大客车侧翻碰撞护栏事故仿真分析及改进

王 蕊， 张晓云， 冯 浩, 陈建国

(1.上海交通大学 机械与动力学院,上海 200240； 2. 司法部 司法鉴定科学技术研究所,上海 200063)

交通事故不仅给生活、生产带来较大危害，且对社会稳定、发展亦造成较大负面影响。因此，对交通事故过程分析及人体伤害防范的数值仿真技术广受关注。目前，交通事故数值仿真技术研究主要集中于小客车碰撞事故，忽视了大客车交通事故及安全设计需求。实际上我国大、中型客车所致事故数量及死亡人数占有较大比例。调查表明，造成“群死群伤”的恶性重大交通事故多与大客车碰撞、翻滚等事故形态有关。如，2011年9月14日上海发生的大客车侧翻事故，死伤24人；2011年10月7日天津发生相同事故，死亡35人。两起事故中大客车均在侧翻后与路边护栏发生碰撞，故而伤亡惨重。因此，针对大客车碰撞事故，结合车身及车内变形等重要信息，研究适用事故仿真及防范方法具有重要的理论意义与实用价值。

本文类比此两起交通事故，以某12 m长大客车车身骨架为对象，在HYPERMESH中模拟事故发生环境用LS-DYNA进行运算，后处理结果在HYPERVIEW中观察仿真大客车侧翻碰撞护栏并向前滑行过程。通过改进材料及设计，探索减小事故损失方法。

1 侧翻事故有限元模型建立

1.1 侧翻事故客车模型前处理

大客车侧翻事故研究对象主要包括大客车及碰撞护栏两大部分，整体碰撞事故环境为：

(1)以大客车车身骨架及车架为板壳单元，底盘车轮、轴、发动机为实体单元，前后6个空气弹簧悬架及整体桥结构的导向杆系分别为刚性单元、梁单元，并忽略蒙皮、玻璃、内饰板等非承载件，见图1。板壳单元基准面为实际结构中面，结构间用共节点、刚性连接、点焊等模拟连接关系[1-7]。施加质量单元模拟大客车重力，使模型总质量、重心位置与实车一致。

(2)据文献[8]规定，选单坡型路侧混凝土护栏(防撞等级为SB级)，尺寸参数按标准确定，建立横截面为等腰梯形的护栏几何模型，并划分为合适大小六面体实体单元，置于大客车车轮同一水平面处。混凝土护栏为刚性护栏，用有限元建模护栏可对大客车碰撞护栏事故充分评价[9]。

(3)为方便大客车旋转定义，在大客车轮胎下方建立翻滚平台。翻滚平台侧边与相邻护栏底边间距2597 mm，此为高度仿真大客车侧窗处与护栏碰撞事故，可在一定程度内变动。

(4)文献[10]对大客车内生存空间位置与尺寸有严格规定。而生存空间为可保证乘员生命安全、衡量车体合格与否的重要标准。据生存空间形状的不变性，为简化计算，略去建立此部分模型，而改用在仿真结果图中进行绘制示意方式(图中尺寸、位置严格按建模比例缩放获得)。

(5)侧翻事故大客车有限元模型见图1、图2。共有单元683907个，节点695298个。其中三角形单元数量9719，占1.42%，满足小于5%要求。

图1 大客车有限元模型

1.2 材料参数设置

车体模型中主要采用两种材料：①MAT20刚体材料即大客车轮胎、发动机及增加的护栏等不变形部件；②MAT24分段线性塑性材料即车身各变形部件。底盘部分用20#碳素钢，车身上部用Q235[6]，改进材料Q345，其属性见表1。参照实际事故中混凝土护栏基本不变形事实(图3)，为提高运算效率，护栏模型材料选MAT20刚体材料。

1.3 初始条件及接触设置

将翻滚平台靠近护栏侧及护栏全约束。为计算效率及稳定，将翻滚平台预先自竖直位置旋转45°作为初始位置；在0～0.1 s使翻滚平台以5°/s角速度旋转，以保证大客车能翻过临界位置而不影响计算结果。整车模型有沿x方向的初速度10 m/s(36 km/h)。

表1 材料属性表

图3 实际交通事故中护栏

单面接触用于单个物体表面的自接触或与另一物体表面的相互接触，无需定义接触面与目标面，适用于求解预先未知接触表面大变形问题，计算时精确、快速[5]。因此在汽车碰撞仿真分析中，为防止各部件间发生相互穿透或部件产生大变形时自身产生穿透现象，采用单面接触以提高数值计算的稳定性及效率。碰撞分析时，采用自动接触方式，可减少工作量[7]。侧翻过程中，车体与地面接触定义为刚性墙接触，并定义车身与地面间摩擦数为0.3。车体与护栏间采用自动搜索类型接触[11]。

2 大客车侧翻碰撞护栏事故仿真分析

2.1 仿真结果验证

大客车由初始位置受重力作用开始侧翻，0.6 s后与护栏发生碰撞。由图4看出，侧窗立柱首先因拉伸强度不足发生断裂，护栏侵入车内乘员的生存空间；侧窗立柱与车顶连接处发生断裂，原因可能为两处间焊接强度不足。而车顶与侧窗立柱构成的闭环结构可抵抗变形，车顶坍塌进一步挤压车内乘员的生存空间；大客车因惯性向前滑行，更增加事故的严重性。

图4 大客车侧翻事故仿真序列

按规定，生存空间以外其他部分不得侵入大客车的生存空间[10]，但模拟最终损毁情况显示侧窗立柱及护栏均侵入生存空间，见图5。与图6相比，此类交通事故对乘员的生命安全威胁极大。

图5 大客车侧翻事故损坏细节图

图6 实际事故中大客车生存空间压缩图

2.2 能量分析

为检验仿真精度，需观察能量是否守恒及非物理能量如沙漏能等是否超过此总能量5%[10]。侧翻过程的能量变化曲线见图7。由图7看出，仿真过程能量守恒，沙漏能在侧翻变形中占总能量比未超1.65%，在许可范围5%以内，对分析结果影响微弱。因此，该仿真计算结果可信。

图7 大客车侧翻事故能量分析图

2.3 模型材料改进仿真分析

将大客车侧窗立柱材料改为Q345，其他同初始设置，仿真结果见图8。与图5对比看出，在侧翻碰撞护栏过程中，大客车侧窗护栏仍出现断裂进而挤压车内乘员生存空间情况，护栏侵入车内高度343.965 mm，较Q235侧窗立柱侵入量小，可减轻事故损失。

图8 材料改进后仿真图

2.4 模型厚度改进仿真分析

将大客车模型侧窗立柱材料由1.5 mm加厚至3.0 mm，其他条件不变，仿真结果见图9。由图9看出，护栏侵入高度294.961 mm，护栏、侧窗立柱未侵入生存空间，满足设计规定，与图8相比，车顶塌陷较少，损毁程度进一步减小。

图9 侧窗立柱厚度改进仿真图

3 改进建议

大客车侧翻时车身上部结构强度是决定事故损失程度的重要因素。GB 13094- 2007规定自2011年2月1日开始强制执行对客车上部结构强度要求，主要技术要求需满足GB/T 17578《客车上部结构强度的规定》，其修订亦参照欧盟的ECE R663[12]。现有标准中只对大客车侧壁与地面碰撞进行侧翻试验，未考虑侧翻碰撞护栏更惨重情况。建议大客车设计者在标准实验基础上考虑此类事故，损失会进一步减少。

4 结 论

(1)由仿真知，增加大客车侧窗立柱材料强度及厚度均可减小损失。

(2)增加侧窗立柱与客车顶部连接强度、侧窗立柱数量、吸能元件等，可减少护栏浸入车厢挤压生命空间的概率。通过面向真实交通事故数值仿真分析，可以为大客车结构安全设计提供理论参考。

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