摘 要

随着我国汽车工业蓬勃发展和公路建设水平的进步，汽车逐渐走进千家万户，而不标准的道路和混道行驶的情况非常严重，这使得交通事故屡见不鲜。在交通伤亡事故中，轿车追尾货车的事故通常极其严重而且有着极高的伤亡率，往往车毁人亡。一般情况下，货车车架和轿车前排乘员头部高度基本相同，都在一米左右。当轿车追尾货车时，如果货车没有安装后下部防钻撞结构，或者安装的防护装置失效，轿车则会钻入货车的大梁下，侵入货车底部，货车车架将会破坏前挡风玻璃、车顶以及A柱等非吸能部件迎面撞到前排乘员头部，造成严重后果。因此，研究和分析货车后下部防钻撞结构的变形吸能特性，在一定程度上，对货车的被动安全和改善道路交通安全有着相当重要的意义。

本文旨在研究普通的后下部防钻撞结构的变形吸能特性，对其在追尾碰撞中的阻挡能力和缓冲吸能特性进行研究。

本文依据GB11567-2017规定的技术要求，并以东风某款车型作为参照，确定了碰撞仿真试验货车后下部防钻撞装置的基本结构和相关尺寸，然后利用CATIA软件对碰撞系统建立了稍作简化的三维几何模型，再将三维几何模型导入HyperMesh前处理软件中建立有限元模型。在LS-DYNA求解器对后下部防钻撞结构的碰撞系统的有限元仿真模型进行计算求解。依据法规要求进行碰撞仿真试验中，得到货车后下部防钻撞结构在碰撞过程中的位移、速度以及加速度等动力响应特性，并进行分析发现普通的货车后下部防钻撞结构的缓冲吸能特性有待提高。

由于实际中的交通情况复杂，追尾交通事故可能不是低速正面碰撞。本文还对货车后下部防钻撞结构在不同的工况下进行了碰撞仿真试验，建立有50%偏置碰撞和50km/h碰撞的有限元碰撞仿真试验，对其仿真结果进行分析。接着探究不同壁厚对后下部防钻撞结构对防护性能的影响，发现防护支架壁厚的提升会提高防护装置的阻挡能力，但会降低缓冲吸能特性，所以防护支架壁厚的选择对提高防护装置的防护能力尤为重要。本文的研究结果对改进乘用车和货车之间的碰撞相容性有着一定的参考价值和工程实用意义。

关键词：货车被动安全；后下部防钻撞结构；有限元仿真分析法；钻入碰撞

Abstract

With the rapid development of Chinese automobile industry and the progress of road construction, cars have gradually entered thousands of households, and the situation of non-standard roads and mixed roads is very serious, which makes traffic accidents not uncommon. In traffic accidents, the accidents of car-tailed trucks are often extremely serious and have a high rate of casualties, often resulting in car crashes. Under normal circumstances, the height of the head of the lorry and the front passengers of the car are basically the same, both are about one meter. When the car is chasing the truck, if the truck is not equipped with the rear anti-drilling structure, or the installed protective device fails, the car will be drilled under the girders of the truck and invade the bottom of the truck. The truck frame will destroy the front windshield and the car. Non-suction components such as the top and the A-pillar hit the front passenger's head in the face, causing serious consequences. Therefore, researching and analyzing the deformation energy absorption characteristics of the rear underrun protective device (RUPD) of the truck has a certain significance to the passive safety of the truck and the improvement of road traffic safety.

The purpose of this paper is to study the deformation energy absorption characteristics of the common RUPD, and to study its blocking ability and buffer energy absorption characteristics in the rear-end collision.

According to the technical requirements stipulated in GB11567-2017, and taking a certain model of Dongfeng as a reference, the basic structure and related dimensions of the RUPD of the collision simulation test truck are determined, and then the CATIA software is used to simplify the collision system. The 3D geometric model is then imported into the HyperMesh pre-processing software to create a finite element model. The LS-DYNA solver solves the finite element simulation model of the collision system of the RUPD. According to the requirements of the regulations, the impact response characteristics of the RUPD of the truck during the collision process are obtained, the RUPD of the truck have room to provement.

Due to the complexity of the actual traffic situation, the rear-end traffic accident may not be a low-speed frontal collision. In this paper, the collision simulation test of the RUPD of the truck is carried out under different working conditions. The finite element collision simulation test with 50% offset collision and 50km/h collision is established, and the simulation results are analyzed. Then, the influence of different wall thickness on the protective performance of the RUPD is explored. It is found that the increase of the wall thickness of the protective bracket will increase the blocking capacity of the guard, but will reduce the buffer energy absorption characteristics, so the selection of the wall thickness of the protective bracket will be improved. The protective ability of the guard is particularly important. The research results of this paper have certain reference value and engineering practical significance for improving the collision compatibility between passenger cars and trucks.

key words:Vehicles Passive Safety;RUPD;Finite Element Analysis;Underrun Collision

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究的背景和意义 1

1.2 后下部防护装置的相关法规 2

1.3 后下部防护装置试验方法的发展 4

1.4 汽车碰撞相容性研究 6

1.5 国内外的发展现状 7

1.6 课题研究目的和内容 9

第2章 汽车虚拟碰撞仿真理论基础 11

2.1 有限元仿真分析方法简介 11

2.2显式有限元分析法的基本理论 12

2.2.1物体运动方程 12

2.2.2有限元控制方程 12

2.2.3中心差分法 14

2.3薄壳理论 15

2.4弹塑性材料的应力-应变关系 20

2.5接触算法 22

2.6 沙漏控制 23

2.7 本章小结 24

第3章 建立后下部防钻撞结构的有限元模型 25

3.1后下部防钻撞结构追尾碰撞试验介绍 26

3.1.1外形尺寸要求 26

3.1.2试验方法规定 26

3.2几何模型的建立 27

3.3建立有限元模型 29

3.3.1选取和建立单元 29

3.3.2防钻撞结构的材料和属性设置 31

3.4本章小结 33

第4章 货车后下部防钻撞结构的碰撞仿真及分析 34

4.1 载荷和约束参数的设置 34

4.2试验评价指标 36

4.3后下部防钻撞结构碰撞分析 36

4.4不同工况下的碰撞仿真分析 44

4.4.1碰撞速度为50km/h的碰撞仿真分析 45

4.4.2正面50%重叠率的碰撞仿真分析 47

4.5防钻撞结构的性能和防护竖支架壁厚的关系 49

4.6本章小结 52

总结与展望 53

第1章 绪论

1.1课题研究的背景和意义

随着我国汽车工业水平的不断提高和人们生活质量的不断进步，我国汽车的使用也逐渐走进了千家万户，但是我国的各个地方的经济状况不同，公路发展水平也参差不齐，不标准的道路和混道行驶的情况非常多，车辆间的动力性也存在差异从而导致交通事故的发生也日益增多。据公安部交管局的统计数据显示：2016年全国共发生交通事故406万起，造成的死亡人数达6.7万、受伤人数有56.3万人，直接经济损失达11.7亿元^[1]。如图1.1所示，在交通伤害事故中占有较大比重的就是车辆追尾事故，超过了正面碰撞和侧面碰撞之和，占全年交通事故总数的53.5%。轿车追尾货车的交通事故往往会出现车毁人亡的现象，所以在所有的交通事故类型当中有着最高的伤亡率。造成这一现象的主要原因是乘用车与货车刚度、速度和总质量等差距较大，所以乘用车和货车之间的碰撞相容性问题非常突出。对于没有安装后下部防钻撞结构或者后下部防钻撞结构失效的货车，一旦被轿车追尾，轿车将会冲入货车底部，轿车的前保险杠的缓冲吸能功能不能有效利用，而且货车尾部会撞碎乘用车前挡风玻璃和A柱等非吸能结构，入侵乘用车驾驶室，直接撞击前排成员的头部，威胁车内乘员的生命安全。

图1.1 2016年全国交通事故分类图

当今社会，人们对于汽车碰撞安全问题日益关心，对汽车的抗撞性能以及有效的安全防护装置的要求越来越高。货车后下部防钻撞结构在追尾碰撞过程中起着缓冲吸能的作用，吸收掉了追尾轿车大部分的动能，能在轿车低速行驶状态下追尾重型货车时，改善车辆之间的碰撞相容性，有效防止轿车钻入货车底部，从而降低碰撞损失程度，保护轿车内前排人员的生命安全。根据George Rechnitzer等人的调查研究发现：在轿车追尾货车的交通事故中，具有有效保护作用的货车后下部防钻撞结构可以大幅度的减轻事故后果，使轿车内乘员的死亡率由13%减少至3%^[2]。2008年白中浩等人在高速公路上调查货车后下部防钻撞装置的结构，统计结果显示我国货车后下部防钻撞结构主要有三种：槽钢结构最多，占了49%；钢板折弯结构其次，占了27%^[3]；矩形钢管结构最少，约占24%。上述的三种后下部防钻撞结构都是固定的刚性结构，缓冲吸能特性较差，而且防护装置的高度无法调节，货车防护性能和通过性难以同时兼顾。

图1.2 钻入碰撞事故

在满足国家法规的要求的前提下，后下部防钻撞结构有足够的阻挡能力时，其刚度不能太大，否则追尾碰撞会对追尾轿车造成巨大的冲击，对车内乘员的生命安全造成威胁。所以后下部防钻撞结构应该具备良好的缓冲、吸能特性，将碰撞过程中乘用车的动能尽可能的转化为后下部防钻撞装置的变形能。加强后下部防护装置的缓冲吸能特性，可以降低追尾碰撞碰撞中的减速度，保护追尾轿车及其车内乘员的人身安全。因此，研究货车后下部防钻撞装置的碰撞吸能特性，将轿车追尾货车事故对轿车乘员的伤害降至最低程度，对我国汽车碰撞安全设计和道路交通安全有着重要的意义。

1.2后下部防护装置的相关法规

为了有序的维护道路交通安全，欧美作为汽车工业强国，率先制定了交通安全的相关法规和标准。总的来说，目前的交通安全法规主要有欧美日制定的三大体系，即欧洲法规体系、美国法规体系以及日本法规体系三大体系。这三大体系根据本国和地区不同的道路交通安全环境，在车辆被动安全方面都提出了非常详细的技术规范。

表3.1 各国法规要求对比

欧美日等汽车工业强国很早就意识到了货车后下部防钻撞结构的重要性，对后下部防钻撞结构和汽车碰撞相容性的研究起步较早也发展的相对全面。美国在上世纪80年代就颁布并实行了相关法规FMVSS224《后碰撞保护》，欧洲也在1983年颁布并实施了货车后下部碰撞防护的相关法规ECE R58，日本也在保安基准法中明确规定了后下部防护装置的安全碰撞试验条件。日本的法规在货车后下部防钻撞结构设计方面作了较为详细的规定；美国的法规相对于其他的国家和地区对货车后下部防钻撞结构做出了较高的强度要求；欧洲的法规比较倾向于主动安全方面，相对来说法规的技术要求适中。

在上个世纪，和汽车工业发达的欧美国家相比，中国的车辆碰撞安全法规的体系还没有形成。同时，我国道路交通条件比较复杂，车辆混道行驶的交通情况比较普遍，而且轿车追尾重型货车的交通事故中人员伤亡率高，也急需一部全面完善的交通安全法规来维持交通秩序。我国最早颁布的GB11567.2-1994《汽车和挂车侧面及后下部防护装置要求》大多是按照欧洲汽车安全法规（ECE和EEC）制定的。后来结合国内的道路交通情况，对其进行过几次修订完善，现行的法规是于2018年1月1日正式实施的GB11567-2017《汽车及挂车侧面和后下部防护要求》。

上表是GB11567-2017《汽车及挂车侧面和后下部防护要求》对于后下部防护装置部分的内容要求和欧洲ECE R58、美国FMVSS 223/224的对比^[4]。

1.3 后下部防护装置试验方法的发展

后下部防钻撞结构的防护性能试验方法有很多，其中最常见的试验方法是碰撞实验法、试验台试验法以及模型仿真分析法^[5]。以下是对上述的三种试验方法的简单介绍。

1.3.1 实车追尾碰撞试验

在汽车碰撞安全研究初期，汽车碰撞研究主要是在过去的经验的指导下进行实车碰撞试验，通过碰撞试验取得的数据对汽车进行设计和改进，以满足公众的需求和相关法规的规定^[6]。如图1.3所示，它可以比较准确模拟汽车追尾事故的情况，但该方法对汽车安全性的检测准确率和改进能力取决于检测装置的准确性以及实验手段的先进性。在实车碰撞试验中涉及的零件越多、受力情况越复杂，这就需要更加精密的测量仪器，否则测量所得的结果会存在比较大的误差。这也使得实车碰撞试验存在试验周期较长，试验所需经费庞大。而且不管是移动壁障实体碰撞亦或是整车实体碰撞，都有着较高的试验成本和和复杂的操作。

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