胡瑞海

江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院常州劉國鈞分院 江蘇常州 213025

1 分析背景

隨著我國道路行駛車輛的日益增多,汽車追尾事故發(fā)生數(shù)量逐年增加。汽車追尾事故雖然沒有正面撞擊、側(cè)面撞擊和側(cè)翻事故的危害性大,但是發(fā)生率卻僅次于正面撞擊和側(cè)面撞擊。據(jù)交通運(yùn)輸部數(shù)據(jù)統(tǒng)計,汽車追尾事故在所有交通事故中比例高達(dá)30%以上,在高速公路發(fā)生的交通事故中,汽車追尾事故的數(shù)量占首位。筆者以LS-DYNA軟件仿真技術(shù)為基礎(chǔ),結(jié)合CATIA三維建模軟件,建立東風(fēng)本田系列汽車追尾幾何模型和有限元模型,同時建立一個可移動的用于碰撞的小車模型,對汽車追尾事故進(jìn)行仿真分析。在分析時,對碰撞小車模型賦予一定初速度,用于對汽車進(jìn)行追尾碰撞,研究道路行駛汽車的安全距離及制動過程中各項因素對制動減速度的影響。

2 有限元建模

依據(jù)上海市機(jī)動車檢測中心汽車碰撞試驗實際可移動小車的尺寸,對碰撞小車進(jìn)行三維建模。碰撞小車前端碰撞面的尺寸為3 000 mm×900 mm×50 mm,其下端離地高度與汽車底盤離地高度相當(dāng),為250 mm,碰撞小車的質(zhì)量為1 200 kg,主體由方鋼拼焊而成。碰撞小車幾何模型經(jīng)過前處理和網(wǎng)格劃分之后,共劃分為5 945個殼單元網(wǎng)格和5 839個節(jié)點。碰撞小車有限元模型如圖1所示。

▲圖1 碰撞小車有限元模型

分析的主體是被追尾的汽車,因此碰撞小車在碰撞仿真時不產(chǎn)生變形,網(wǎng)格材料設(shè)置為剛體。碰撞小車主體由方鋼構(gòu)成,采用殼網(wǎng)格劃分,碰撞平面厚度較厚,采用體網(wǎng)格劃分。殼網(wǎng)格的材料在LS-DYNA軟件中選用MATL20,密度為7.89 g/cm3,彈性模量為200 GPa,泊松比為0.3。

分析采用的被追尾汽車模型以東風(fēng)本田汽車為基礎(chǔ),在建立三維模型,進(jìn)行網(wǎng)格劃分等操作后,生成有限元模型。被追尾汽車主體主要由鈑金件構(gòu)成,同樣也采用殼網(wǎng)格進(jìn)行劃分。被追尾汽車中的一些零部件,如發(fā)動機(jī)、減速器等,采用剛性體網(wǎng)格進(jìn)行劃分。體單元與殼單元不能直接發(fā)生接觸碰撞,因此在碰撞小車的前部體單元外部附加一層殼單元,將其與被追尾汽車的殼單元設(shè)置為面面接觸。如果不設(shè)置面面接觸,那么碰撞小車將直接穿過被追尾汽車,不會使汽車產(chǎn)生變形。被追尾汽車有限元模型如圖2所示。

▲圖2 被追尾汽車有限元模型

3 仿真結(jié)果

采用LS-DYNA軟件對有限元模型進(jìn)行求解,賦予碰撞小車30 km/h初速度產(chǎn)生追尾,對不同尾部質(zhì)量、不同碰撞時間的被追尾汽車進(jìn)行仿真,仿真結(jié)果如圖3所示。

▲圖3 追尾仿真結(jié)果

對被追尾汽車進(jìn)行位移約束,則碰撞小車和被追尾汽車的相對速度為30 km/h,符合實際情況。碰撞時間為0.07 s時,被追尾汽車整個車身乃至車頭都產(chǎn)生至少200 mm的變形。車尾質(zhì)量減輕10%后,被追尾汽車只有車尾和車身后半部分產(chǎn)生嚴(yán)重變形,車頭和車身前半部分的變形較小。碰撞時間為0.04 s時,仿真結(jié)果與碰撞時間為0.07 s時類似。

通過仿真發(fā)現(xiàn),減輕汽車尾部質(zhì)量之后,在相同的碰撞時間下,汽車尾部乃至汽車全身的變形量小于沒有減輕汽車尾部質(zhì)量時。

4 汽車制動分析

4.1 制動過程

汽車制動過程一般分為四個階段:駕駛員反應(yīng)階段、制動器協(xié)調(diào)階段、減速度產(chǎn)生階段、減速度持續(xù)增大階段。

(1) 駕駛員反應(yīng)階段。當(dāng)駕駛員看到行駛前方有障礙物時,眼睛捕獲的圖像刺激視網(wǎng)膜,傳輸至大腦中樞神經(jīng)系統(tǒng)。大腦發(fā)出指令至右腳神經(jīng)系統(tǒng),右腳從油門踏板移動到制動踏板并踩下。

(2) 制動器協(xié)調(diào)階段。駕駛員踩下制動踏板后,制動摩擦片逐步貼合制動盤,這一階段并沒有產(chǎn)生減速度,汽車的速度仍為原始速度。

(3) 減速度產(chǎn)生階段。這一階段摩擦片已經(jīng)貼合制動盤,汽車產(chǎn)生相應(yīng)的減速度,汽車開始減速運(yùn)動。

(4) 減速度持續(xù)增大階段。汽車的發(fā)動機(jī)以恒功率減速時會產(chǎn)生最大減速度,當(dāng)汽車達(dá)到最大減速度后,將基于該減速度作勻減速運(yùn)動,直至停車。

4.2 制動減速度

汽車制動減速度由汽車輪胎與地面的摩擦因數(shù)、汽車的總質(zhì)量,以及摩擦片與制動盤的制動效率決定。使用軟件編程,將地面路況、車輛初速度、反應(yīng)時間、路面摩擦因數(shù)等條件代入計算,可以得到不同路況下相鄰行駛汽車之間的安全距離。在使用軟件進(jìn)行編程時,可以改變其中某個參數(shù),將其它參數(shù)定義為常量,進(jìn)行多次仿真試驗,確定每個參數(shù)對追尾事故發(fā)生概率的影響。

追尾的初速度以高速行駛的汽車車速來確定,一般在90 km/h～120 km/h之間,每次仿真以2 km/h的增量遞增。路面摩擦因數(shù)與路面的類型和天氣狀況有關(guān),一般范圍為0.35～0.6,干燥路面的摩擦因數(shù)遠(yuǎn)高于潮濕泥濘路面。駕駛員的反應(yīng)時間根據(jù)人體平均反應(yīng)時間來確定,一般取0.3～1.0 s。假設(shè)兩車的初速度之差相等,兩車的間距設(shè)置為6 m,在相關(guān)參數(shù)確定之后,將兩車設(shè)定在一條直線上行駛,進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果為,汽車制動減速度與地面路況有關(guān),其它參數(shù)不變時,路面摩擦因數(shù)越大,汽車制動減速度越大。當(dāng)遇到突發(fā)情況時,前車先做出減速制動的反應(yīng),后車看到前車的制動后,再做出制動反應(yīng),兩者存在一定的時間差。假設(shè)兩車在行駛時的速度是相等的,如果兩車之間的距離小于汽車在制動過程中行駛的距離,那么就會發(fā)生追尾事故。

5 尾部吸能裝置的應(yīng)用

一些汽車的尾部在設(shè)計生產(chǎn)時會有一個吸能裝置,吸能裝置的仿真變形如圖4所示。在汽車發(fā)生追尾事故時,吸能裝置變形,吸收了碰撞中產(chǎn)生的大部分能量,可以減小汽車尾部的變形,從而提高汽車的安全性。汽車尾部吸能裝置的碰撞仿真如圖5所示。由圖5和圖3對比可知,在相同的條件下,汽車車尾及車身的變形大幅減小,證明了尾部吸能裝置對汽車追尾事故安全性的提升作用。

▲圖4 吸能裝置仿真變形▲圖5 汽車尾部吸能裝置碰撞仿真

6 結(jié)束語

筆者采用CATIA軟件進(jìn)行汽車幾何建模,通過網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)置,得到有限元模型,然后使用LS-DYNA軟件進(jìn)行有限元仿真分析。通過更改汽車有限元模型的車尾質(zhì)量和碰撞時間,進(jìn)行多次追尾仿真,分析汽車輕量化對避免汽車追尾事故,提升安全性的作用。

依據(jù)汽車制動的四個階段,使用軟件編程,計算不同路況下相鄰汽車之間的安全距離,以降低追尾事故的發(fā)生概率。

在汽車尾部安裝吸能裝置,通過吸收汽車發(fā)生追尾時產(chǎn)生的能量,減小汽車的變形,從而避免對乘員造成傷害。