翻滚安全性研究方法综述

彭湃，王军评，张军

（中国工程物理研究院总体工程研究所，四川 绵阳 621900）

汽车行驶过程中，可能发生各种意外碰撞事故， 其中翻滚事故的比例不高，但是造成的后果相比其他事故更为严重。据统计，在澳大利亚及欧洲，每年因翻滚事故导致的死亡人数在20%以上[1-2]。美国每年翻滚事故比例不到3%，但死亡人数却达到33%[3]，经济损失超过500 亿美元[4-5]。在我国，以2013年为例，共发生单车翻滚事故5910起，占交通事故总数的2.98%，由此导致3851人死亡，占死亡总数的6.58%[6]。翻滚事故不仅会造成严重的人员伤亡，还可能会造成其他严重的后果与社会影响。比如对于武器装备、发射性物质等专用物品的运输车辆（一般为中大型运输车），若发生了翻滚事故，可能还会造成化爆反应、发射性污染等严重的安全事故。因此，有必要开展翻滚事故场景下的安全性研究。其研究目的主要有2个：评估翻滚事故下车载人员的安全性，为乘客安全性设计的改进与优化提供支撑；评估翻滚事故下车载专用物品的安全性，为专用运输车辆的结构强度改进，以及武器装备、放射性物品及其运输容器的抗冲击防护优化提供支撑。

汽车翻滚事故与其他碰撞事故相比，具有明显的不同。首先，翻滚事故的类型多样，成因复杂，与地形地貌、气候环境、道路交通结构要素（如路缘、坡地、护栏等）、汽车行驶状态（车速、行驶角度）等息息相关。其次，翻滚运动过程复杂，汽车的碰撞位置、姿态及碰撞物不确定性大。这给预测与复现汽车的翻滚运动带来了很大的挑战，很难用较少的试验方法对各种翻滚事故场景与事故特征进行完全覆盖与复现。文中将从翻滚事故场景的基本特征、翻滚试验技术与方法、数值模拟仿真技术等方面介绍目前国内外翻滚安全性的发展现状，并提出未来该研究领域需解决的问题与发展方向。

1 翻滚事故场景的特征

1.1 翻滚事故的分类及定义

翻滚是指汽车绕其纵轴或横轴旋转90°或90°以上的运动[7-8]。美国事故样本观察-碰撞数据系统（NASS-CDS）自20世纪末以来，在统计分析了大量翻滚事故与复现试验的基础上，从翻滚事故成因的角度来定义各种翻滚事故类型，详见表1[9-11]。

表1 翻滚事故类型的定义及所占比例Tab.1 The definition and percentage of various rollover accidents

根据美国的统计结果，绝大部分翻滚事故都是汽车绕自身纵轴旋转的翻滚。无论对于普通乘用车还是轻型货车，绊翻是所有翻滚事故中概率最大的翻滚形式，比例超过50%。德国深度事故调查机构（GIDAS）的统计数据也显示，绊翻事故概率最大，超过60%[8]，其次为抛翻、坠翻事故。可见，绊翻、抛翻、坠翻这3种事故类型的研究是翻滚安全性研究的重点。

1.2 翻滚事故特征统计结果

美国、欧洲等国家基于多年的汽车翻滚事故数据库分析，得出了一些共性的较为普遍的结论如下[12-13]：绊翻是概率最高的一种翻滚事故；75%以上的翻滚事故为单车事故；车顶与地面的碰撞对乘员造成的伤害最大；接近90%的翻滚事故中，车辆翻滚90°不多于5次（车顶与地面碰撞次数为1），接近99%翻滚事故中，车辆翻滚90°不多于9次（车顶与地面碰撞次数为2），统计数据如图1所示。

图1 车辆翻滚90°次数累计概率统计Fig.1 Cumulative probability statistics of the number of 90°rollover

与欧美发达国家相比，我国车辆类型构成比例（如我国的大型客车、卡车比例较高）、公路等级、道路条件、地形等都有较大区别，因此造成的翻滚事故特征更具中国特色。根据我国公安部《中华人民共和国道路交通事故统计年报》数据[6]及文献[8,14-16]中的分析结果，可得出我国汽车翻滚事故的一些共性特征。

首先，翻滚事故主要以单车事故为主，其诱因与道路交通状况密切相关。翻滚事故主要发生在二级以下公路上，这些道路条件较差（仅双车道或单车道、弯道多）、防护设施较少、交通标志不明显。高速公路、一级公路虽然发生概率相对较低，但由于车速较快，其翻滚事故死亡率较高。发生在平直道路上的翻滚事故远高于弯道及坡道。

其次，汽车翻滚事故与路边安全设施（如护栏、路缘、边坡等）有密切关系。例如，导致绊翻的主要原因是汽车与路缘的碰撞，或驶入边坡，发生软地面绊翻；导致抛翻的主要原因是护栏和路沟背坡；导致坠翻的主要原因是汽车驶入坡度较大、高度较高的边坡。

第三，发生概率最大的集中翻滚事故类型是绊翻、抛翻、坠翻。其中绊翻发生的概率最高，但坠翻（边坡翻滚、坠河、坠崖、坠桥等）造成的后果最严重。

2 翻滚试验方法发展现状

为了进一步研究车辆及车载人员在翻滚事故场景下的动力学特征，提升翻滚事故下的安全性，自20世纪30年代以来，各国就已开展了复现翻滚事故的试验方法研究。通用汽车公司曾将汽车从小山坡顶端推翻下去，这是最早的汽车翻滚试验[17]。此后，各种各样的翻滚试验方法不断涌现，经多年的发展与改进，具有较大代表性的翻滚试验方法介绍如下。

2.1 车顶试验（美国FMVSS 216法规）

车顶试验的标准要求：总质量2.7 t以下的车辆，在车顶梁处施加1.5倍汽车质量的载荷，车顶变形量不大于5 mm[18]。2010年对该法规进行了改进，适用范围扩展到4.5 t以下的车辆，施加载荷提升至2.5倍汽车质量。但是该方法只反映了车顶的静态承载能力，与翻滚时车顶与地面碰撞的动态过程差别较远。

2.2 台车翻滚试验（美国FMVSS 208法规）

FMVSS 208台车翻滚试验（如图2所示）是由SAE J2114台车试验发展而来，它的台车斜角为23°，台车与试验车运动速度为48 km/h。台车在短距离内制动，制动加速度为20g，持续时间为40 ms[19]。

图2 FMVSS 208翻滚试验方法Fig.2 FMVSS 208 rollover test method

该方法的缺点是台车制动加速度波形难以控制，重复性差。此外，研究表明，该试验方法与翻滚事故的关联性差，因此未作为强制执行的法规[21]。但是，由于该试验方法建立时间较长，其试验结果可用于改进相关的数值仿真模型，验证汽车的车顶强度，目前仍被很多厂商与科研机构采用。比如近年来，沃尔沃XC60、宝马X6、长安逸动、哈弗H6、国外专用救护车等均采用了该方法开展翻滚验证试验。

2.3 螺旋翻滚试验（Corkscrew）

螺旋翻滚试验（如图3所示）用于复现汽车冲上背坡或护栏等坡状物结构导致的翻滚事故，被称为Corkscrew试验。试验斜坡：一种是普通斜坡（坡度为8°、高度为861 mm），另一种是阶梯斜坡（第一级坡度为8°，高度为700 mm；第二级坡度为21°、全高1150 mm）。试验车速为70~80 km/h，试验车一侧沿斜坡快速爬升，从而产生绕纵轴的翻滚，并车顶触地[21]。近年来，宝马7系、长安逸动、领克06等均采用了该方法开展了翻滚验证试验。

2.4 车辆绊翻试验

路缘绊翻试验（Curb-Trip）是用来复现汽车与路缘碰撞导致的绊翻事故（据统计，超过50%的翻滚事故是汽车与路缘的碰撞，或驶入边坡发生软地面造成的绊翻事故）。试验时试验车与台车一起横向运动，速度为42 km/h。台车制动后，试验车轮胎与模拟路缘（路缘高度为152 mm）碰撞发生绊翻，如图4所示。

图3 螺旋翻滚试验方法Fig.3 Corkscrew rollover test method

图4 路缘绊翻试验方法Fig.4 Curb-Trip rollover test method

另一种绊翻试验方法是沙地翻滚试验（Soil-Trip），用于模拟汽车从硬质路面倒向软质地面发生的绊翻事故（据统计，该种翻滚形式占所有绊翻事故的90%）。试验方式与路缘绊翻类似，速度为42 km/h，台车制动后，试验车直接冲向模拟沙床，由于轮胎与沙床摩擦而导致翻滚，如图5所示。

2.5 边坡翻滚试验（Embankment）

图5 沙地翻滚试验方法Fig.5 Soil-Trip rollover test method

图6 边坡翻滚试验方法Fig.6 Embankment rollover test method

边坡翻滚试验（图6）用来复现汽车驶入边坡，发生坠翻的事故场景。试验中，边坡高度至少为2 m、坡度为30°~50°、长度为11 m，汽车行驶速度为16~24 km/h，行驶方向与边坡的角度为18°。试验中边坡的坡度、驶入角度、车速等参数均可适当调整，以使试验车发生侧向翻滚。

2.6 ECE R66客车翻滚测试

该试验方法用于评估超过22人的大客车的侧翻安全性，是目前欧洲要求强制实施的法规。我国参考该法规颁布了GB 17578—2013《客车上部结构强度要求及试验方法》。ECE R66法规从酝酿到最终颁布，欧洲专家经历了大致3个阶段的摸索，如图7所示[22]。他们先后开展了3个阶段的验证试验：由最初9 m高度的2级斜坡平台试验，到后来的5.5 m高度斜坡平台试验，再到最终的0.8 m无斜坡平台试验。试验结果证明，第3种试验方式最严酷，造成客车受损最严重的地方都在客车顶部。

图7 ECE R66客车侧翻试验方法Fig.7 ECE R66 rollover test method for buses

3 翻滚试验与事故场景的关联性

目前的翻滚试验方法种类繁多，但尚未形成统一的试验考核标准或法规。为了进一步提高研究效率，减少试验种类，就必须开展翻滚试验与翻滚事故场景的关联性研究，即翻滚试验条件是否能覆盖或包络相应的翻滚事故场景，以及试验中的运动学特征与动态响应与真实事故是否类似。

国外研究团队在研究了美国、英国、澳大利亚、德国的交通事故后，对各种事故所占比例及各种试验方法对实际事故的代表性做了分析，结论如下[8]：沙地翻滚试验（Soil-Trip）代表了乘用车91%（轻卡93%）的绊翻事故和乘用车100%（轻卡100%）的转翻事故，也即乘用车56.9%（轻卡57.3%）的翻滚事故；路缘绊翻试验（Curb-Trip）代表了乘用车8%（轻卡6%）的绊翻事故和乘用车35%（轻卡31%）的弹翻事故，也即乘用车7.5%（轻卡5.5%）的翻滚事故；螺旋翻滚试验（Corkscrew）代表了乘用车83%（轻卡74%）的抛翻事故，也即乘用车9.6%（轻卡5.4%）的翻滚事故；边坡翻滚试验（Embankment）代表了乘用车100%（轻卡100%）的坠翻事故，也即乘用车12.9%（轻卡15.4%）的翻滚事故；FMVSS 208台车翻滚试验仅代表了不到1%的翻滚事故。

由此可见，根据国外的统计研究结果，绊翻试验方法（包括路缘绊翻试验与沙地翻滚试验）、螺旋翻滚试验方法、边坡翻滚试验方法代表了乘用车及轻卡80%以上的翻滚事故，因此这几种试验方法是最具代表性，与翻滚事故场景关联性最高的翻滚试验方法。

国内谢伯元等人[8,14]研究了我国道路交通状况与汽车翻滚事故的主要特征，并结合我国的实际情况，提出了更适用于我国的翻滚试验方法及加载参数设置。

1）地面绊翻事故主要发生在二级、三级公路上，一般最大车速为80 km/h。根据我国翻滚事故统计数据显示，事故碰撞角度最大为33.8°、最小为4.2°。绊翻试验中，42 km/h的横向速度可以代表汽车在80 km/h、以车道线成32°冲出公路的情况，该试验方法基本能够覆盖此类翻滚事故。

2）路缘绊翻事故主要是由于路缘石引起的，多发生在城市公路与等级公路上，而我国城市道路路缘以150 mm最常见，等级公路常设置为120 mm。因此横向42 km/h的速度、150 mm以上的路缘高度基本可以覆盖此类翻滚事故。

3）螺旋翻滚事故主要源于汽车冲上护栏结构或者路沟背坡。基于我国目前的护栏现状，斜坡高度应大于800 mm，角度应大于15.1°，因此阶梯斜坡的试验方式更适合我国的实际情况。

4）边坡坠翻事故主要发生在没有护栏防护的边坡路段。我国二级以上公路中不设置护栏的条件为：边坡坡度1:1（45°）以上，路堤高度2.5 m以下；边坡坡度1:2（26.6°）、路堤高度4.5m以下。因此考虑我国的实际，边坡试验时，坡度应设置为至少45°，坡高不小于2.5 m。

4 数值模拟发展现状

除了采用实验室复现的方式开展翻滚安全性研究以外，随着计算机技术的发展，数值模拟逐渐成为研究翻滚安全性的重要手段。目前，数值仿真模型主要分为2种类型，多刚体模型及有限元模型。

多刚体模型主要采用ADAMS、MADYMO等多体动力学软件，重建三维翻滚事故的运动场景，以获得翻滚过程相关动力学参数的变化特征。例如，西门子公司曾同时采用ADAMS、MADYMO对路肩绊翻、沙地绊翻、螺旋翻滚、边坡翻滚试验进行了研究，预测了汽车翻滚的运动状况[23]。McCoy等人[24]运用MADYMO建立了汽车翻滚多刚体模型，模拟了车辆绊翻试验、螺旋翻滚试验和鱼钩翻滚试验，仿真结果和试验吻合较好。但是，多刚体模型无法准确模拟翻滚碰撞过程中的结构变形与响应，只适用于定性分析，因而对翻滚安全性评估的支撑有限。

有限元模型主要是采用以LS-DYNA为代表的非线性有限元分析软件，来获取翻滚碰撞过程中车体结构、车载人员或产品的变形与动态响应情况。例如，有文献中关于绊翻试验中假人动态响应的研究[25]，以及翻滚碰撞初始参数对车体和乘员动态响应的影响研究等[26-29]。但是，翻滚事故全过程的持续时间较长，由于计算规模的限制，为了保证计算精度，有限元模型一般仅用于分析车辆与地面碰撞接触这一短时间内车体结构的变形与响应情况。

目前依靠单个数值模型，无法既保证计算精确度，同时实现对翻滚过程运动学特征、结构变形和动态响应等结果在内的全过程模拟。因此，目前的趋势是采用多刚体模型与有限元模型耦合、联合仿真技术，即采用多刚体模型重现翻滚事故，获得翻滚碰撞时刻的初始运动状态参数，然后以此作为有限元模型的边界条件，计算得出该状态下的结构变形与动态响应。例如，Parent[26-27]、Yan[28]、Jiang[29]等人均采用MADYMO与LS-DYNA联合的仿真方式，来研究翻滚过程中车辆结构的动态响应及乘员头部的损伤机理，以及不同初始碰撞参数的影响分析。

5 结语

通过大量文献的调研可知，目前国内外对于翻滚事故的成因与场景特征有了一些关键性认识，且经历多年的发展，形成了与各种翻滚事故类型所对应的翻滚事故室验室模拟方法，数值模拟技术也取得了较大的进步。这些成果都为翻滚碰撞安全性研究的发展起到很大的推动作用，但仍有很多的不足。

首先，缺乏科学严谨的翻滚事故统计数据。国外目前对于翻滚事故数据统计与分析对象具有局限性，主要针对乘用车与轻卡，未尚涉及到中大型运输车辆。国内目前对翻滚事故的定义、分类则与国外有较大区别，对于翻滚事故的样本采集也远远不够，事故分析结果千差万别。

其次，缺乏翻滚试验方法与事故场景相关性的科学评价机制。目前，对于翻滚试验方法与事故场景的关联性分析不足，很多结论来源于简单的主观分析与经验，理论基础匮乏。这直接影响了翻滚试验方法及相关加载参数选择的合理性，也可能是目前尚无针对整车动态翻滚试验强制性法规的原因之一。此外，数值模拟能力仍不足。数值模型过于简化，精细化程度不高，对翻滚全过程的仿真能力有限，对于翻滚碰撞过程中损伤机理的研究不够深入。

未来，需进一步针对我国的实际情况，建立更详细完整的翻滚事故数据库，更加深入地开展数据分析，以获得适用于我国的更为准确的翻滚事故场景特征。其次，需建立翻滚试验方法与事故场景相关性的科学评价机制，形成科学有效的翻滚试验方法与规范。数值模拟方面，需以多刚体模型与有限元模型耦合为基本思路，建立更精细化的数值仿真模型，提高计算效率，实现翻滚全过程的精确仿真能力。