半剛性雙波護欄與雙條半剛性護欄防撞性能仿真對比

劉建勛，唐 輝，張翼峰，黃 濤，李小松

(1.重慶交通大學(xué)交通運輸學(xué)院，重慶400074;2.吉利汽車研究院，浙江杭州311228;3.重慶市公安局，重慶400000;4.凱盛重工有限公司，安徽 淮南232058;5.蘇州先鋒物流裝備科技有限公司，江蘇 蘇州215164)

近年來，隨著我國汽車保有量和高速公路里程的不斷增加，公路上發(fā)生的交通事故也在逐年上升，其中近1/3的事故是由汽車與護欄碰撞造成的。汽車的微型化、大型化和重型化又使得現(xiàn)有護欄防御性能不斷下降，每年造成巨大的人員傷亡和財產(chǎn)損失。為適應(yīng)汽車結(jié)構(gòu)日趨差異化，研發(fā)新型防撞護欄是保障高速公路行車安全的有效措施之一。

一般認(rèn)為，公路上的安全護欄應(yīng)盡量實現(xiàn)以下功能［1－2］:①阻止車輛越出路外;②護欄應(yīng)能使車輛回復(fù)到正常行駛方向;③發(fā)生碰撞時，對乘員的損傷程度最低;④能誘導(dǎo)駕駛員的視線。車輛越出路外的常見事故有:下鉆、騎跨、翻車等。當(dāng)車輛出現(xiàn)此類現(xiàn)象時，由于高速運行的車輛在很短的時間內(nèi)使車輛停止，造成沖擊加速度數(shù)倍增加，此時乘員的安全無法保障，因此諸如此類現(xiàn)象是不允許發(fā)生的［3］。然而，當(dāng)前世界上生產(chǎn)的汽車從大噸位的重型汽車到很小的微型汽車，其質(zhì)量相差非常懸殊，車輛外形變化很大。轎車為減少空氣阻力，前車蓋更符合流線型而變低，向著微型化方向發(fā)展;同時貨車噸位越來越大，已日趨大型化和重型化。不難發(fā)現(xiàn)，汽車的微型化、大型化和重型化加劇了車輛與護欄碰撞時的下鉆、騎跨等事故的發(fā)生。可見，研發(fā)一種可以防御多種車型的新型護欄結(jié)構(gòu)勢在必行。

筆者基于ANSYS/LS-DYNA仿真平臺，對半剛性雙波護欄和雙條半剛性護欄［4］進行對比分析，著重探討兩種護欄在護欄變形、車輛運行軌跡和乘員安全性等方面的差異，為工程應(yīng)用提供參考。

1 計算模型的建立

1.1 護欄模型

半剛性護欄一般由護欄板、防阻塊和立柱等構(gòu)件組成。半剛性雙波護欄的護欄板為W型結(jié)構(gòu)，幾何尺寸如圖1。而雙條半剛性護欄則在前者護欄板的下方增設(shè)一條U型護欄板，配置相應(yīng)的防阻塊，其幾何尺寸如圖2。運用CATIA軟件建立幾何模型，生成iges文件，導(dǎo)入HyperMesh平臺中建立有限元模型。護欄單元類型采用*SECTION_SHELL四節(jié)點殼體單元，選用Belytschko-Tsay單元算法，殼體單元厚度方向上采用兩個高斯積分點，以適應(yīng)塑性變形的同時提高模型的計算速度。模型采用*MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY(24號)彈塑性材料類型，護欄材料參數(shù)為:密度ρ=7.865×103kg/m3，彈性模量E=2.0 ×105MPa、泊松比 v=0.27，屈服應(yīng)力 σy=310 MPa，剪切模量G=763 MPa，應(yīng)變率參數(shù) C=40，P=5。護欄板主要接觸部位單元大小設(shè)置為20 mm，非主要接觸部位單元設(shè)置為50 mm，各個部件間采用SPOTWELD點焊單元模擬螺栓的連接。這樣建立的半剛性雙波護欄模型共包括28 628個單元，29 654個節(jié)點，雙條半剛性護欄模型共包括40 414個單元，42 350個節(jié)點。

圖1 半剛性雙波護欄結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of semi-rigid double-wave guardrail

圖2 雙條半剛性護欄結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of double semi-rigid guardrail

1.2 土壤模型

為有效模擬實際汽車與護欄碰撞情況，需建立土壤模型，以模擬碰撞過程中土壤對立柱的約束作用。土壤材料采用(14號材料)*MAT_SOIL_AND_FOAM_FAILU RE，該材料模型假定土體在豎直方向逐級變化，不形成分層。路基壓實土體密度ρ=1.874 ×103kg/m3，泊松比 v=0.35，剪切模量G=49.5 MPa，拉伸終止應(yīng)力 Pc= －0.55 MPa，體積模量 K=134.55 MPa［5－6］。

1.3 汽車模型

由于汽車整車一般包含了成百上千個零部件，其建模工作量十分巨大，目前公認(rèn)的一個整車建模工作量是3人/年［7］，由于研究時間及經(jīng)費等因素的制約，筆者選用美國國家碰撞分析中心NCAC(The National Crash Analysis Center)平臺上的某轎車模型和某貨車模型參與護欄性能的研究，其相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表1。根據(jù)汽車與護欄實際碰撞的需要，對兩車模型進行局部調(diào)整，調(diào)整后轎車模型包括769 035個單元，663 680個節(jié)點;貨車模型包括個28 970單元，30 020個節(jié)點。有限元模型如圖3。

表1 汽車主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of vehicles

圖3 汽車有限元模型Fig.3 Geometric model of vehicles

1.4 汽車與護欄耦合模型

按照我國 JTG/T F83－01—2004《高速公路護欄安全性能評價標(biāo)準(zhǔn)》中的初始碰撞條件，確定汽車與護欄碰撞試驗方案，如表2。車輛與護欄碰撞的整體耦合模型中，在0勢能面處利用*RIGIDWALL_PLANAR建立以z軸為矢量方向的剛性墻，以模擬地面作用;利用*LOAD_BODY_Z施加重力載荷，模擬實際重力場效果;土壤外部利用*BOUNDARY_SPC_NODE進行6自由度固定，模擬實際土壤的約束作用;利用*INITIAL_VELOCITY_GENERATION加載車輛的初始速度。試驗方案中，護欄自身接觸類型為*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE，車輛與護欄接觸類型為*CONTACT_AUTOMATIC_NODES_TO_SURFACE。

表2 試驗方案Table 2 Test scheme

2 計算結(jié)果分析

目前，在歐美、日本和中國等國家，進行定量評價車輛碰撞護欄的安全指標(biāo)包括:車輛運行軌跡、乘員安全性和護欄變形量。我國F83標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定:①車輛碰撞后的駛出角度應(yīng)小于碰撞角度的60%;②乘員安全性的評價，可以根據(jù)汽車正面碰撞法規(guī)要求的指標(biāo)進行直接判定(即:HPC≤1 000、HTPC≤75 mm、FPC≤10 kN)或者通過車體加速度進行間接判定(即:車體3個方向加速度數(shù)值均小于或等于20 g時，不會對車內(nèi)乘員造成嚴(yán)重傷害);③半剛性雙波護欄最大動態(tài)變形量應(yīng)小于或等于100 cm。筆者以該標(biāo)準(zhǔn)中的3個安全指標(biāo)作為評價護欄安全與否的主要依據(jù)。

2.1 車輛運行軌跡

圖4為車輛與半剛性雙波護欄碰撞視圖。可以看出，某轎車因流線型設(shè)計降低發(fā)動機蓋高度，使得與傳統(tǒng)波形護欄碰撞時發(fā)生了下鉆事故;某貨車則是大型、重型化車輛，在與傳統(tǒng)波形護欄碰撞時發(fā)生了騎跨事故。當(dāng)車輛出現(xiàn)下鉆和騎跨現(xiàn)象時，車內(nèi)乘員安全無法保障，因此這些事故是不允許發(fā)生的。

圖4 車輛與半剛性護欄碰撞視圖Fig.4 Crash view between vehicle and semi-rigid guardrail

圖5為車輛與雙條半剛性護欄碰撞過程中車輛航向角變化曲線。通過仿真試驗結(jié)果分析，某轎車與新型護欄碰撞后的駛出角度為10°，某貨車約為11°，均小于評價標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的駛?cè)虢堑?0%。因此，雙條半剛性護欄能有效防止車輛下鉆和騎跨事故的發(fā)生，同時能較好的引導(dǎo)車輛返回至正常行駛方向。

2.2 乘員安全性

以車體加速度進行乘員安全性評價，選取某轎車重心處2 000 901號節(jié)點和某貨車重心處23 221號節(jié)點的原始加速度值，經(jīng)過SAE(10 Hz)過濾得到各組加速度曲線圖(圖6)，再對曲線進行時段平均值處理，最終得到試驗1關(guān)于x、y和z方向加速度的平均值為41.820 7 g，16.848 4 g 和8.700 5 g;試驗2 的值為16.392 8 g、9.517 2 g 和3.748 5 g;試驗3的值為 19.355 1 g 、6.955 9 g 和 0.457 8 g;試驗 4的值為 19.644 33 g、5.565 33 g 和 3.473 07 g。

不難發(fā)現(xiàn)，試驗1發(fā)生的下鉆事故引起車體最大加速度大于規(guī)定值20 g，車內(nèi)乘員安全無法得到保障;試驗2發(fā)生的騎跨事故引起的車體加速度雖在安全值范圍內(nèi)，但從騎跨事故容易引發(fā)汽車沖出護欄與逆行車道的車輛造成二次碰撞事故的可能性角度考慮，其危害性也是極大的;試驗3和試驗4中的x方向加速度的平均值盡管緊鄰20 g，但都在規(guī)定范圍之內(nèi)。因此，可以認(rèn)為雙條半剛性護欄保證了乘員的安全。

圖6 車體加速度曲線Tab.6 Acceleration curve of vehicles

2.3 護欄變形量

由于試驗1和試驗2發(fā)生了安全評價標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的不允許發(fā)生的事故，因此對采用了半剛性雙波護欄的試驗1、2進行護欄變形量的討論失去了意義。試驗3、4的護欄變形量如圖7。從圖中可知，雙條半剛性護欄在受到某轎車與貨車的碰撞情況下，護欄的最大位移量分別約為800，600 mm，均小于評價標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定值。

圖7 雙條半剛性護欄最大位移曲線Fig.7 Max displacement curve of the double-bar semi-rigid guardrail

3 結(jié) 論

通過對半剛性雙波護欄和雙條半剛性護欄與轎車與貨車碰撞仿真研究及對比分析可以得到如下結(jié)論:

1)隨著汽車的微型化、大型化和重型化發(fā)展，車輛與半剛性雙波護欄發(fā)生碰撞時，部分車輛容易發(fā)生下鉆和騎跨等事故，在護欄安全評價標(biāo)準(zhǔn)中是不允許發(fā)生的;而車輛與雙條半剛性護欄發(fā)生碰撞時，則能較好的避免此類事故的發(fā)生。

2)通過與某轎車與貨車的碰撞仿真試驗，半剛性雙波護欄和雙條半剛性護欄在車輛運行軌跡、乘員安全性和護欄變形量3個安全評價指標(biāo)上進行了對比分析。研究表明，后者優(yōu)于前者。

3)具有良好防撞性能的雙條半剛性護欄可以為實車實驗和工程實際應(yīng)用提供參考，同時各種新型護欄結(jié)構(gòu)的設(shè)計與開發(fā)將成為我國高速公路防撞護欄的主要發(fā)展方向。

［1］JTJ 074—94高速公路交通安全設(shè)施設(shè)計及施工技術(shù)規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2003.

［2］張鵬，周德源，馮英攀.基于數(shù)值模擬的半剛性護欄性能優(yōu)化［J］.同濟大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2008，36(11):1531 －1536.Zhang Peng，Zhou Deyuan，F(xiàn)eng Yingpan.Behavior optimization of semi-rigid guardrail based on numerical simulation ［J］.Journal of Tongji University:Natural Science，2008，36(11):1531－1536.

［3］JTG/T F 83－01—2004高速公路護欄安全性能評價標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［4］唐輝.高速公路雙條半剛性護欄設(shè)計及碰撞仿真研究［D］.重慶:重慶交通大學(xué)，2011:30－46.

［5］張維剛，胡高賢.土基中波形梁護欄立柱的有限元模型研究［J］.公路交通科技，2007，24(7):143 －146.Zhang Weigang，Hu Gaoxian.Finite element model of a W-beam guardrail post mounted in soil［J］.Journal of Highway and Transportation Research and Development，2007，24(7):143 －146.

［6］Schauer D F，Tokarz G K.Preliminary vehicle in pact simulation technology advancement［M］.Washington，D.C.:Federal Highway Administration，1997.

［7］鐘志華，張維鋼，何文.汽車碰撞安全技術(shù)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2003:77－78.