秦海力，段傲文，楊袖菊，鄭曉旭，尹志勇

(1.重慶理工大學(xué) a.車(chē)輛工程學(xué)院; b.藥學(xué)與生物工程學(xué)院， 重慶 400054；2.第三軍醫(yī)大學(xué) 大坪醫(yī)院 交通醫(yī)學(xué)研究所， 重慶 400042)

隨著我國(guó)高速公路網(wǎng)建設(shè)的加快與完善，公路運(yùn)輸行業(yè)也迎來(lái)了重大變革與發(fā)展，貨車(chē)已經(jīng)從單一載運(yùn)貨物向物流服務(wù)運(yùn)輸方向發(fā)展，因此貨車(chē)車(chē)身的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)也緊隨時(shí)代發(fā)生了變化。

目前，越來(lái)越多的車(chē)輛為方便使用進(jìn)行改裝，使其車(chē)輛相容性發(fā)生變化，對(duì)其他車(chē)輛及其車(chē)內(nèi)人員也會(huì)造成影響，發(fā)生事故后會(huì)直接或間接導(dǎo)致人員傷亡，因此改裝車(chē)的行駛安全性值得關(guān)注?！兜缆方煌ò踩ā返谑鶙l中明確規(guī)定：任何單位或者個(gè)人不得拼裝機(jī)動(dòng)車(chē)或者擅自改變機(jī)動(dòng)車(chē)已登記的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造或者特征，但是仍有許多人為方便使用而私自改裝車(chē)輛[1]。目前改裝車(chē)輛形式多樣，而事故產(chǎn)生的后果也多種多樣。許多貨車(chē)司機(jī)將貨廂拆除以擴(kuò)大載貨面積，但拆除后導(dǎo)致的直接影響會(huì)是怎樣，對(duì)其相容性會(huì)造成怎樣的改變，會(huì)對(duì)其他車(chē)輛造成何種安全隱患還不得而知。因此，在考慮自身利益的同時(shí)應(yīng)該兼顧一旦發(fā)生事故后會(huì)對(duì)其他車(chē)輛造成的安全隱患問(wèn)題。本文主要研究改裝車(chē)輛對(duì)交通事故的影響。

1 汽車(chē)相容性

1.1 相容性概念

車(chē)輛的相容性除包括車(chē)輛自身的防撞性、車(chē)內(nèi)乘員安全性之外，還包括對(duì)對(duì)方車(chē)輛的攻擊性和對(duì)對(duì)方車(chē)輛乘員的傷害性。在碰撞時(shí)，車(chē)內(nèi)乘員和財(cái)產(chǎn)的損失越小就表明相容性越好[2]。而隨著碰撞法規(guī)的日益完善和對(duì)汽車(chē)安全性的日益關(guān)注，汽車(chē)碰撞安全性也越來(lái)越受到人們的關(guān)注。因此，在事故中不僅僅要關(guān)注自身的安全，還要關(guān)注對(duì)對(duì)方車(chē)輛及車(chē)內(nèi)人員安全性的影響。當(dāng)相容性足夠好時(shí)，事故中雙方所受到的影響將會(huì)更小。

1.2 影響相容性的因素

影響相容性的因素通常包含以下幾個(gè)方面：① 質(zhì)量相容性；② 結(jié)構(gòu)剛度相容性；③ 車(chē)身幾何外形相容性。通常在相同的條件下，不同質(zhì)量的車(chē)輛間發(fā)生碰撞后的結(jié)果是不同的，質(zhì)量較輕的車(chē)輛損壞會(huì)更嚴(yán)重，車(chē)內(nèi)乘員的危險(xiǎn)性更大。除質(zhì)量相容性外，兩車(chē)的結(jié)構(gòu)剛度和幾何外形都會(huì)影響事故的損害情況。如車(chē)架高度、保險(xiǎn)杠剛度的不同就會(huì)使碰撞后兩車(chē)產(chǎn)生的變形不同，其造成的傷害影響也會(huì)不同[3]。

2 計(jì)算機(jī)仿真模擬方法

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，利用計(jì)算機(jī)軟件來(lái)進(jìn)行的車(chē)輛碰撞模擬仿真已經(jīng)變成一種趨勢(shì)[4-5]。計(jì)算機(jī)仿真軟件主要分為兩大類(lèi)：有限元分析軟件和剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)軟件。有限元法是在相關(guān)理論發(fā)展以及計(jì)算機(jī)技術(shù)越發(fā)成熟的情況下產(chǎn)生的一種較先進(jìn)的工程分析方法，已廣泛應(yīng)用于各種工程分析領(lǐng)域。有限元軟件主要包括LS-DYNA、Hyperworks等。利用有限元計(jì)算方法既可以簡(jiǎn)化計(jì)算，又能得到有效的結(jié)果。有限元法的基本思想是把連續(xù)的幾何體離散化為有限個(gè)單元，相鄰單元之間通過(guò)節(jié)點(diǎn)連接組合成一組有限單元的幾何體，并通過(guò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行力的傳遞，也就是將具有無(wú)限個(gè)自由度的連續(xù)的求解區(qū)域離散為具有有限個(gè)自由度、且按一定方式(節(jié)點(diǎn))相互連接在一起的離散體(單元)，從而將無(wú)限自由度問(wèn)題離散為有限自由度問(wèn)題，以得到近似解[6-7]。

本文選用了當(dāng)前在實(shí)際運(yùn)用中比較常用的仿真軟件LS-DYNA作為模擬仿真的求解器，為前、后處理選用的是由Altair公司研發(fā)的與多種CAD和CAE軟件有良好的接口、并具有高效的網(wǎng)格劃分功能的Hyperworks軟件。

LS-DYNA是一種功能齊全的動(dòng)態(tài)非線性分析軟件。該軟件主要以Lagrange算法為主，兼有ALE和Euler算法的功能；以結(jié)構(gòu)分析為主，兼有熱分析、流體-結(jié)構(gòu)耦合功能；以顯式求解為主，兼有隱式求解功能；以非線性動(dòng)力分析為主，兼有動(dòng)力分析功能。LS-DYNA中有上百種金屬和非金屬材料模型可供選擇，同時(shí)也包含50多種接觸分析方式供選擇[8-9]。目前，LS-DYNA也是在各個(gè)領(lǐng)域運(yùn)用較為廣泛的求解器之一。

Hyperworks是功能極為強(qiáng)大的CAE應(yīng)用軟件包，它集成了設(shè)計(jì)與分析所需的各種工具。該軟件包含了3個(gè)軟件模塊：HyperMesh、HyperView、HyperGraph。HyperMesh是一個(gè)高效的有限元前、后處理器，能建立各種復(fù)雜的有限元模型，同時(shí)具有高效的網(wǎng)格劃分功能，與多種CAD和CAE軟件有良好接口。HyperView是一個(gè)可進(jìn)行后處理的可視化用戶(hù)環(huán)境，用于數(shù)據(jù)處理、仿真動(dòng)畫(huà)處理等。HyperGraph是一個(gè)擁有強(qiáng)大數(shù)據(jù)分析和繪圖工能的軟件，可與多種文件格式對(duì)接[10]。

圖1 空間物體變形簡(jiǎn)化模型圖

汽車(chē)碰撞過(guò)程是在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生較大位移和變形的過(guò)程，過(guò)程中將會(huì)出現(xiàn)復(fù)雜的材料特性非線性變化，其中還包含以大位移、大轉(zhuǎn)角、接觸面滑動(dòng)為特征的非線性問(wèn)題，將這些問(wèn)題整合到一起將使汽車(chē)碰撞的仿真求解問(wèn)題變得更為復(fù)雜，而這就需要選擇合適的方法。非線性有限元問(wèn)題的求解方法有兩種：隱式積分法和顯式積分法，其中顯式積分法主要使用顯式中心差分法。

2.1 基本力學(xué)模型

在本起事故案例中，車(chē)輛的碰撞過(guò)程發(fā)生了位移與變形，但必須遵守相關(guān)力學(xué)定律[11]。

如圖1所示，在笛卡兒坐標(biāo)系中，當(dāng)物體任意一個(gè)質(zhì)點(diǎn)x1運(yùn)動(dòng)到另外一個(gè)質(zhì)點(diǎn)x2時(shí)，這個(gè)過(guò)程經(jīng)過(guò)了時(shí)間t，可根據(jù)Lagrange方程得到其簡(jiǎn)化模型：

Xi=Xi(Xα,t)，i=1,2,3

(1)

當(dāng)初始時(shí)刻t=0時(shí)有：

Xi(Xα,0)=Xα

(2)

(3)

式(2)(3)中Vα為初始時(shí)刻速度。

根據(jù)能量守恒方程，

E=Vsijεij-(P+q)V

(4)

式中：E為當(dāng)前構(gòu)型能量；εij為應(yīng)變率張量；sij和P分別表示應(yīng)力偏量和壓力；q為體積黏度；V為當(dāng)前構(gòu)型的體積。

根據(jù)動(dòng)量守恒定律，

(5)

根據(jù)質(zhì)量守恒定律，

ρ=ρ0J

(6)

式中：ρ為變形后的質(zhì)量密度；ρ0為變形前質(zhì)量密度；J為質(zhì)量變化系數(shù)。

2.2 顯式中心差分法

在顯式積分方法中，通常采用顯式中心差分法以提高計(jì)算效率[12]。在顯式中心差分法中，用速度和加速度來(lái)描述其最大侵入量，

(7)

(8)

在考慮結(jié)構(gòu)阻力時(shí)建立動(dòng)力結(jié)構(gòu)2階常微分方程：

(9)

式中M、C、K為有效質(zhì)量矩陣。

最后將式(7)(8)代入式(9)可得：

(10)

通常，在已知Xt和Xt-Δt的情況下，可根據(jù)式(10)求出Xt+Δt，進(jìn)而可以求出各個(gè)離散時(shí)間點(diǎn)的解。

顯式中心差分法雖然具有一定的穩(wěn)定性，但這個(gè)穩(wěn)定性通常需要設(shè)置合理的時(shí)間步長(zhǎng)。時(shí)間步長(zhǎng)Δt應(yīng)滿(mǎn)足以下條件：

Δt≤2/wmax

(11)

式中wmax為網(wǎng)格單元中最大固有頻率，而w可以表示為

w=4C2/I2

(12)

式中：C為傳播速度；I為單元的長(zhǎng)度。

3 案例分析

3.1 案情介紹

2016年8月31日，徐某駕駛渝G*****號(hào)貨車(chē)行駛至石柱縣云塘鎮(zhèn)附近，因雨天路滑操作不當(dāng)，與渝H*****號(hào)小型越野車(chē)發(fā)生碰撞，造成兩車(chē)受損、渝H*****號(hào)小型越野車(chē)車(chē)上4人受傷的交通事故。

根據(jù)越野車(chē)勘查照片可知：越野車(chē)車(chē)體黑色；左側(cè)車(chē)身受損嚴(yán)重，其中A柱折斷，B柱變形嚴(yán)重；擋風(fēng)玻璃破損；左前側(cè)車(chē)門(mén)變形。事故發(fā)生后越野車(chē)車(chē)體照片如圖2所示。

圖2 事故發(fā)生后越野車(chē)車(chē)體照片

根據(jù)貨車(chē)勘查照片可知：貨車(chē)前部有少量刮擦痕跡，是與邊坡接觸形成的；貨車(chē)尾部變形不明顯，改裝痕跡較大；貨車(chē)貨廂被拆除，后部加裝了吊臂。事故發(fā)生后改裝貨車(chē)車(chē)體照片如圖3所示。未改裝時(shí)的貨車(chē)車(chē)體照片如圖4所示。

圖3 事故發(fā)生后改裝貨車(chē)車(chē)體照片

圖4 未改裝時(shí)的貨車(chē)車(chē)體照片

3.2 車(chē)型介紹

3.2.1 貨車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)及分類(lèi)

貨車(chē)是一種主要為載運(yùn)貨物而設(shè)計(jì)和裝備的車(chē)輛，其車(chē)身包括駕駛室和貨廂兩個(gè)部分。在設(shè)計(jì)貨車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)時(shí)均會(huì)考慮貨車(chē)的安全性、實(shí)用性、耐用性及其他方面相關(guān)因素，同時(shí)在設(shè)計(jì)時(shí)考慮貨廂的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、尺寸、容量、前后載荷分布等因素。

貨車(chē)貨廂可分為兩大類(lèi)：通用貨廂和專(zhuān)用貨廂。通用貨廂可分為平板貨廂、低欄板貨廂、高欄板貨廂和小噸位自卸貨廂等，主要用于運(yùn)輸一些裝卸簡(jiǎn)單、環(huán)境要求不高、周轉(zhuǎn)次數(shù)較少的貨物；專(zhuān)用貨廂可分為箱式貨廂、罐式貨廂、自卸車(chē)貨廂和集裝箱等，主要用于運(yùn)輸通用貨廂不宜運(yùn)輸?shù)呢浳铩?/p>

3.2.2 越野車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)

越野車(chē)是一種為越野而設(shè)計(jì)的汽車(chē)，都擁有非承載式車(chē)身結(jié)構(gòu)，具有獨(dú)立的底盤(pán)和大梁，且重要的零部件均安裝在大梁上。根據(jù)載重能力越野車(chē)分為重型越野車(chē)、中型越野車(chē)以及輕型越野車(chē)，而本次事故中涉及到的越野車(chē)屬于輕型越野車(chē)。

3.3 仿真分析研究

3.3.1 模型的簡(jiǎn)化

選取與事故車(chē)輛相似的某款越野車(chē)的三維模型，在其基礎(chǔ)上建立碰撞車(chē)輛的有限元模型。鑒于計(jì)算機(jī)條件的限制以及主要的研究目的，做以下簡(jiǎn)化處理[13]：

1) 根據(jù)越野車(chē)變形部位和貨車(chē)刮擦痕跡可知，本次事故中貨車(chē)前部刮擦應(yīng)是與山坡碰撞所致，越野車(chē)左側(cè)變形為與貨車(chē)貨廂底板碰撞接觸所致，因此本次實(shí)驗(yàn)對(duì)改裝前后貨車(chē)尾部貨廂及貨廂底板進(jìn)行模擬仿真。

2) 因碰撞過(guò)程中僅有改裝后的貨車(chē)貨廂與越野車(chē)有接觸，故可直接忽略貨車(chē)車(chē)身模型，僅用貨廂以及改裝后的貨廂模型代替發(fā)生碰撞的貨車(chē)。

3) 根據(jù)事發(fā)時(shí)貨車(chē)貨廂數(shù)據(jù)建立改裝后的貨廂模型。同時(shí)根據(jù)事故車(chē)輛信息找到未改裝的同型號(hào)貨車(chē)的貨廂數(shù)據(jù)，根據(jù)該數(shù)據(jù)建立未改裝的貨車(chē)貨廂模型。

4) 事發(fā)時(shí)越野車(chē)內(nèi)飾對(duì)本次事故無(wú)影響，故省略了整車(chē)內(nèi)飾。

5) 本次事故無(wú)須對(duì)人員傷亡進(jìn)行研究，因此碰撞過(guò)程中未加入駕駛員及乘員進(jìn)行碰撞仿真。

在建模過(guò)程中，使用CATIA V5 R17作為貨車(chē)車(chē)底板結(jié)構(gòu)工藝數(shù)據(jù)建模軟件，應(yīng)用Hypermesh 9.0作為有限元分析的前處理軟件，將LS-DYNA作為碰撞過(guò)程的計(jì)算求解軟件，采用Hyperview和LS-PrePost作為后處理結(jié)果查看工具。

3.3.2 模型的導(dǎo)入

運(yùn)用CATIA軟件建立該改裝貨車(chē)貨廂和未改裝貨車(chē)貨廂的模型，模型建好后導(dǎo)出IGES格式文件，之后導(dǎo)入到Hypermesh中進(jìn)行碰撞模型的搭建。

3.3.3 初始條件的設(shè)置

根據(jù)事發(fā)時(shí)采集的事故現(xiàn)場(chǎng)痕跡，并根據(jù)提供的資料分析計(jì)算，將事發(fā)時(shí)貨車(chē)設(shè)為靜止，越野車(chē)碰撞時(shí)速度設(shè)為60 km/h，碰撞時(shí)兩者夾角為45°。貨車(chē)車(chē)廂底部距離地面高度設(shè)為130 cm，與越野車(chē)后視鏡上部位置齊平。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)勘查，貨廂底板未發(fā)生變形，故在本次計(jì)算分析過(guò)程中可將其看成剛性體。根據(jù)貨廂底板的材質(zhì)，彈性模量E為217 000 MPa，泊松比為0.26，屈服強(qiáng)度σs為355 MPa。

在仿真碰撞分析前需要進(jìn)行仿真相關(guān)參數(shù)的確定，例如碰撞時(shí)間以及計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)等。參數(shù)設(shè)置完畢后，將Hypermesh中設(shè)置完成的模型文件輸出為K文件，并將輸出的K文件在LS-DYNA中進(jìn)行求解計(jì)算。

3.3.4 輸出K文件

在完成所有模型的建立和參數(shù)的設(shè)置后，要進(jìn)行相應(yīng)功能的控制卡片的輸出，其中需要設(shè)置的控制卡片有：終止時(shí)間卡片、CPU時(shí)間卡片、時(shí)間步長(zhǎng)卡片、能量控制卡片、接觸定義卡片、殼單元卡片、剛體卡片、沙漏控制卡片、ASCII輸出卡片以及二進(jìn)制結(jié)果文件輸出控制卡片。完成控制卡片建立后，輸出所需的K文件。

4 仿真實(shí)驗(yàn)

將建立好的車(chē)輛模型和貨車(chē)底板模型導(dǎo)入Hypermesh中，搭建好的模型如圖5所示，并進(jìn)行碰撞仿真實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過(guò)LS-DYNA計(jì)算得到后處理文件，導(dǎo)入Hyperview中對(duì)其碰撞仿真結(jié)果進(jìn)行后處理分析，并得到車(chē)輛最大侵入量云圖、應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D。

圖5 碰撞仿真模型及擺放示例

結(jié)果顯示：以相同的速度碰撞相同的位置，兩次碰撞均使越野車(chē)A柱折斷、B柱變形嚴(yán)重、擋風(fēng)玻璃破損、左前側(cè)車(chē)門(mén)變形，但變形量存在差異，如圖6所示。

根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出最大侵入量云圖，如圖7所示。由圖7可知：改裝后的貨車(chē)車(chē)板撞擊越野車(chē)產(chǎn)生的最大侵入量為1.579×103mm，原始貨廂撞擊越野車(chē)產(chǎn)生的最大侵入量為1.567×103mm，貨車(chē)改裝后碰撞越野車(chē)造成越野車(chē)最大侵入量較改裝前增大。

圖6 兩組仿真中越野車(chē)變形情況

圖7 越野車(chē)最大侵入量(顏色深淺代表最大侵入量大小)

根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出應(yīng)力應(yīng)變量，如圖8所示。由圖8可知：改裝后的貨車(chē)車(chē)板撞擊越野車(chē)產(chǎn)生的最大應(yīng)力為7.207×102MPa，未改裝貨車(chē)貨廂撞擊越野車(chē)產(chǎn)生的最大應(yīng)力為 6.998×102MPa，貨車(chē)改裝后碰撞越野車(chē)造成越野車(chē)最大應(yīng)力較改裝前增加。

圖8 越野車(chē)應(yīng)力應(yīng)變量(顏色深淺代表應(yīng)力應(yīng)變量大小)

根據(jù)仿真結(jié)果可知：改裝貨車(chē)與越野車(chē)碰撞仿真結(jié)果與本次交通事故變形情況基本一致。比較貨車(chē)改裝前后的仿真結(jié)果可知：在相同邊界條件下，越野車(chē)與改裝貨車(chē)接觸的應(yīng)力及最大侵入量更大，即最大侵入量由由1.567×103mm變?yōu)?.579×103mm，最大應(yīng)力由 6.998×102MPa變?yōu)?.207×102MPa，因此貨車(chē)改裝后與越野車(chē)碰撞接觸危險(xiǎn)程度增加，兩車(chē)的相容性變差。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)實(shí)際的交通事故案例，對(duì)某改裝貨車(chē)和越野車(chē)在發(fā)生交通事故后的碰撞相容性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：

1) 在相同碰撞條件下，當(dāng)改裝貨車(chē)的貨廂取消后，改裝貨車(chē)與其他車(chē)輛接觸時(shí)的受力面積變小，應(yīng)力更為集中，同時(shí)最大侵入量增大。

2) 因貨車(chē)和越野車(chē)之間本身的質(zhì)量相容性和結(jié)構(gòu)剛度相容性存在差異，越野車(chē)處于劣勢(shì)。經(jīng)過(guò)改裝后貨車(chē)車(chē)身幾何外形發(fā)生改變，使其車(chē)身幾何外形相容性也隨之發(fā)生改變，導(dǎo)致車(chē)輛相容性變差。因此，貨車(chē)進(jìn)行此類(lèi)型改裝加重了與越野車(chē)碰撞時(shí)越野車(chē)在質(zhì)量相容性和結(jié)構(gòu)剛度相容性方面的劣勢(shì)，致使碰撞后越野車(chē)車(chē)內(nèi)乘員生存空間更小，車(chē)內(nèi)乘員受傷風(fēng)險(xiǎn)增大，將會(huì)給車(chē)內(nèi)乘員造成更為嚴(yán)重的危害。

[1] 中華人民共和國(guó)道路交通安全法[S].北京：全國(guó)人民代表大會(huì)常務(wù)委員會(huì),2003.

[2] 胡遠(yuǎn)志，黃杰，劉西,等.SUV 與轎車(chē)正面碰撞相容性研究[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2016，30(3):1-8.

[3] 殷國(guó)松.某SUV與轎車(chē)相容性碰撞[D].天津:天津科技大學(xué),2013.

[4] 雷晨，尹志勇.微型面包車(chē)碰撞事故駕駛員損傷重建研究[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2016，30(2):71-76.

[5] 胡遠(yuǎn)志，鄒緣良，劉西,等.基于不同新車(chē)評(píng)價(jià)規(guī)程的側(cè)面碰撞仿真分析[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2017，31(4):1-9.

[6] 尹飛鴻.有限元法基本原理及應(yīng)用[M].北京:高等教育出版社,2010:2-3.

[7] BRIAN A C,JOHN D R.Reconstruction techniques for energy-absorbing guardrail end terminals[J].Accident Analysis and Prevention，2006，38:1-13.

[8] 時(shí)黨勇，李裕春，張勝民.基于ANSYS/LS-DYNA8.1進(jìn)行顯示動(dòng)力分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[9] LSTC.LS-DYNA Theoretical Manual VERSION960[S].

[10] THORTON P H，MANAGE C L.Design considerations in energy absorption by structural collapse[Z].SAE 800372,1980:55-60.

[11] 黃金陵.汽車(chē)車(chē)身有限元法基礎(chǔ)[M].長(zhǎng)春:吉林工業(yè)大學(xué)出版社,2005.

[12] 何濤，楊競(jìng)，金鑫,等.ANSYS10.0、LS-DYNA非線性有限元分析實(shí)例指導(dǎo)教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[13] MORRIS R A，CRANDALL J R，PILKEY W D.Multibody modeling of side impact test apparatus[J].I J Crash,1999,4(1):123-129.