后端碰撞下三轮车辆结构的抗撞性提升：一种计算建模方法

《Scientific Reports》：Crashworthiness enhancement of three-wheel vehicle structures under rear-end collision: a computational modelling approach

　　

摘要

在全球范围内，三轮车辆越来越常被用于日常出行。这类车辆与摩托车和踏板车类似，前端有方向盘，后轮则配备悬挂系统和差速器，结构与汽车相似。它们通常由一个前轮和两个后轮组成，车身多为开放式框架或金属板结构。其前端设计包括直立的车身和挡风玻璃、较小的驾驶舱、帆布顶棚以及带有大灯的挡泥板。这类车辆的最高时速约为55公里/小时。驾驶舱位于车辆前端，用于容纳驾驶员，而后部则供乘客乘坐。包括乘员在内，这类车辆的重量约为650公斤。人们认为三轮车辆存在安全隐患，主要原因有二：其一，其车身及内部结构缺乏适当的安全装置；其二，驾驶员往往驾驶技术不佳，还倾向于超载行驶，并在短时间内多次往返。在三轮车简陋的金属车内，只有驾驶座椅和后排座椅是柔软的表面，但由于其他车辆的干扰、路面颠簸或驾驶员车速过快，这些车辆容易失控翻倒。由于没有车门，即便在低速行驶时，乘员也有可能被抛出车外并遭受严重伤害。此外，由于其材料和结构无法有效吸收冲击能量，这类车辆还会对行人的安全构成威胁。本文旨在通过改进现有三轮车辆的结构，提高其在追尾事故中的抗撞性能，从而减少碰撞带来的伤害。车辆追尾事故是第三常见的交通事故类型。虽然追尾事故较为频繁，但致命情况并不多见，不过它们仍会导致多种伤害，其中最常见的是颈部扭伤。在这项研究中，针对三轮车辆进行了有限元分析时的冲击测试，采用了基于联邦机动车安全标准FMVSS-301的方法。提升车辆及汽油箱的抗撞性能也是此次冲击测试的目标之一。为了解乘员在事故中的反应情况，研究中还使用了人体假人。因此，本研究的首要任务就是对现有三轮车辆结构进行建模并结合人体假人进行分析。之后会对分析结果进行解读，再据此开发新的模型，以解决现有三轮车辆的缺陷。随后会对原始模型和改良后的模型进行对比。研究过程中采用了LS-DYNA软件进行有限元分析，同时使用CATIA软件进行三维建模。分析结果显示，改良后的模型配备了后保险杠，这有助于减少对车辆后部的撞击。该模型变形程度更低，因此能够为燃料箱和发动机等后部部件提供30%更多的保护。后保险杠由复合材料制成，这使得它在减少变形的同时能吸收更多能量。三轮车辆的能量吸收能力提升了1.6千焦，因此使用改良后的模型后，传递给乘员的能量更少。此外，改良后的模型还能将冲击力降低22%，从而减少乘员所受的伤害。由此可见，通过少量改进就能提升现有三轮车辆的安全性，车主和制造商可以借鉴本文中提到的安全设计理念，进一步提高这类车辆的抗撞性能。