彭湃，王軍評，張軍

（中國工程物理研究院總體工程研究所，四川 綿陽 621900）

汽車行駛過程中，可能發(fā)生各種意外碰撞事故， 其中翻滾事故的比例不高，但是造成的后果相比其他事故更為嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計，在澳大利亞及歐洲，每年因翻滾事故導(dǎo)致的死亡人數(shù)在20%以上[1-2]。美國每年翻滾事故比例不到3%，但死亡人數(shù)卻達(dá)到33%[3]，經(jīng)濟(jì)損失超過500 億美元[4-5]。在我國，以2013年為例，共發(fā)生單車翻滾事故5910起，占交通事故總數(shù)的2.98%，由此導(dǎo)致3851人死亡，占死亡總數(shù)的6.58%[6]。翻滾事故不僅會造成嚴(yán)重的人員傷亡，還可能會造成其他嚴(yán)重的后果與社會影響。比如對于武器裝備、發(fā)射性物質(zhì)等專用物品的運(yùn)輸車輛（一般為中大型運(yùn)輸車），若發(fā)生了翻滾事故，可能還會造成化爆反應(yīng)、發(fā)射性污染等嚴(yán)重的安全事故。因此，有必要開展翻滾事故場景下的安全性研究。其研究目的主要有2個：評估翻滾事故下車載人員的安全性，為乘客安全性設(shè)計的改進(jìn)與優(yōu)化提供支撐；評估翻滾事故下車載專用物品的安全性，為專用運(yùn)輸車輛的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度改進(jìn)，以及武器裝備、放射性物品及其運(yùn)輸容器的抗沖擊防護(hù)優(yōu)化提供支撐。

汽車翻滾事故與其他碰撞事故相比，具有明顯的不同。首先，翻滾事故的類型多樣，成因復(fù)雜，與地形地貌、氣候環(huán)境、道路交通結(jié)構(gòu)要素（如路緣、坡地、護(hù)欄等）、汽車行駛狀態(tài)（車速、行駛角度）等息息相關(guān)。其次，翻滾運(yùn)動過程復(fù)雜，汽車的碰撞位置、姿態(tài)及碰撞物不確定性大。這給預(yù)測與復(fù)現(xiàn)汽車的翻滾運(yùn)動帶來了很大的挑戰(zhàn)，很難用較少的試驗方法對各種翻滾事故場景與事故特征進(jìn)行完全覆蓋與復(fù)現(xiàn)。文中將從翻滾事故場景的基本特征、翻滾試驗技術(shù)與方法、數(shù)值模擬仿真技術(shù)等方面介紹目前國內(nèi)外翻滾安全性的發(fā)展現(xiàn)狀，并提出未來該研究領(lǐng)域需解決的問題與發(fā)展方向。

1 翻滾事故場景的特征

1.1 翻滾事故的分類及定義

翻滾是指汽車?yán)@其縱軸或橫軸旋轉(zhuǎn)90°或90°以上的運(yùn)動[7-8]。美國事故樣本觀察-碰撞數(shù)據(jù)系統(tǒng)（NASS-CDS）自20世紀(jì)末以來，在統(tǒng)計分析了大量翻滾事故與復(fù)現(xiàn)試驗的基礎(chǔ)上，從翻滾事故成因的角度來定義各種翻滾事故類型，詳見表1[9-11]。

表1 翻滾事故類型的定義及所占比例Tab.1 The definition and percentage of various rollover accidents

根據(jù)美國的統(tǒng)計結(jié)果，絕大部分翻滾事故都是汽車?yán)@自身縱軸旋轉(zhuǎn)的翻滾。無論對于普通乘用車還是輕型貨車，絆翻是所有翻滾事故中概率最大的翻滾形式，比例超過50%。德國深度事故調(diào)查機(jī)構(gòu)（GIDAS）的統(tǒng)計數(shù)據(jù)也顯示，絆翻事故概率最大，超過60%[8]，其次為拋翻、墜翻事故?？梢?，絆翻、拋翻、墜翻這3種事故類型的研究是翻滾安全性研究的重點(diǎn)。

1.2 翻滾事故特征統(tǒng)計結(jié)果

美國、歐洲等國家基于多年的汽車翻滾事故數(shù)據(jù)庫分析，得出了一些共性的較為普遍的結(jié)論如下[12-13]：絆翻是概率最高的一種翻滾事故；75%以上的翻滾事故為單車事故；車頂與地面的碰撞對乘員造成的傷害最大；接近90%的翻滾事故中，車輛翻滾90°不多于5次（車頂與地面碰撞次數(shù)為1），接近99%翻滾事故中，車輛翻滾90°不多于9次（車頂與地面碰撞次數(shù)為2），統(tǒng)計數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1 車輛翻滾90°次數(shù)累計概率統(tǒng)計Fig.1 Cumulative probability statistics of the number of 90°rollover

與歐美發(fā)達(dá)國家相比，我國車輛類型構(gòu)成比例（如我國的大型客車、卡車比例較高）、公路等級、道路條件、地形等都有較大區(qū)別，因此造成的翻滾事故特征更具中國特色。根據(jù)我國公安部《中華人民共和國道路交通事故統(tǒng)計年報》數(shù)據(jù)[6]及文獻(xiàn)[8,14-16]中的分析結(jié)果，可得出我國汽車翻滾事故的一些共性特征。

首先，翻滾事故主要以單車事故為主，其誘因與道路交通狀況密切相關(guān)。翻滾事故主要發(fā)生在二級以下公路上，這些道路條件較差（僅雙車道或單車道、彎道多）、防護(hù)設(shè)施較少、交通標(biāo)志不明顯。高速公路、一級公路雖然發(fā)生概率相對較低，但由于車速較快，其翻滾事故死亡率較高。發(fā)生在平直道路上的翻滾事故遠(yuǎn)高于彎道及坡道。

其次，汽車翻滾事故與路邊安全設(shè)施（如護(hù)欄、路緣、邊坡等）有密切關(guān)系。例如，導(dǎo)致絆翻的主要原因是汽車與路緣的碰撞，或駛?cè)脒吰?，發(fā)生軟地面絆翻；導(dǎo)致拋翻的主要原因是護(hù)欄和路溝背坡；導(dǎo)致墜翻的主要原因是汽車駛?cè)肫露容^大、高度較高的邊坡。

第三，發(fā)生概率最大的集中翻滾事故類型是絆翻、拋翻、墜翻。其中絆翻發(fā)生的概率最高，但墜翻（邊坡翻滾、墜河、墜崖、墜橋等）造成的后果最嚴(yán)重。

2 翻滾試驗方法發(fā)展現(xiàn)狀

為了進(jìn)一步研究車輛及車載人員在翻滾事故場景下的動力學(xué)特征，提升翻滾事故下的安全性，自20世紀(jì)30年代以來，各國就已開展了復(fù)現(xiàn)翻滾事故的試驗方法研究。通用汽車公司曾將汽車從小山坡頂端推翻下去，這是最早的汽車翻滾試驗[17]。此后，各種各樣的翻滾試驗方法不斷涌現(xiàn)，經(jīng)多年的發(fā)展與改進(jìn)，具有較大代表性的翻滾試驗方法介紹如下。

2.1 車頂試驗（美國FMVSS 216法規(guī)）

車頂試驗的標(biāo)準(zhǔn)要求：總質(zhì)量2.7 t以下的車輛，在車頂梁處施加1.5倍汽車質(zhì)量的載荷，車頂變形量不大于5 mm[18]。2010年對該法規(guī)進(jìn)行了改進(jìn)，適用范圍擴(kuò)展到4.5 t以下的車輛，施加載荷提升至2.5倍汽車質(zhì)量。但是該方法只反映了車頂?shù)撵o態(tài)承載能力，與翻滾時車頂與地面碰撞的動態(tài)過程差別較遠(yuǎn)。

2.2 臺車翻滾試驗（美國FMVSS 208法規(guī)）

FMVSS 208臺車翻滾試驗（如圖2所示）是由SAE J2114臺車試驗發(fā)展而來，它的臺車斜角為23°，臺車與試驗車運(yùn)動速度為48 km/h。臺車在短距離內(nèi)制動，制動加速度為20g，持續(xù)時間為40 ms[19]。

圖2 FMVSS 208翻滾試驗方法Fig.2 FMVSS 208 rollover test method

該方法的缺點(diǎn)是臺車制動加速度波形難以控制，重復(fù)性差。此外，研究表明，該試驗方法與翻滾事故的關(guān)聯(lián)性差，因此未作為強(qiáng)制執(zhí)行的法規(guī)[21]。但是，由于該試驗方法建立時間較長，其試驗結(jié)果可用于改進(jìn)相關(guān)的數(shù)值仿真模型，驗證汽車的車頂強(qiáng)度，目前仍被很多廠商與科研機(jī)構(gòu)采用。比如近年來，沃爾沃XC60、寶馬X6、長安逸動、哈弗H6、國外專用救護(hù)車等均采用了該方法開展翻滾驗證試驗。

2.3 螺旋翻滾試驗（Corkscrew）

螺旋翻滾試驗（如圖3所示）用于復(fù)現(xiàn)汽車沖上背坡或護(hù)欄等坡狀物結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的翻滾事故，被稱為Corkscrew試驗。試驗斜坡：一種是普通斜坡（坡度為8°、高度為861 mm），另一種是階梯斜坡（第一級坡度為8°，高度為700 mm；第二級坡度為21°、全高1150 mm）。試驗車速為70~80 km/h，試驗車一側(cè)沿斜坡快速爬升，從而產(chǎn)生繞縱軸的翻滾，并車頂觸地[21]。近年來，寶馬7系、長安逸動、領(lǐng)克06等均采用了該方法開展了翻滾驗證試驗。

2.4 車輛絆翻試驗

路緣絆翻試驗（Curb-Trip）是用來復(fù)現(xiàn)汽車與路緣碰撞導(dǎo)致的絆翻事故（據(jù)統(tǒng)計，超過50%的翻滾事故是汽車與路緣的碰撞，或駛?cè)脒吰掳l(fā)生軟地面造成的絆翻事故）。試驗時試驗車與臺車一起橫向運(yùn)動，速度為42 km/h。臺車制動后，試驗車輪胎與模擬路緣（路緣高度為152 mm）碰撞發(fā)生絆翻，如圖4所示。

圖3 螺旋翻滾試驗方法Fig.3 Corkscrew rollover test method

圖4 路緣絆翻試驗方法Fig.4 Curb-Trip rollover test method

另一種絆翻試驗方法是沙地翻滾試驗（Soil-Trip），用于模擬汽車從硬質(zhì)路面倒向軟質(zhì)地面發(fā)生的絆翻事故（據(jù)統(tǒng)計，該種翻滾形式占所有絆翻事故的90%）。試驗方式與路緣絆翻類似，速度為42 km/h，臺車制動后，試驗車直接沖向模擬沙床，由于輪胎與沙床摩擦而導(dǎo)致翻滾，如圖5所示。

2.5 邊坡翻滾試驗（Embankment）

圖5 沙地翻滾試驗方法Fig.5 Soil-Trip rollover test method

圖6 邊坡翻滾試驗方法Fig.6 Embankment rollover test method

邊坡翻滾試驗（圖6）用來復(fù)現(xiàn)汽車駛?cè)脒吰?，發(fā)生墜翻的事故場景。試驗中，邊坡高度至少為2 m、坡度為30°~50°、長度為11 m，汽車行駛速度為16~24 km/h，行駛方向與邊坡的角度為18°。試驗中邊坡的坡度、駛?cè)虢嵌?、車速等參?shù)均可適當(dāng)調(diào)整，以使試驗車發(fā)生側(cè)向翻滾。

2.6 ECE R66客車翻滾測試

該試驗方法用于評估超過22人的大客車的側(cè)翻安全性，是目前歐洲要求強(qiáng)制實(shí)施的法規(guī)。我國參考該法規(guī)頒布了GB 17578—2013《客車上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求及試驗方法》。ECE R66法規(guī)從醞釀到最終頒布，歐洲專家經(jīng)歷了大致3個階段的摸索，如圖7所示[22]。他們先后開展了3個階段的驗證試驗：由最初9 m高度的2級斜坡平臺試驗，到后來的5.5 m高度斜坡平臺試驗，再到最終的0.8 m無斜坡平臺試驗。試驗結(jié)果證明，第3種試驗方式最嚴(yán)酷，造成客車受損最嚴(yán)重的地方都在客車頂部。

圖7 ECE R66客車側(cè)翻試驗方法Fig.7 ECE R66 rollover test method for buses

3 翻滾試驗與事故場景的關(guān)聯(lián)性

目前的翻滾試驗方法種類繁多，但尚未形成統(tǒng)一的試驗考核標(biāo)準(zhǔn)或法規(guī)。為了進(jìn)一步提高研究效率，減少試驗種類，就必須開展翻滾試驗與翻滾事故場景的關(guān)聯(lián)性研究，即翻滾試驗條件是否能覆蓋或包絡(luò)相應(yīng)的翻滾事故場景，以及試驗中的運(yùn)動學(xué)特征與動態(tài)響應(yīng)與真實(shí)事故是否類似。

國外研究團(tuán)隊在研究了美國、英國、澳大利亞、德國的交通事故后，對各種事故所占比例及各種試驗方法對實(shí)際事故的代表性做了分析，結(jié)論如下[8]：沙地翻滾試驗（Soil-Trip）代表了乘用車91%（輕卡93%）的絆翻事故和乘用車100%（輕卡100%）的轉(zhuǎn)翻事故，也即乘用車56.9%（輕卡57.3%）的翻滾事故；路緣絆翻試驗（Curb-Trip）代表了乘用車8%（輕卡6%）的絆翻事故和乘用車35%（輕卡31%）的彈翻事故，也即乘用車7.5%（輕卡5.5%）的翻滾事故；螺旋翻滾試驗（Corkscrew）代表了乘用車83%（輕卡74%）的拋翻事故，也即乘用車9.6%（輕卡5.4%）的翻滾事故；邊坡翻滾試驗（Embankment）代表了乘用車100%（輕卡100%）的墜翻事故，也即乘用車12.9%（輕卡15.4%）的翻滾事故；FMVSS 208臺車翻滾試驗僅代表了不到1%的翻滾事故。

由此可見，根據(jù)國外的統(tǒng)計研究結(jié)果，絆翻試驗方法（包括路緣絆翻試驗與沙地翻滾試驗）、螺旋翻滾試驗方法、邊坡翻滾試驗方法代表了乘用車及輕卡80%以上的翻滾事故，因此這幾種試驗方法是最具代表性，與翻滾事故場景關(guān)聯(lián)性最高的翻滾試驗方法。

國內(nèi)謝伯元等人[8,14]研究了我國道路交通狀況與汽車翻滾事故的主要特征，并結(jié)合我國的實(shí)際情況，提出了更適用于我國的翻滾試驗方法及加載參數(shù)設(shè)置。

1）地面絆翻事故主要發(fā)生在二級、三級公路上，一般最大車速為80 km/h。根據(jù)我國翻滾事故統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，事故碰撞角度最大為33.8°、最小為4.2°。絆翻試驗中，42 km/h的橫向速度可以代表汽車在80 km/h、以車道線成32°沖出公路的情況，該試驗方法基本能夠覆蓋此類翻滾事故。

2）路緣絆翻事故主要是由于路緣石引起的，多發(fā)生在城市公路與等級公路上，而我國城市道路路緣以150 mm最常見，等級公路常設(shè)置為120 mm。因此橫向42 km/h的速度、150 mm以上的路緣高度基本可以覆蓋此類翻滾事故。

3）螺旋翻滾事故主要源于汽車沖上護(hù)欄結(jié)構(gòu)或者路溝背坡?；谖覈壳暗淖o(hù)欄現(xiàn)狀，斜坡高度應(yīng)大于800 mm，角度應(yīng)大于15.1°，因此階梯斜坡的試驗方式更適合我國的實(shí)際情況。

4）邊坡墜翻事故主要發(fā)生在沒有護(hù)欄防護(hù)的邊坡路段。我國二級以上公路中不設(shè)置護(hù)欄的條件為：邊坡坡度1:1（45°）以上，路堤高度2.5 m以下；邊坡坡度1:2（26.6°）、路堤高度4.5m以下。因此考慮我國的實(shí)際，邊坡試驗時，坡度應(yīng)設(shè)置為至少45°，坡高不小于2.5 m。

4 數(shù)值模擬發(fā)展現(xiàn)狀

除了采用實(shí)驗室復(fù)現(xiàn)的方式開展翻滾安全性研究以外，隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬逐漸成為研究翻滾安全性的重要手段。目前，數(shù)值仿真模型主要分為2種類型，多剛體模型及有限元模型。

多剛體模型主要采用ADAMS、MADYMO等多體動力學(xué)軟件，重建三維翻滾事故的運(yùn)動場景，以獲得翻滾過程相關(guān)動力學(xué)參數(shù)的變化特征。例如，西門子公司曾同時采用ADAMS、MADYMO對路肩絆翻、沙地絆翻、螺旋翻滾、邊坡翻滾試驗進(jìn)行了研究，預(yù)測了汽車翻滾的運(yùn)動狀況[23]。McCoy等人[24]運(yùn)用MADYMO建立了汽車翻滾多剛體模型，模擬了車輛絆翻試驗、螺旋翻滾試驗和魚鉤翻滾試驗，仿真結(jié)果和試驗吻合較好。但是，多剛體模型無法準(zhǔn)確模擬翻滾碰撞過程中的結(jié)構(gòu)變形與響應(yīng)，只適用于定性分析，因而對翻滾安全性評估的支撐有限。

有限元模型主要是采用以LS-DYNA為代表的非線性有限元分析軟件，來獲取翻滾碰撞過程中車體結(jié)構(gòu)、車載人員或產(chǎn)品的變形與動態(tài)響應(yīng)情況。例如，有文獻(xiàn)中關(guān)于絆翻試驗中假人動態(tài)響應(yīng)的研究[25]，以及翻滾碰撞初始參數(shù)對車體和乘員動態(tài)響應(yīng)的影響研究等[26-29]。但是，翻滾事故全過程的持續(xù)時間較長，由于計算規(guī)模的限制，為了保證計算精度，有限元模型一般僅用于分析車輛與地面碰撞接觸這一短時間內(nèi)車體結(jié)構(gòu)的變形與響應(yīng)情況。

目前依靠單個數(shù)值模型，無法既保證計算精確度，同時實(shí)現(xiàn)對翻滾過程運(yùn)動學(xué)特征、結(jié)構(gòu)變形和動態(tài)響應(yīng)等結(jié)果在內(nèi)的全過程模擬。因此，目前的趨勢是采用多剛體模型與有限元模型耦合、聯(lián)合仿真技術(shù)，即采用多剛體模型重現(xiàn)翻滾事故，獲得翻滾碰撞時刻的初始運(yùn)動狀態(tài)參數(shù)，然后以此作為有限元模型的邊界條件，計算得出該狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)變形與動態(tài)響應(yīng)。例如，Parent[26-27]、Yan[28]、Jiang[29]等人均采用MADYMO與LS-DYNA聯(lián)合的仿真方式，來研究翻滾過程中車輛結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)及乘員頭部的損傷機(jī)理，以及不同初始碰撞參數(shù)的影響分析。

5 結(jié)語

通過大量文獻(xiàn)的調(diào)研可知，目前國內(nèi)外對于翻滾事故的成因與場景特征有了一些關(guān)鍵性認(rèn)識，且經(jīng)歷多年的發(fā)展，形成了與各種翻滾事故類型所對應(yīng)的翻滾事故室驗室模擬方法，數(shù)值模擬技術(shù)也取得了較大的進(jìn)步。這些成果都為翻滾碰撞安全性研究的發(fā)展起到很大的推動作用，但仍有很多的不足。

首先，缺乏科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆瓭L事故統(tǒng)計數(shù)據(jù)。國外目前對于翻滾事故數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析對象具有局限性，主要針對乘用車與輕卡，未尚涉及到中大型運(yùn)輸車輛。國內(nèi)目前對翻滾事故的定義、分類則與國外有較大區(qū)別，對于翻滾事故的樣本采集也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，事故分析結(jié)果千差萬別。

其次，缺乏翻滾試驗方法與事故場景相關(guān)性的科學(xué)評價機(jī)制。目前，對于翻滾試驗方法與事故場景的關(guān)聯(lián)性分析不足，很多結(jié)論來源于簡單的主觀分析與經(jīng)驗，理論基礎(chǔ)匱乏。這直接影響了翻滾試驗方法及相關(guān)加載參數(shù)選擇的合理性，也可能是目前尚無針對整車動態(tài)翻滾試驗強(qiáng)制性法規(guī)的原因之一。此外，數(shù)值模擬能力仍不足。數(shù)值模型過于簡化，精細(xì)化程度不高，對翻滾全過程的仿真能力有限，對于翻滾碰撞過程中損傷機(jī)理的研究不夠深入。

未來，需進(jìn)一步針對我國的實(shí)際情況，建立更詳細(xì)完整的翻滾事故數(shù)據(jù)庫，更加深入地開展數(shù)據(jù)分析，以獲得適用于我國的更為準(zhǔn)確的翻滾事故場景特征。其次，需建立翻滾試驗方法與事故場景相關(guān)性的科學(xué)評價機(jī)制，形成科學(xué)有效的翻滾試驗方法與規(guī)范。數(shù)值模擬方面，需以多剛體模型與有限元模型耦合為基本思路，建立更精細(xì)化的數(shù)值仿真模型，提高計算效率，實(shí)現(xiàn)翻滾全過程的精確仿真能力。