吳亞蘭, 闞玉錦, 孫 晗

(1.安徽機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,安徽 蕪湖 241000;2.蕪湖中集瑞江汽車有限公司,安徽 蕪湖 241000)

0 引 言

隨著公路運輸事業(yè)的發(fā)展和車輛飽有量的不斷增加，交通事故也呈現(xiàn)逐年上升趨勢。在交通事故類型中，與大型車輛追尾傷亡多數(shù)都比較嚴(yán)重。液罐車作為最常用的液體危險品運輸工具，其在發(fā)生追尾事故時，如何減輕對跟馳車車內(nèi)人員的人身傷害和罐體的損傷，同時防止次生傷害的產(chǎn)生是其車輛結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要課題之一。近年來各國都加大對液罐車的研究，并得到一定的發(fā)展[1]。液罐車后防護(hù)裝置是車輛尾部緩和、吸收外界沖擊力的主要措施。工程實際中目前多數(shù)液罐車采用單橫梁式后防護(hù)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)防護(hù)面積小主要用于防止后下部小型車輛的鉆撞，防護(hù)裝置末端與車輛尾部基本平齊防護(hù)距離過小缺少緩沖區(qū)域，缺少縱向支撐吸能效果差已無法滿足新國標(biāo)對車輛行駛安全的要求。提出的雙橫梁后防護(hù)裝置防護(hù)范圍廣、防護(hù)距離大、吸能性能好、加工制造方便、成本低，符合工程應(yīng)用實際。

1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

液罐車后防護(hù)裝置性能指標(biāo)主要體現(xiàn)在防護(hù)范圍(阻攔不同類型車輛的碰撞與鉆入)、阻擋能力和強沖擊下的吸能能力，最大的保護(hù)司乘人員和罐體的安全，降低事故的損失程度，因此研究人員在結(jié)構(gòu)安全和材料性能上進(jìn)行了諸多探索。依據(jù)《GB11567—2017》，液罐車后下部防護(hù)裝置橫向構(gòu)件整體應(yīng)向車輛前方平滑彎曲，防護(hù)裝置外側(cè)邊緣不應(yīng)有尖銳部分，構(gòu)件截面拐角處應(yīng)有大于2.5mm半徑的倒圓，橫向構(gòu)件的高度尺寸應(yīng)不小于120mm[2-3]。后下部防護(hù)的下邊緣在車輛空載狀態(tài)下離地高度應(yīng)小于500mm，防護(hù)裝置的整體寬度應(yīng)小于車輛后軸兩側(cè)車輪最外點之間的距離，且任一端最外邊緣與這一側(cè)車輛后軸車輪最外端的水平橫向距離不大于100mm[4-5]。

設(shè)計的后防護(hù)裝置是針對易燃液體罐式運輸半掛車WL9400GRY04車型，該車輛類型屬于O4類，車寬2550mm，后軸兩側(cè)車輪最外點之間的距離為2480mm，車輛最大總質(zhì)量為40000kg。結(jié)合車輛自身的結(jié)構(gòu)參數(shù)，充分考慮不同車型的碰撞可能，提升后防護(hù)阻擋范圍，設(shè)計雙橫梁后防護(hù)裝置結(jié)構(gòu)上主要由橫向構(gòu)件和連接結(jié)構(gòu)件組成，主要有上下橫梁、縱梁和連接豎撐組成，結(jié)構(gòu)之間采用滿焊連接。整個后防護(hù)裝置通過螺栓連接固定在車輛尾部大梁上。

為擴(kuò)大防護(hù)范圍，采用上下橫梁結(jié)構(gòu)，同時通過豎撐，增加緩沖區(qū)域。上、下橫梁的截面高度分別為300mm、150mm，滿足國標(biāo)對O4類車的截面高度不小于120mm的規(guī)定；上下橫梁的外側(cè)短端部圓角半徑為4mm，滿足國標(biāo)對橫向構(gòu)件外側(cè)應(yīng)倒角，其圓角半徑不小于2.5mm的規(guī)定；上下橫梁寬度為2400mm，居中安裝在車輛尾部大梁上，左右外邊緣于車輪最外端的水平橫向距離為40mm，滿足國標(biāo)中對該項尺寸不大于100mm的規(guī)定；該結(jié)構(gòu)安裝在WL9400GRY04車輛的尾部大梁上后下邊緣的離地高度為482mm，滿足國標(biāo)對該項尺寸小于500mm的規(guī)定，如圖1所示。與原單橫梁防護(hù)裝置相比防護(hù)高度由原來300mm擴(kuò)大到700mm[5-6]。

2 有限元分析

后防護(hù)裝置的阻擋能力是衡量其防護(hù)性能的主要指標(biāo)，主要通過防護(hù)裝置的剛度來體現(xiàn)。根據(jù)國標(biāo)對后防護(hù)裝置的要求，分別采用三點加載和兩點加載方式進(jìn)行靜力加載仿真實驗，模擬其被后車追尾時的阻擋能力。在確定各構(gòu)件具體結(jié)構(gòu)形狀和厚尺寸后，對其建立有限元模型，模擬加載，得出理論分析數(shù)據(jù)，為后期工作提供理論依據(jù)。有限元分析按變質(zhì)量法分別進(jìn)行，將各構(gòu)件厚度從薄到厚分別進(jìn)行分析，從而確定合適的構(gòu)件幾何厚度尺寸，以減輕整體重量，實現(xiàn)輕量化。

2.1 材料選取

設(shè)計的后防護(hù)裝置除了要有較大的防護(hù)范圍和較強的阻擋能力外，還要有較強的緩沖吸能能力。在碰撞事故發(fā)生時，防護(hù)裝置主要依靠結(jié)構(gòu)的塑性變形來吸收沖擊能量[7]。在滿足性能要求的前提下，兼顧輕量化和經(jīng)濟(jì)性等多方面因素考慮，上、下橫梁選取T610汽車橫梁鋼，豎支撐選取Q345，橫截面形狀均為“C形”，其結(jié)構(gòu)材料的相關(guān)屬性見表1。

表1 雙橫梁防護(hù)裝置的材料物理性能參數(shù)

2.2 變形仿真分析

采用hypermesh4.0對后防護(hù)裝置幾何模型進(jìn)行前處理，ANSYS15.0進(jìn)行分析[8]。根據(jù)縱橫梁的“C形”截面形狀，確定其單元類型為殼體，將其劃分為shell181單元建立模型，按表1參數(shù)值設(shè)置各零件材料及其相關(guān)屬性，同時對豎撐尾端進(jìn)行安裝后處于懸置狀態(tài)，故上橫梁抵抗變形能力高于下橫梁，因此模擬加載點均在下橫上全約束[9]。由于上橫梁后部附有豎撐，且其與車尾部大梁平齊連接，下橫梁梁在選取。

需要強調(diào)的是，為了直觀的反映后防護(hù)裝置耐沖擊性能，分析過程主要采取在軟件中設(shè)定150mm極限變形量的條件下，驗證防護(hù)裝置構(gòu)件的支座反力大小，并與最大許應(yīng)沖擊力比對，從而驗證是否滿足設(shè)計要求。

2.2.1 三點加載

三點加載要求每點沖擊力不小于5KN，主要測試橫梁剛度。由于中間有縱梁加固，因此先進(jìn)行剛度較低的兩端加載試驗，再進(jìn)行中心平面加載試驗。

由于設(shè)計的防護(hù)裝置與車輛整體成中心對稱關(guān)系，因此兩端加載時可以只測其中一側(cè)的一個點。根據(jù)國標(biāo)規(guī)定，側(cè)邊作用點距離車輛后軸輪胎的最外端為 300± 25 mm，設(shè)計的防護(hù)裝置與車輛后軸輪胎的最外端距離為2480mm，計算選取側(cè)邊加載作用點位置為距離中心950mm處，如圖2所示[10]。通過不同壁厚加載試驗發(fā)現(xiàn)，下橫梁厚度5mm時，側(cè)邊加載150 mm位移時的支座反力為65kN>50kN，滿足國標(biāo)要求。

圖2 三點加載 側(cè)邊加載

通過試驗發(fā)現(xiàn)當(dāng)下橫梁厚度為3mm時，在縱向中心平面加載150mm位移，此時的支座反力為51kN>50kN，如圖3所示滿足國標(biāo)要求。

圖3 三點加載 中心加載

2.2.2 兩點加載

由三點加載分析結(jié)構(gòu)可以看出，壁厚5mm符合設(shè)計要求，而壁厚3mm 存在一定的風(fēng)險，故選擇壁厚5mm進(jìn)行兩點加載分析，其他壁厚不再考慮。兩點加載要求每點加載10 kN，后防護(hù)最大縱向變形不超過150mm。兩點加載時，主要測試縱梁剛度，所選兩個作用點應(yīng)相對于防護(hù)裝置或車輛縱向中心線對稱[10-11]?？紤]不同車輛的追尾可能，兩作用點之間的距離必須在700 mm～1 000 mm 之間，根據(jù)防護(hù)裝置實際選擇相對車輛中心對稱且距離950mm處兩點為作用點，如圖4所示。根據(jù)三點加載結(jié)果，下橫梁厚度為5mm，通過試驗得出當(dāng)縱梁厚度為8mm時，加載位移達(dá)到85mm時,支座反力達(dá)到105kN>100 kN，滿足國標(biāo)要求。

圖4 兩點加載

兩點加載時，縱梁結(jié)構(gòu)不夠完善，強度不夠，通過試驗得出縱梁厚度為8 mm，下橫梁厚度為5mm時，滿足國標(biāo)要求。

分析過程中不考慮螺栓受力，固將螺栓理想化為剛體，實際實驗中裝配螺栓受較大的剪切力，不排除發(fā)生螺栓發(fā)生剪切破壞的可能。

3 靜力加載試驗

設(shè)計的后防護(hù)裝置需在平行于車輛縱軸的方向應(yīng)具有一定的阻擋能力以防止發(fā)生追尾碰撞時車輛鉆入[11]。該阻擋能力應(yīng)按照國標(biāo)要求進(jìn)行靜態(tài)加載試驗或移動壁障碰撞試驗。根據(jù)實際條件對設(shè)計的雙橫梁后防護(hù)裝置采用靜態(tài)加載試驗。

將后防護(hù)裝置安裝在WL9400GRY04車輛的尾部大梁上，將車輛處于空載狀態(tài)，置于水平、平坦、剛性、平滑的平面上，前輪應(yīng)處于直線行駛位置，輪胎氣壓為620kPa。

根據(jù)模型有限元分析確定的梁體各結(jié)構(gòu)厚度和2.1所述的車輛具體尺寸，進(jìn)行實車靜力加載試驗，確定加載點位置如圖5所示[12],具體位置尺寸如表2所示，試驗加載值與總變形量如表3所示。

圖5 加載點位置示意圖

表2 加載點具體位置尺寸

表3 試驗結(jié)果

通過試驗可以看出，兩點加載左側(cè)加載時變形量最大為55.7mm，小于國標(biāo)限制的150mm變形量，符合設(shè)計要求[13]。

4 結(jié) 論

1)雙橫梁后防護(hù)裝置在結(jié)構(gòu)上滿足國標(biāo)對車輛后防護(hù)裝置的技術(shù)要求，其防護(hù)范圍由原單橫梁的350mm防護(hù)高度擴(kuò)大到750mm，分散碰撞沖擊力，同時通過豎撐，增加緩沖區(qū)域，提升吸能效果，且其質(zhì)量比原單橫梁防護(hù)減少8%，符合輕量化設(shè)計要求。

2)利用有限元分析確定的雙橫梁結(jié)構(gòu)的壁厚通過靜力加載試驗確定其變形量小于國標(biāo)要求值，證實其阻擋能力滿足相關(guān)要求。