10-6s，近似取為4.0×10-6s，時(shí)間步長(zhǎng)因子取默認(rèn)值0.9.

經(jīng)過(guò)ANSYS LS-PREPOST后處理得出追尾正碰過(guò)程中原型油罐車后防護(hù)裝置的正碰撞吸能和加速度，分別見圖3和圖4.將優(yōu)化設(shè)計(jì)后的泡沫鋁填充結(jié)構(gòu)后防護(hù)裝置的吸能性曲線也一并繪入其中.

圖3 追尾正碰撞吸能性 Fig.3 energy absorption of the rear-end collision

圖4 追尾正碰加速度 Fig.4 acceleration of rear-end collision

為查看完整的油罐車后防護(hù)裝置變形和應(yīng)力響應(yīng)，將計(jì)算得到的半個(gè)變形響應(yīng)以平面Y－Z對(duì)稱，得追尾正碰25 ms、50 ms、75 ms和100 ms時(shí)刻的變形響應(yīng)和應(yīng)力響應(yīng)，分別見圖5和圖6.

圖5 追尾正碰不同時(shí)刻的變形（單位：mm）Fig.5 deformation of rear-end collision at different moments（unit:mm）

圖6 追尾正碰不同時(shí)刻的應(yīng)力（單位：GPa）Fig.6 stress of rear-end collision at different moments（unit:GPa）

由圖5可見，在整個(gè)碰撞過(guò)程中，支撐件壓縮變形最嚴(yán)重，其多處發(fā)生了褶皺現(xiàn)象，碰撞100 ms時(shí)刻被壓實(shí)，失去了繼續(xù)變形吸能的效應(yīng).橫梁件的彎曲變形最大，特別是與移動(dòng)壁障接觸處發(fā)生了較大的塑性變形.從碰撞開始到碰撞結(jié)束后防護(hù)裝置最大變形為385.38 mm.

圖6（a）原型支撐件焊接點(diǎn)和彎曲1處和圖6（c）的2處出現(xiàn)了應(yīng)力集中，產(chǎn)生了壓潰變形和彎曲變形，部分支撐件已被壓實(shí)，并喪失吸收沖擊能的作用.從碰撞開始到碰撞結(jié)束后防護(hù)裝置最大應(yīng)力為185.49 MPa.

（3）追尾鉆入安全性分析

油罐車后防護(hù)裝置的另一個(gè)重要作用是防止乘用車輛追尾鉆入油罐車底部，造成乘用車內(nèi)人員的傷害.因此，研究新型油罐車后防護(hù)裝置追尾鉆入碰撞安全性十分必要性.

根據(jù)國(guó)家相關(guān)交通法規(guī)[11-12]，在乘用車追尾鉆入碰撞特性仿真時(shí)，設(shè)置移動(dòng)壁障寬為1 700 mm、高400 mm、離地間隙為240 mm、質(zhì)量為（1 100±25）kg、初始速度為32 km/h，其他步驟同追尾正碰仿真分析.最終得到的吸能性和加速度分別見圖7和圖8. 在100 ms時(shí)，變形響應(yīng)和應(yīng)力響應(yīng)云圖見圖9.追尾鉆入事故中原型后防護(hù)裝置的最大變形為365.02 mm，最大應(yīng)力為172.35 MPa.

圖7 追尾鉆入吸能性Fig.7 energy absorption of rear-end collision drilling

圖8 追尾鉆入加速度Fig.8 acceleration of rear-end collision drilling

圖9 追尾鉆入100 ms變形和應(yīng)力Fig.9 deformation and stress of rear-end collision drilling at 100 ms

2 泡沫鋁填充防護(hù)裝置模型

2.1 初步設(shè)計(jì)

為不改變防護(hù)裝置與油罐車的連接關(guān)系，設(shè)計(jì)泡沫鋁填充結(jié)構(gòu)油罐車后防護(hù)裝置外形尺寸與原型一致，只是減小矩形管和方管壁厚t1和t2，并以泡沫鋁填充空心區(qū)域，在保證輕質(zhì)性的前提下實(shí)現(xiàn)提高油罐車后防護(hù)裝置碰撞安全性的目的.

2.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

（1）優(yōu)化數(shù)學(xué)模型

優(yōu)化時(shí)以泡沫鋁填充結(jié)構(gòu)后防護(hù)裝置的尺寸t1和t2為設(shè)計(jì)變量，用矩陣表示為X=[t1，t2]T，以追尾正碰吸能性最大、加速度峰值最小為優(yōu)化目標(biāo)，以質(zhì)量、追尾正碰的最大變形和最大應(yīng)力均小于原型防護(hù)裝置為約束條件，優(yōu)化數(shù)學(xué)模型為

式中，f1(X)、f2(X)分別為泡沫鋁填充結(jié)構(gòu)油罐車后防護(hù)裝置追尾正碰吸能性和加速度峰值；f3(X)為原型后防護(hù)裝置追尾正碰時(shí)的最大變形，mm；f4(X)為最大應(yīng)力，GPa；f5(X)為質(zhì)量，kg.

（2）最優(yōu)方案

利用ANSYS Workbench 軟件，采用篩選法進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，設(shè)定100個(gè)樣本點(diǎn)，并輸出3個(gè)最佳優(yōu)化點(diǎn)，見表1.候選點(diǎn)2的最大吸能與加速度峰值均為最大，因此選取此候選點(diǎn)作為最優(yōu)方案.再考慮標(biāo)準(zhǔn)矩形管與方管的尺寸規(guī)格，最終確定t1為3 mm，t2為4.5 mm.

表1 3個(gè)最佳優(yōu)化點(diǎn)參數(shù)Tab.1 parameters of the three optimal points

3 泡沫鋁填充防護(hù)裝置性能分析

根據(jù)泡沫鋁填充結(jié)構(gòu)和油罐車后防護(hù)裝置結(jié)構(gòu)尺寸，利用Creo軟件建立模型，泡沫鋁的密度取5.4×10-7kg/mm3，最終計(jì)算得出其質(zhì)量為269.23 kg，比原型的280 kg降低3.8%.

在對(duì)泡沫鋁填充結(jié)構(gòu)油罐車后防護(hù)裝置的追尾正碰和追尾鉆入碰撞安全性進(jìn)行仿真分析時(shí)，根據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的泡沫鋁填充結(jié)構(gòu)油罐車后防護(hù)裝置的結(jié)構(gòu)尺寸建立模型，網(wǎng)格劃分、載荷及約束的添加、接觸設(shè)置及時(shí)間步長(zhǎng)控制均與原型防護(hù)裝置分析相同.得出的泡沫鋁填充結(jié)構(gòu)防護(hù)裝置在兩種交通事故中的吸能性分別見圖3和圖7，加速度分別見圖4和圖8.

兩種交通事故的100 ms時(shí)刻的泡沫鋁填充結(jié)構(gòu)防護(hù)裝置變形和應(yīng)力分別見圖10和圖11.

為進(jìn)一步比較兩種后防護(hù)裝置性能的優(yōu)劣，將圖3～圖9分析得出的主要性能參數(shù)列于表2.

表2 兩種防護(hù)裝置的主要性能參數(shù)Tab.2 main performance parameters of the two kinds of protective devices

由表2可見，經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)的泡沫鋁填充結(jié)構(gòu)油罐車后防護(hù)裝置相較于原型，在質(zhì)量降低3.8%的前提下，兩種交通事故中，最大吸能性分別提升了15.90%和22.36%，加速度峰值卻分別降低了18.33%和21.28%，最大變形分別降低了18.07%和16.25%，最大應(yīng)力分別降低了16.04%和10.97%.這表明泡沫鋁填充結(jié)構(gòu)油罐車后防護(hù)裝置有效提高了油罐車的輕質(zhì)性、耐撞性、節(jié)能性、環(huán)保性和安全性.

4 結(jié)論

運(yùn)用多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論優(yōu)化泡沫鋁填充結(jié)構(gòu)的油罐車后防護(hù)裝置，得出如下結(jié)論.

（1）所設(shè)計(jì)后防護(hù)裝置原型質(zhì)量為280 kg，計(jì)算得最小時(shí)間步長(zhǎng)為3.72×10-6s，近似取值4.0×10-6s.從碰撞開始到碰撞結(jié)束后防護(hù)裝置最大應(yīng)力為185.49 MPa，最大變形為385.38 mm；追尾鉆入事故中原型后防護(hù)裝置的最大應(yīng)力為172.35 MPa，最大變形為365.02 mm.

（2）優(yōu)化后泡沫鋁填充結(jié)構(gòu)的防護(hù)裝置，矩形管和方管的壁厚分別為3 mm和4.5 mm，質(zhì)量比原型質(zhì)量降低.在兩種交通事故中，最大吸能性提高，加速度峰值、最大變形和最大應(yīng)力降低.