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罐式危險貨物運輸車輛后防護裝置碰撞特性的仿真及試驗研究

文檔作者：張國勝，任春曉，李金，陳野文檔來源：交通運輸部公路科學研究院		點擊數(shù)：	更新時間： 2025年07月16日
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上一篇：淺談危險品車輛運輸安全隱患對策及監(jiān)管措施

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第32卷第12期公路交通科技V01．32 No．12
2015年12月Journal of Highway and Transp()rtation
Research and Development Dec．2015
doi：10．3969／j．issn．1002—0268．2015．12．004
罐式危險貨物運輸車輛后防護裝置
碰撞特性的仿真及試驗研究
張國勝，任春曉，李金，陳野
(交通運輸部公路科學研究院運輸車輛運行安全技術交通行業(yè)重點實驗室，北京100088)
摘要：針對罐式危險貨物運輸車輛后部防護裝置防護性能不足的問題，提出并設計了一款防護性能高的新型后部防
護裝置。采用仿真分析和實車試驗相結合的方式，驗證追尾碰撞有限元模型的有效性。在此基礎上，分析了不同追
尾車輛質(zhì)量、不同碰撞速度等工況的防護裝置的碰撞特性和防護性能，結果表明：該新型防護裝置能夠適應不同的
碰撞工況，表現(xiàn)出優(yōu)良的防護性能：
關鍵詞：汽車工程；追尾防護裝置；實車試驗；罐車后部防護
中圖分類號：U461．91 文獻標識碼：A 文章編號：1002—0268(2015)12—0019—05
Simulation and Test of Collision Characte ris“cs of Rear Underrun Protection
Device of Dangerous Goods Tank Vehicle
ZHANG Guo—sheng，REN Chun-xiao，LI Jin，CHEN Ye
(I．Research Institute of Highway，Ministry of Transport，Beijing 100088，China；
2．Key Laboratory of Vehicle Operation Safety Technology of Ministry of Transpoa，Beijing 100088，China)
Abstract：To cope with the problem of insufficient protective performance of rear protection device of
dangerous goods tank vehicle，a new type of rear undermn protection device with enough protective
performance is proposed．The effectiveness of the rear—end collision finite element model is verified with the
method of combining simulated analysis with real vehicle test．On this basis，the collision and protective
performance of the protection device under different working conditions such as quality of rear—end collided
vehicle and impact velocity are analyzed．The result shows that the protective performance of the new
protection device is good enough to adapt to different collision conditions．
Key words：vehicle engineering；rear underrun protection device；real vehicle test；rear underrun protection
for tank vehicle
0引言
隨著我國國民經(jīng)濟和道路運輸事業(yè)的飛速發(fā)展，
各行業(yè)對于液態(tài)危險化學品的需求量日益增加，隨
之而來的是液態(tài)危險貨物運輸事故。2015年天津港
區(qū)“8·12”事故發(fā)生后，危險貨物儲運安全成為社
會關注的焦點。危險貨物道路運輸發(fā)生的事故占危
險貨物運輸事故比例高達30％Ll J，位居首位。追尾
事故也是主要的道路交通事故形態(tài)之一，占事故總
數(shù)的近8％一j。近年來，罐式危險貨物運輸車輛
(以下簡稱“罐車”)被追尾引發(fā)的二次特重大交通
事故，給國家和人民群眾生命財產(chǎn)造成重大損失，
成為道路運輸管理面臨的突出問題，引起了行業(yè)管
理部門的高度重視和社會各界的廣泛關注。
多起事故暴露出罐車后部防護能力偏弱，因罐
車所承運介質(zhì)的危險性，被追尾碰撞時產(chǎn)生的次生
收稿日期：2015—09—20
作者簡介：張國勝(1979一)，黑龍江大慶人，博士，副研究員．(gs．zhang@rioh．a(chǎn)n)
萬方數(shù)據(jù)
公路交通科技第32卷
傷害要遠遠超過事故本身所造成的傷害，尤其是包
茂高速“8·26”事故、晉濟高速“3·1”事故共
造成76人死亡，教訓十分慘痛。與歐洲和美國的標
準相比，我國的罐車后下部防護裝置標準《汽車和
掛車后下部防護要求》(GB 1 1567．2—2001)中所規(guī)
定的防護強度較低"山J，缺乏對后部碰撞保護裝置的
規(guī)定?。國內(nèi)部分學者對后下部防護裝置結構、防護能
力等進行了分析，與國外相關標準進行了比對，開發(fā)了
新的后下部防護裝置并對標準改進提出了建議。8‘1 0。。
罐車后下部防護裝置設置的目的是防止乘用車
鉆撞，其強度和結構都難以防止大型營運車輛追尾
可能造成的損壞。本文設計一款防護性能高的新型
后部防護裝置，采用仿真分析和實車試驗相結合的
方式，驗證追尾碰撞有限元模型的有效性。在此基
礎上，分析不同追尾車輛質(zhì)量、不同碰撞速度等工
況的防護裝置的碰撞特性和防護性能。
1 防護裝置的設計與安裝
本文所設計防護裝置主要由防護欄、左右支撐
構件、正面支撐構件和連接卡槽等4個部分所組成，
如圖l所示。在所有構件下料完成之后，將各個部
件進行焊接，為了保證焊接的穩(wěn)定性和牢固性，焊
接接頭采用四周滿焊的形式。
【c)J_1f他倒
圖1防護裝置CAD圖紙(單位：mm)
Fig．1 CAD drawing of protection device(unit：mm)
防護裝置結構加工完成之后，將其與試驗車輛
進行裝配?？ú凼沁B接防護裝置和罐車縱梁部位的
關鍵連接部分，通過焊接連接之后，防護裝置就與
罐車形成一個整體，如圖2所示。
2追尾碰撞模型的構建
本文將防護裝置、罐車及客車等幾何模型分別
導人前處理器軟件Hypermesh中，依次進行幾何修
復、網(wǎng)格劃分、定義單元類型和材料屬性等工作。
霜。-
藩
圖2防護裝置的安裝
Fig．2 Installation of protection device
2．1 客車有限元模型建構
以某6897型旅游客車為沖撞客車，將在三維軟
件Pro／E中建立的幾何模型導入到有限元前處理軟
件Hypermesh中，采用殼單位對其進行網(wǎng)格離散化。
客車模型共有463 075個單元，442 997個節(jié)點。
圖3客車有限元模型
Fig．3 FE model of coach
客車具體技術參數(shù)，如表1所示。
表1客車技術參數(shù)
Tab．1 Technical parameters of coach
項目名數(shù)值項目名數(shù)值
總長／mm 8 970 前懸／mm l 905
總高／mm 3 480 后懸／ram 2 790
總寬／mm 2 500 滿載質(zhì)量／kg 9 800
軸距／him 4 300 整備質(zhì)量／kg 6 650
前輪距／mm 1 900 后輪距／mm 1 800
2．2罐車有限元模型建構
選取某5 107型罐車為被撞對象，模型處理方法
如上所述，在實測罐車的外形基本尺寸基礎上對其
簡化，通過對車輛進行配重加載以使得載荷分布與
實車碰撞載荷分布基本一致。罐車危貨車有限元模
型共有82 714個單元，93 608個節(jié)點。
具體技術參數(shù)，如表2所示。
建立罐車的追尾碰撞系統(tǒng)模型。追尾碰撞罐車
有限元模型，如圖5所示。該模型共有583 787個單
元，571 974個節(jié)點。其中，防護裝置模型共有
36 194個單元，35 369個節(jié)點。
一一一～
萬方數(shù)據(jù)
第12期張國勝，等：罐式危險貨物運輸車輛后防護裝置碰撞特性的仿真及試驗研究
圖4罐車有限元模型
Fig．4 FE model of tank vehicle
表2罐車技術參數(shù)
Tab．2 Technical parameters of tank vehicle
項目名數(shù)值項目名數(shù)值
總長／ram 10 067 后輪距／mm 1 986
總高／ram 2 765 發(fā)動機位置前置
總寬／mm 2 400 整備質(zhì)量／kg 5 800
軸距／mm 4 400 總質(zhì)量／kg 13 000
前輪距／mm 2 026 罐體容積／m3 8 9
圖5追尾碰撞有限兀模型
Fig．5 FE model of rear·end collision
2．3控制參數(shù)設置
本文采用單點高斯積分的求解方法，求解時間
設置為120 ms，車輛內(nèi)部采用自動單面接觸，碰撞
車輛間采用自動面面接觸。沙漏系數(shù)設置為0．05，
動、靜摩擦系數(shù)均設置為0．15；車輪與地面之間的
動摩擦系數(shù)FD和靜摩擦系數(shù)耶分別設置為0．7和
0．8。通過多起危貨車追尾事故的相對速度調(diào)查統(tǒng)
計，本文選擇碰撞速度為40 knr／h。
3實車碰撞試驗分析
3．1碰撞試驗條件
沖撞客車要求其懸架、輪胎、轉向系統(tǒng)等應處
于正常工作狀態(tài)；車輛內(nèi)部平衡加載固定配重，總
質(zhì)量為10 000 kg；車輛外側粘貼標識點。罐車的罐
體內(nèi)注入約85％的水，總質(zhì)量為13 000 kg；罐車的
檔位掛至3檔，以保證碰撞過程中車輪不會被抱死。
在碰撞區(qū)域的左側、右側以及上側設置了3臺高速
攝像機。
圖6碰撞試驗條件
Fig．6 Collision test condition
3．2試驗結果及分析
實車碰撞試驗后，其變形趨勢與仿真分析塑性
區(qū)結果基本相吻合。通過高速攝像機測量得到，追
尾碰撞過程中防護裝置最大變形量為718 mm。實車
試驗結果見圖7。
圖7實車試驗結果
Fig．7 Result of real vehicle test
試驗結果和仿真結果的變形指標存在一定的誤
差，因為在試件的加工過程中構件之間焊接的好壞
也會對試驗結果造成一定的影響。從試驗與仿真的
結構變形相對誤差分析(圖8)來看，罐體尾部的
變形誤差最大，但是罐體尾部的仿真和試驗的變形
值基值就小；而防護裝置相關構件的變形誤差都在
10％以下，可認為仿真結果與試驗結果是相符的。
圖8質(zhì)心處加速度值比較
Fig．8 Comparison of accelerations of center of mass
仿真分析和試驗測試結果在波峰形態(tài)、變化趨勢
以及峰值上吻合度較高。試驗數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)在加速
度最大峰值的誤差約為2．5％，滿足工程應用的要求。
萬方數(shù)據(jù)
公路交通科技第32卷
4沖撞速度對碰撞的影響
4．1_不同速度下的防護裝置變形情況
假定碰撞車輛的質(zhì)量和質(zhì)心高度不改變，設置3
組不同的碰撞初始速度。其動能按照式(1)計算：
E=丟耐， (1)
式中，／7／為整車總質(zhì)量；”為碰撞相對速度。
縱向支撐桿和斜支撐桿發(fā)生褶皺，防護裝置的
縱梁發(fā)生彎曲變形。隨著碰撞速度增大，防護裝置
的最大變形值增大，如表3所示。防護裝置左右側
的變形都比較小，變形主要集中在正面位置；雖然
防護裝置在不同的速度沖擊下都發(fā)生了變形，但是碰
撞結束后防護裝置都沒有出現(xiàn)壓潰、脫落的現(xiàn)象，防
護裝置在碰撞過程中能夠通過自身結構緩沖吸能，罐體
并沒有出現(xiàn)破損，對罐體后端起到了良好的保護作用。
表3速度與能量、變形值關系
Tab．3 Relation of velocity with energy and deformation value
4．2不同速度下的加速度變化
加速度在碰撞過程中能表征結構在所承受的沖
擊程度，同時也是反映結構安全性能的一個重要指
標。通過對碰撞過程的加速度響應情況(圖9)分
析，防護裝置在碰撞過程中的確起到了緩沖作用。
圖9不同碰撞速度響應比較
Fig．9 Comparison of different velocity collision responses
加速度峰值出現(xiàn)在22～35 ms之間，此時碰撞車
輛開始接觸，隨著時間推移，加速度逐漸變小，防護
裝置發(fā)生結構變形，從而緩沖吸能；速度越大加速度
峰值也越大，大約在70 ms后加速度曲線慢慢趨于
平緩，變形結束后客車與罐式車輛同速向前運動。
5 沖撞車輛質(zhì)量對碰撞的影響
假定碰撞速度為40 km／h，根據(jù)我國對道路運輸
車輛的主要車型歸納統(tǒng)計數(shù)據(jù)，將客車質(zhì)量分為8，
10，14，18，25 t等不同的質(zhì)量。
罐體質(zhì)心處的加速度響應趨勢基本保持一致，
質(zhì)量越大，加速度峰值越大，在碰撞過程中都要承
受二次沖擊作用，見圖10。質(zhì)量為25 t的客車碰撞
的罐體加速度峰值約為56．329，而8 t和10 t碰撞的
峰值分別為38．2lg和47．629，相比較而言，25 t客
車碰撞的加速度峰值分別增加了45．1 8％和16．93％；
并且可以看出罐體達到二次碰撞峰值的時間也要隨
著后碰撞車輛的增加而相對提前一些。從整體看，
罐體在18 t碰撞質(zhì)量沖擊下，罐體的加速度峰值都
保持在509以下，罐體在碰撞過程中能夠承受沖擊
而不產(chǎn)生破損；但是當碰撞質(zhì)量為25 t的時候，二
次沖擊的加速度峰值達到了56．329。
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
0 OO O．02 0．04 0 06 0．08 0．10 0．12 0 14
叫問／s
圖10不同質(zhì)量碰撞響應比較
Fig．10 Comparison of different mass collision responses
6結論
通過對建立的罐車追尾碰撞系統(tǒng)的仿真結果進
行了分析和研究，通過對不同速度、不同質(zhì)量等不
同工況下進行仿真研究，對防護裝置在結構變形、
吸能特性、加速度變化等方面的情況進行了討論，
結果表明：
(1)新型防護裝置能夠適應不同工況下的碰撞
沖擊，能夠在碰撞中利用自身結構進行吸能，對罐
體形成有效保護；
(2)新型防護裝置能夠在碰撞過程中有效降低
碰撞沖擊的加速度，對罐式車輛的罐體以及大型車
輛的乘員都能夠起到比較好的保護作用。
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