高速公路后防护装置碰撞事故分析

高速公路后防护装置碰撞事故分析

0后下防护架功能据统计，2009年6月底，中国汽车产量比1765512万元。其中,汽车69626031辆,挂车1035036辆。同期我国公路通车总里程达357.3万km,其中高速公路5.36万km。随着汽车数量的增加、性能的提高以及公路质量的不断改善,汽车行驶速度不断提高,交通事故的发案数也不断攀升。2008年,全国共发生道路交通事故265204起,造成73484人死亡、304919人受伤,直接财产损失10.1亿元。其中追尾事故占到全部交通事故的近40%,人员伤亡更是占到了总伤亡数的60%。在追尾事故中,乘用车追尾大中型货车事故所造成的伤亡在所有追尾碰撞事故中所占比例最大。大型载货汽车的后下部防护装置能够有效保护与大型载货汽车发生追尾碰撞的乘用车,提高乘用车与载货汽车的碰撞相容性,防止乘用车发生钻入碰撞。欧洲法规ECER58和美国法规FMVSS223/224中对大型载货汽车的后下部防护结构作了详细的技术说明和要求,强制要求大型载货汽车装备后下部防护装置。而我国,也早在1994年就颁布了GB11567.2-1994《汽车和挂车侧面及后下部防护装置要求》,2001年又在原标准基础上进一步修改完善后颁布施行了GB11567.2-2001,该标准对需要安装后防护装置的车型类别、后防护装置的安装尺寸、后防护装置应该达到的技术要求及试验方法等方面都作出了明确的规定。近年来,国外对载货汽车后防护装置的研究主要集中在提高乘用车与载货汽车碰撞相容性方面。Roger等使用Madymo软件对乘用车与载货汽车的碰撞进行了仿真。Cerniglia等认为后下部防护架有四种吸能模式,即防护架的塑性变形、部件间的摩擦、液体或气体的流动、部件的损坏和破裂等。Berg等则通过实车碰撞试验说明了现有的欧洲法规ECER58的测试方法不能满足现实事故中对乘用车内乘员的保护。林南君等对后下部防护架进行了静压仿真。Atahan等在经过大量实车碰撞试验后得出:美国法规FMVSS223中后下部防护架离地高度480mm的要求不能阻止乘用车侵入载货汽车底部。国内对于载货汽车后防护架的研究,主要集中在后防护架刚度、离地高度以及通过移动的壁障碰撞仿真提高原有的后防护结构强度方面,而对于货车后防护架现状统计、试验及碰撞相容性方面的研究相对较少。本文的研究表明,影响后下部防护架碰撞相容性的因素主要是后下部防护架结构和后下部防护架离地高度。1采用联合碰撞事故分析1.1车载汽车让车运行事故为了解目前道路上货车后防护架存在的安全问题,本项目组与湖南省交警总队合作,对2008年1～7月发生在京珠高速公路湖南段和长常高速公路的29起乘用车与载货汽车追尾碰撞事故进行了调查,事故数据统计表如表1所示。29起事故共造成23人死亡,全部为乘用车乘员;9人重伤,其中7人为乘用车乘员,占总数77.8%;28人轻伤,乘用车乘员18人,占总数64.3%。对追尾碰撞案例车辆破坏情况分析发现,由于货车车架刚度远大于乘用车的刚度,且离地高度较大,在事故中乘用车前部及乘员舱往往会发生严重变形,甚至前半部分车身钻入货车的底部,从而造成乘用车乘员的严重伤亡。1.2车辆安装方案为了解现有后防护架结构与安装的具体情况,项目组与湖南省交警高速公路支队合作,在京珠高速公路羊楼司收费站对道路行驶的载货汽车后防护架进行了现场测量和数据统计。本次调查共统计车辆94辆,均属于GB11567.2-2001中规定需要安装后下部防护装置的车辆。其中安装后下部保护装置的车辆76辆,占80.8%,未安装的车辆18辆,占19.2%。根据现场测量分析,统计结果如表2所示。表2表明:高速公路行驶货车(含挂车)后防护装置离地高度符合法规要求(空载,不大于550mm)的为27辆,占总数的28.7%;后下部防护装置横向构件截面宽度大于等于法规规定值100mm的60辆,占63.8%;后下部防护装置最外缘与后轴车轮最外端距离不大于100mm,且不超出车轮宽度的货车仅为23辆,占总数的24.5%;此外后防护架发生严重变形、破损的为5辆,占总数的5.3%。上述货车后防护装置道路测量统计结果表明,目前约三分之二的货车后防护装置离地高度不满足要求,约有四分之一的货车的后防护装置未安装或者严重破损、变形,同时后防护装置到轮边的距离约有四分之三不符合要求,完全满足法规要求的不到四分之一。2结构以钢为原料结构的布置根据对京珠高速公路上94辆货车的统计结果,目前,我国货车后下部防护架主要有三种结构,如图1所示:槽钢结构(约占49%),矩形钢管结构(约占24%),钢板折弯结构(约占27%),它们均以焊接方式与货车纵梁后端相连接。为了对目前广泛采用的三种典型货车后防护装置的吸能特性和防止钻入碰撞性能进行检验,项目组进行了三组实车碰撞试验测试。2.1试验用车及设备切割10t的载货汽车得到完整的后车架(保留后桥、后车轮、后悬架等),车架与刚性碰撞壁用螺栓固定在一起,并把需要检验的后防护装置焊接在车架纵梁上;试验用乘用车为拥有最大市场占有率的捷达轿车。碰撞方式为平行中心线100%追尾碰撞。在碰撞区域的左、右、上三个方位安装高速摄像机,以1000帧/s的速度记录碰撞变形过程,并在乘用车左右两侧B柱下端平行中心线方向安装加速度传感器,测量碰撞过程的加速度变化。碰撞试验前,对三组需要进行试验的后防护架结构,按照GB11567.2-2001要求进行了静态加载试验,其静态强度变形量均满足法规要求。2.2钢板折弯结构防护架试验与分析三组追尾碰撞试验碰撞参数如表3所示。三组试验碰撞后乘用车与防护架的变形如图2～图4所示。对比三组试验可知,槽钢刚度较大,防护架的变形最小,但乘用车前部及乘员舱变形最为严重;矩形钢管结构后防护架离地高度最大,碰撞中乘用车钻入量最大,同时,由于其离地高度较大,使得该结构最佳刚度值相对较小,碰撞过程中由防护架所吸收的能量较少,乘员舱同样发生了较为严重的塑性变形;钢板折弯结构后防护架在碰撞试验中变形最大,但乘用车前部变形量与前两次试验相比较并未明显降低,说明该结构整体刚度较小,其缓冲吸能能力并不理想。试验结果也验证了最大限度地降低后防护架离地高度,对于获得较好的碰撞相容性有利。对上述三组试验所得加速度曲线进行比较分析,结果如表4所示。对比三种结构,矩形钢管结构防护架加速度峰值最小,碰撞吸能时间最长。因此,使用矩形钢管作为防护架的主要吸能部件能够有效地降低碰撞加速度峰值,同时能够吸收较多的碰撞能量。同时,三组试验加速度峰值均小于GB11567.2-2001中40g的要求。同时上述试验结果也表明,满足法规静态加载试验及碰撞加速度峰值要求的三组后下部防护装置,在40km/h车速追尾碰撞过程中,基本能够防止乘用车钻入货车底部,但是由于乘用车整体结构的强度过大,不能较好吸收碰撞能量,导致乘用车前部及乘员舱发生严重变形。3用车阶次碰撞情况由于乘用车和载货汽车在质量、刚度和结构方面有巨大差异,碰撞不相容性的问题尤为突出。研究表明碰撞相容性主要与三个影响因素相关,即质量、结构刚度和车身几何外形。乘用车追尾碰撞载货汽车时,假设乘用车与载货汽车之间发生完全非弹性碰撞,二者碰撞后无反弹,且碰撞后一起运动,具有相同的速度,则货车后防护架受到的平均力为F=m1m2v2C2(m1+m2)sF=m1m2vC22(m1+m2)s(1)碰撞过程中乘用车平均减速度为a=m2v2C2(m1+m2)sa=m2vC22(m1+m2)s(2)碰撞过程持续的时间为t=2svCt=2svC(3)vC=v1+v2式中,m1为乘用车质量,kg;m2为载货汽车质量,kg;v1为乘用车初始碰撞速度,m/s;v2为载货汽车初始碰撞速度,m/s;s为整体变形量,m;t为碰撞时间,s。上述三组方程表明如果希望降低乘用车车身平均减速度(即乘用车受到冲击力),可以通过增大乘用车质量或者增大整体变形量来实现,由于乘用车和货车的质量一定,因此只有通过增大变形量也就是增加碰撞时间来提高碰撞相容性。3.1种防护结构的吸能特性为了对比三组后防护架在相同冲击载荷下的吸能及变形情况,建立了刚性可移动壁障(movingbarrier,MB)模型,如图5所示。利用刚性MB垂直冲击带有后防护架的后车架模型。加载在MB上的速度和质量分别为40km/h和1100kg,总的碰撞能量为68130J。三种结构的吸能特性比较如表5所示。仿真结果表明:槽钢结构和钢板折弯结构防护架的主要吸能部件为后端横梁,横梁发生明显变形,吸收部分碰撞能量,而矩形钢管结构后防护架由于横梁尺寸、刚度设计不合理,在碰撞中并未发生较大的塑性变形,吸收能量较少。三组试验中对悬臂梁的仿真对比结果显示:矩形钢管结构的悬臂梁在碰撞中发生明显变形,吸收了较多能量,比其他两组试验中悬臂梁吸收的能量提高了34.6%和73.1%。矩形钢管结构中的斜支撑梁未发生较大变形,起到了较好的防止钻入的作用。由于矩形钢管结构后端横梁刚度较大,吸收的总能量最少(碰撞总能量的25%),导致碰撞后乘用车变形、反弹较大。上述仿真结果说明,相对于槽钢和折弯钢板结构,矩形钢管结构较为理想,在碰撞中能够较好地吸收能量,如果能够对其不同构件的结构、尺寸、刚度进行优化设计,能够达到较好的缓冲吸能的效果和防止乘用车钻入的目的。3.2防护架仿真及试验结果分析为了进一步分析后防护架性能,为开发新型后防护架提供基础数据,本文应用HyperMesh软件建立了乘用车-货车追尾碰撞有限元模型,该模型包括乘用车模型和载货汽车后车架模型,如图6所示。该货车后车架模型包括后驱动桥、轮胎及后端纵梁。乘用车模型参数是按照试验中的实车模型建立的,根据材料拉伸试验数据保证了该乘用车模型的前部刚度与实车前部刚度相一致。为了进一步分析后防护架的性能,对目前货车采用最为广泛的槽钢型后防护架结构进行有限元仿真分析,把建立的乘用车追尾碰撞货车后车架的模型导入LS-DYNA软件中进行动态仿真计算。仿真结果与槽钢结构防护架及乘用车的变形与追尾碰撞试验结果基本一致,防护架并未出现较大的弯曲变形。乘用车变形较大,试验乘用车前部变形量为322mm,仿真乘用车前部变形量为318mm。图7为仿真加速度曲线与试验加速度曲线对比图,两者加速度变化趋势和加速度峰值基本一致,从而验证了模型的有效性和精确性。由于我国高速公路的快速发展,乘用车追尾货车的碰撞速度50%以上高于50km/h。为了研究后防护架在高速碰撞条件下的防护性能,本文进行了40～70km/h碰撞初速度的仿真计算,防护架离地高度为480mm,结果如表6所示。表6中乘用车前部变形量的定义为车辆前保险杠前端到车辆B柱下端纵向水平距离;钻入量的定义为乘用车追尾货车发生钻入碰撞时,乘用车最前端到货车最后端纵向水平距离。40km/h和50km/h的仿真均表明钻入量满足GB11567.2-2001中规定的400mm的要求。但是,仿真和试验也表明乘用车前部变形量较大,同时防护架的变形较小,也就是说在乘用车追尾货车时大量的碰撞能量由乘用车所吸收,致使易于造成乘用车乘员伤亡。60km/h以上初速度碰撞乘用车变形量和钻入量大于400mm,导致乘用车A柱发生严重变形撕裂,防护架失效。为了研究不同离地高度对防护效果的影响,本文对50km/h碰撞初速度下420～540mm不同离地高度的后防护架进行了碰撞仿真,仿真结果如表7所示。仿真结果表明,当防护架离地高度较大(不小于540mm)时,防护架不能起到防护作用,乘用车的钻入量较大,即发生乘用车钻入货车下部的钻入碰撞;随着防护架离地高度的降低,乘用车前部变形量增大,钻入量减小,但是当离地高度小于440mm时,由于防护架在碰撞中受到弯矩较大,致使其相对刚度减小,乘用车前部变形量和钻入量有相反的变化趋势。仿真表明,防护架离地高度460～480mm范围内具有最佳的防护效果,即乘用车变形量不太大,钻入量也控制得较好。4u3000车辆后防护装置要求(1)由于大多数大型货车的车架及后下部防护装置刚度较大,与乘用车碰撞相容性较差,在高速公路追尾事故中,乘用车吸收了大部分碰撞能量,导致乘员舱严重变形,从而造成乘用车乘员死亡和重伤的比例较大,统计数据分别为100%和77.8%。(2)货车后防护装置道路统计表明,目前道路行驶的货车约三分之二的后防护装置离地高度不满足要求,约有20%的车辆未安装后防护装置,同时约三分之二的车辆后防护装置横向构件由刚度较大的槽钢焊接而成,后防护装置到轮边的距离约有一半不符合要求,完全满足GB11567.2-2001法规要求的不到四分之一。(3)满足GB11567.2-2001中静态加载试验要求及碰撞加速度峰值要求的三种典型后防护架结构的实车碰撞试验及仿真分析表明,在较高速度碰撞过程中,现有的后下部防护架结构不能起到有效缓冲吸能作用,大量的碰撞能量由乘用车塑形变形吸收,进而证明有必要对GB11567.2-2001中静态加载及碰撞试验测试要求的部分内容进行相应的研究并修订。(4)后防护装置离地高度直接决定了能否起到阻止乘用车发生钻入货车下部的作用。