高速公路后防護裝置碰撞事故分析

高速公路后防護裝置碰撞事故分析

0后下防護架功能據(jù)統(tǒng)計，2009年6月底，中國汽車產(chǎn)量比1765512萬元。其中,汽車69626031輛,掛車1035036輛。同期我國公路通車總里程達357.3萬km,其中高速公路5.36萬km。隨著汽車數(shù)量的增加、性能的提高以及公路質(zhì)量的不斷改善,汽車行駛速度不斷提高,交通事故的發(fā)案數(shù)也不斷攀升。2008年,全國共發(fā)生道路交通事故265204起,造成73484人死亡、304919人受傷,直接財產(chǎn)損失10.1億元。其中追尾事故占到全部交通事故的近40%,人員傷亡更是占到了總傷亡數(shù)的60%。在追尾事故中,乘用車追尾大中型貨車事故所造成的傷亡在所有追尾碰撞事故中所占比例最大。大型載貨汽車的后下部防護裝置能夠有效保護與大型載貨汽車發(fā)生追尾碰撞的乘用車,提高乘用車與載貨汽車的碰撞相容性,防止乘用車發(fā)生鉆入碰撞。歐洲法規(guī)ECER58和美國法規(guī)FMVSS223/224中對大型載貨汽車的后下部防護結(jié)構(gòu)作了詳細的技術(shù)說明和要求,強制要求大型載貨汽車裝備后下部防護裝置。而我國,也早在1994年就頒布了GB11567.2-1994《汽車和掛車側(cè)面及后下部防護裝置要求》,2001年又在原標準基礎(chǔ)上進一步修改完善后頒布施行了GB11567.2-2001,該標準對需要安裝后防護裝置的車型類別、后防護裝置的安裝尺寸、后防護裝置應該達到的技術(shù)要求及試驗方法等方面都作出了明確的規(guī)定。近年來,國外對載貨汽車后防護裝置的研究主要集中在提高乘用車與載貨汽車碰撞相容性方面。Roger等使用Madymo軟件對乘用車與載貨汽車的碰撞進行了仿真。Cerniglia等認為后下部防護架有四種吸能模式,即防護架的塑性變形、部件間的摩擦、液體或氣體的流動、部件的損壞和破裂等。Berg等則通過實車碰撞試驗說明了現(xiàn)有的歐洲法規(guī)ECER58的測試方法不能滿足現(xiàn)實事故中對乘用車內(nèi)乘員的保護。林南君等對后下部防護架進行了靜壓仿真。Atahan等在經(jīng)過大量實車碰撞試驗后得出:美國法規(guī)FMVSS223中后下部防護架離地高度480mm的要求不能阻止乘用車侵入載貨汽車底部。國內(nèi)對于載貨汽車后防護架的研究,主要集中在后防護架剛度、離地高度以及通過移動的壁障碰撞仿真提高原有的后防護結(jié)構(gòu)強度方面,而對于貨車后防護架現(xiàn)狀統(tǒng)計、試驗及碰撞相容性方面的研究相對較少。本文的研究表明,影響后下部防護架碰撞相容性的因素主要是后下部防護架結(jié)構(gòu)和后下部防護架離地高度。1采用聯(lián)合碰撞事故分析1.1車載汽車讓車運行事故為了解目前道路上貨車后防護架存在的安全問題,本項目組與湖南省交警總隊合作,對2008年1～7月發(fā)生在京珠高速公路湖南段和長常高速公路的29起乘用車與載貨汽車追尾碰撞事故進行了調(diào)查,事故數(shù)據(jù)統(tǒng)計表如表1所示。29起事故共造成23人死亡,全部為乘用車乘員;9人重傷,其中7人為乘用車乘員,占總數(shù)77.8%;28人輕傷,乘用車乘員18人,占總數(shù)64.3%。對追尾碰撞案例車輛破壞情況分析發(fā)現(xiàn),由于貨車車架剛度遠大于乘用車的剛度,且離地高度較大,在事故中乘用車前部及乘員艙往往會發(fā)生嚴重變形,甚至前半部分車身鉆入貨車的底部,從而造成乘用車乘員的嚴重傷亡。1.2車輛安裝方案為了解現(xiàn)有后防護架結(jié)構(gòu)與安裝的具體情況,項目組與湖南省交警高速公路支隊合作,在京珠高速公路羊樓司收費站對道路行駛的載貨汽車后防護架進行了現(xiàn)場測量和數(shù)據(jù)統(tǒng)計。本次調(diào)查共統(tǒng)計車輛94輛,均屬于GB11567.2-2001中規(guī)定需要安裝后下部防護裝置的車輛。其中安裝后下部保護裝置的車輛76輛,占80.8%,未安裝的車輛18輛,占19.2%。根據(jù)現(xiàn)場測量分析,統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。表2表明:高速公路行駛貨車(含掛車)后防護裝置離地高度符合法規(guī)要求(空載,不大于550mm)的為27輛,占總數(shù)的28.7%;后下部防護裝置橫向構(gòu)件截面寬度大于等于法規(guī)規(guī)定值100mm的60輛,占63.8%;后下部防護裝置最外緣與后軸車輪最外端距離不大于100mm,且不超出車輪寬度的貨車僅為23輛,占總數(shù)的24.5%;此外后防護架發(fā)生嚴重變形、破損的為5輛,占總數(shù)的5.3%。上述貨車后防護裝置道路測量統(tǒng)計結(jié)果表明,目前約三分之二的貨車后防護裝置離地高度不滿足要求,約有四分之一的貨車的后防護裝置未安裝或者嚴重破損、變形,同時后防護裝置到輪邊的距離約有四分之三不符合要求,完全滿足法規(guī)要求的不到四分之一。2結(jié)構(gòu)以鋼為原料結(jié)構(gòu)的布置根據(jù)對京珠高速公路上94輛貨車的統(tǒng)計結(jié)果,目前,我國貨車后下部防護架主要有三種結(jié)構(gòu),如圖1所示:槽鋼結(jié)構(gòu)(約占49%),矩形鋼管結(jié)構(gòu)(約占24%),鋼板折彎結(jié)構(gòu)(約占27%),它們均以焊接方式與貨車縱梁后端相連接。為了對目前廣泛采用的三種典型貨車后防護裝置的吸能特性和防止鉆入碰撞性能進行檢驗,項目組進行了三組實車碰撞試驗測試。2.1試驗用車及設備切割10t的載貨汽車得到完整的后車架(保留后橋、后車輪、后懸架等),車架與剛性碰撞壁用螺栓固定在一起,并把需要檢驗的后防護裝置焊接在車架縱梁上;試驗用乘用車為擁有最大市場占有率的捷達轎車。碰撞方式為平行中心線100%追尾碰撞。在碰撞區(qū)域的左、右、上三個方位安裝高速攝像機,以1000幀/s的速度記錄碰撞變形過程,并在乘用車左右兩側(cè)B柱下端平行中心線方向安裝加速度傳感器,測量碰撞過程的加速度變化。碰撞試驗前,對三組需要進行試驗的后防護架結(jié)構(gòu),按照GB11567.2-2001要求進行了靜態(tài)加載試驗,其靜態(tài)強度變形量均滿足法規(guī)要求。2.2鋼板折彎結(jié)構(gòu)防護架試驗與分析三組追尾碰撞試驗碰撞參數(shù)如表3所示。三組試驗碰撞后乘用車與防護架的變形如圖2～圖4所示。對比三組試驗可知,槽鋼剛度較大,防護架的變形最小,但乘用車前部及乘員艙變形最為嚴重;矩形鋼管結(jié)構(gòu)后防護架離地高度最大,碰撞中乘用車鉆入量最大,同時,由于其離地高度較大,使得該結(jié)構(gòu)最佳剛度值相對較小,碰撞過程中由防護架所吸收的能量較少,乘員艙同樣發(fā)生了較為嚴重的塑性變形;鋼板折彎結(jié)構(gòu)后防護架在碰撞試驗中變形最大,但乘用車前部變形量與前兩次試驗相比較并未明顯降低,說明該結(jié)構(gòu)整體剛度較小,其緩沖吸能能力并不理想。試驗結(jié)果也驗證了最大限度地降低后防護架離地高度,對于獲得較好的碰撞相容性有利。對上述三組試驗所得加速度曲線進行比較分析,結(jié)果如表4所示。對比三種結(jié)構(gòu),矩形鋼管結(jié)構(gòu)防護架加速度峰值最小,碰撞吸能時間最長。因此,使用矩形鋼管作為防護架的主要吸能部件能夠有效地降低碰撞加速度峰值,同時能夠吸收較多的碰撞能量。同時,三組試驗加速度峰值均小于GB11567.2-2001中40g的要求。同時上述試驗結(jié)果也表明,滿足法規(guī)靜態(tài)加載試驗及碰撞加速度峰值要求的三組后下部防護裝置,在40km/h車速追尾碰撞過程中,基本能夠防止乘用車鉆入貨車底部,但是由于乘用車整體結(jié)構(gòu)的強度過大,不能較好吸收碰撞能量,導致乘用車前部及乘員艙發(fā)生嚴重變形。3用車階次碰撞情況由于乘用車和載貨汽車在質(zhì)量、剛度和結(jié)構(gòu)方面有巨大差異,碰撞不相容性的問題尤為突出。研究表明碰撞相容性主要與三個影響因素相關(guān),即質(zhì)量、結(jié)構(gòu)剛度和車身幾何外形。乘用車追尾碰撞載貨汽車時,假設乘用車與載貨汽車之間發(fā)生完全非彈性碰撞,二者碰撞后無反彈,且碰撞后一起運動,具有相同的速度,則貨車后防護架受到的平均力為F=m1m2v2C2(m1+m2)sF=m1m2vC22(m1+m2)s(1)碰撞過程中乘用車平均減速度為a=m2v2C2(m1+m2)sa=m2vC22(m1+m2)s(2)碰撞過程持續(xù)的時間為t=2svCt=2svC(3)vC=v1+v2式中,m1為乘用車質(zhì)量,kg;m2為載貨汽車質(zhì)量,kg;v1為乘用車初始碰撞速度,m/s;v2為載貨汽車初始碰撞速度,m/s;s為整體變形量,m;t為碰撞時間,s。上述三組方程表明如果希望降低乘用車車身平均減速度(即乘用車受到?jīng)_擊力),可以通過增大乘用車質(zhì)量或者增大整體變形量來實現(xiàn),由于乘用車和貨車的質(zhì)量一定,因此只有通過增大變形量也就是增加碰撞時間來提高碰撞相容性。3.1種防護結(jié)構(gòu)的吸能特性為了對比三組后防護架在相同沖擊載荷下的吸能及變形情況,建立了剛性可移動壁障(movingbarrier,MB)模型,如圖5所示。利用剛性MB垂直沖擊帶有后防護架的后車架模型。加載在MB上的速度和質(zhì)量分別為40km/h和1100kg,總的碰撞能量為68130J。三種結(jié)構(gòu)的吸能特性比較如表5所示。仿真結(jié)果表明:槽鋼結(jié)構(gòu)和鋼板折彎結(jié)構(gòu)防護架的主要吸能部件為后端橫梁,橫梁發(fā)生明顯變形,吸收部分碰撞能量,而矩形鋼管結(jié)構(gòu)后防護架由于橫梁尺寸、剛度設計不合理,在碰撞中并未發(fā)生較大的塑性變形,吸收能量較少。三組試驗中對懸臂梁的仿真對比結(jié)果顯示:矩形鋼管結(jié)構(gòu)的懸臂梁在碰撞中發(fā)生明顯變形,吸收了較多能量,比其他兩組試驗中懸臂梁吸收的能量提高了34.6%和73.1%。矩形鋼管結(jié)構(gòu)中的斜支撐梁未發(fā)生較大變形,起到了較好的防止鉆入的作用。由于矩形鋼管結(jié)構(gòu)后端橫梁剛度較大,吸收的總能量最少(碰撞總能量的25%),導致碰撞后乘用車變形、反彈較大。上述仿真結(jié)果說明,相對于槽鋼和折彎鋼板結(jié)構(gòu),矩形鋼管結(jié)構(gòu)較為理想,在碰撞中能夠較好地吸收能量,如果能夠?qū)ζ洳煌瑯?gòu)件的結(jié)構(gòu)、尺寸、剛度進行優(yōu)化設計,能夠達到較好的緩沖吸能的效果和防止乘用車鉆入的目的。3.2防護架仿真及試驗結(jié)果分析為了進一步分析后防護架性能,為開發(fā)新型后防護架提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),本文應用HyperMesh軟件建立了乘用車-貨車追尾碰撞有限元模型,該模型包括乘用車模型和載貨汽車后車架模型,如圖6所示。該貨車后車架模型包括后驅(qū)動橋、輪胎及后端縱梁。乘用車模型參數(shù)是按照試驗中的實車模型建立的,根據(jù)材料拉伸試驗數(shù)據(jù)保證了該乘用車模型的前部剛度與實車前部剛度相一致。為了進一步分析后防護架的性能,對目前貨車采用最為廣泛的槽鋼型后防護架結(jié)構(gòu)進行有限元仿真分析,把建立的乘用車追尾碰撞貨車后車架的模型導入LS-DYNA軟件中進行動態(tài)仿真計算。仿真結(jié)果與槽鋼結(jié)構(gòu)防護架及乘用車的變形與追尾碰撞試驗結(jié)果基本一致,防護架并未出現(xiàn)較大的彎曲變形。乘用車變形較大,試驗乘用車前部變形量為322mm,仿真乘用車前部變形量為318mm。圖7為仿真加速度曲線與試驗加速度曲線對比圖,兩者加速度變化趨勢和加速度峰值基本一致,從而驗證了模型的有效性和精確性。由于我國高速公路的快速發(fā)展,乘用車追尾貨車的碰撞速度50%以上高于50km/h。為了研究后防護架在高速碰撞條件下的防護性能,本文進行了40～70km/h碰撞初速度的仿真計算,防護架離地高度為480mm,結(jié)果如表6所示。表6中乘用車前部變形量的定義為車輛前保險杠前端到車輛B柱下端縱向水平距離;鉆入量的定義為乘用車追尾貨車發(fā)生鉆入碰撞時,乘用車最前端到貨車最后端縱向水平距離。40km/h和50km/h的仿真均表明鉆入量滿足GB11567.2-2001中規(guī)定的400mm的要求。但是,仿真和試驗也表明乘用車前部變形量較大,同時防護架的變形較小,也就是說在乘用車追尾貨車時大量的碰撞能量由乘用車所吸收,致使易于造成乘用車乘員傷亡。60km/h以上初速度碰撞乘用車變形量和鉆入量大于400mm,導致乘用車A柱發(fā)生嚴重變形撕裂,防護架失效。為了研究不同離地高度對防護效果的影響,本文對50km/h碰撞初速度下420～540mm不同離地高度的后防護架進行了碰撞仿真,仿真結(jié)果如表7所示。仿真結(jié)果表明,當防護架離地高度較大(不小于540mm)時,防護架不能起到防護作用,乘用車的鉆入量較大,即發(fā)生乘用車鉆入貨車下部的鉆入碰撞;隨著防護架離地高度的降低,乘用車前部變形量增大,鉆入量減小,但是當離地高度小于440mm時,由于防護架在碰撞中受到彎矩較大,致使其相對剛度減小,乘用車前部變形量和鉆入量有相反的變化趨勢。仿真表明,防護架離地高度460～480mm范圍內(nèi)具有最佳的防護效果,即乘用車變形量不太大,鉆入量也控制得較好。4u3000車輛后防護裝置要求(1)由于大多數(shù)大型貨車的車架及后下部防護裝置剛度較大,與乘用車碰撞相容性較差,在高速公路追尾事故中,乘用車吸收了大部分碰撞能量,導致乘員艙嚴重變形,從而造成乘用車乘員死亡和重傷的比例較大,統(tǒng)計數(shù)據(jù)分別為100%和77.8%。(2)貨車后防護裝置道路統(tǒng)計表明,目前道路行駛的貨車約三分之二的后防護裝置離地高度不滿足要求,約有20%的車輛未安裝后防護裝置,同時約三分之二的車輛后防護裝置橫向構(gòu)件由剛度較大的槽鋼焊接而成,后防護裝置到輪邊的距離約有一半不符合要求,完全滿足GB11567.2-2001法規(guī)要求的不到四分之一。(3)滿足GB11567.2-2001中靜態(tài)加載試驗要求及碰撞加速度峰值要求的三種典型后防護架結(jié)構(gòu)的實車碰撞試驗及仿真分析表明,在較高速度碰撞過程中,現(xiàn)有的后下部防護架結(jié)構(gòu)不能起到有效緩沖吸能作用,大量的碰撞能量由乘用車塑形變形吸收,進而證明有必要對GB11567.2-2001中靜態(tài)加載及碰撞試驗測試要求的部分內(nèi)容進行相應的研究并修訂。(4)后防護裝置離地高度直接決定了能否起到阻止乘用車發(fā)生鉆入貨車下部的作用。