室內(nèi)停車場防撞帶設(shè)計的碰撞仿真分析

吳中，蘇治北

（河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，江蘇南京210098）

室內(nèi)停車場防撞帶設(shè)計的碰撞仿真分析

吳中，蘇治北

（河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，江蘇南京210098）

針對室內(nèi)停車場碰撞事故的傷害問題，提出了停車場防撞帶的設(shè)計，建立有無防撞帶的車輛碰撞模型，并對長方體防撞帶與波浪形防撞帶進行性能分析比較，運用LS-DYNA軟件對車輛、防撞帶以及墻體碰撞進行仿真模擬。得到防撞帶和車輛翼子板的等效應(yīng)力分布和能量轉(zhuǎn)化情況，證實了防撞帶能有效減少車輛的損害程度，且長方體防撞帶效果更好。

室內(nèi)停車場；防撞帶；翼子板；碰撞；LS-DYNA仿真

隨著城市化進程的明顯加快與城市交通快速發(fā)展，城市室內(nèi)、地下和空中立體停車場得到長足發(fā)展，車輛在狹小空間回旋的防撞以及減少車輛與建筑部件的傷害問題也日益突顯。停車場內(nèi)除加強或改善車輛進出管理外，在停車場適用處設(shè)置簡易的小體積防撞設(shè)施，對改善車輛在停車場內(nèi)移動的安全性有重要作用。現(xiàn)有停車場的防撞設(shè)施一般只設(shè)有護角，護角的主要用途是為停車場立柱作防護，增加反光，減少車輛與立柱碰撞的破壞程度，但也有很多小的事故是與立柱的表面或者與停車場的墻面發(fā)生摩擦或碰撞。大多數(shù)地下或樓頂停車場的出入口坡道都設(shè)計為螺旋狀或彎道，車輛容易在狹窄的彎道與墻面發(fā)生摩擦或碰撞，造成最常見的車輛前后翼子板損壞，對車主和停車場都有不同程度的損害。

針對上述情況，需要吸收撞擊能量好、安裝方便而且成本低廉的墻柱體防撞帶。橡膠材料因其吸附能力強、成本低常被用作兩物體間沖撞擠壓的緩沖材料。本文采用有限元法對車輛與防撞帶碰撞的過程進行仿真分析，先用HYPERMESH軟件建立車輛、防撞帶以及墻體的模型，并用LS-DYNA軟件進行碰撞性能的仿真計算［1］，得到車輛碰撞構(gòu)件和防撞帶的等效應(yīng)力分布以及能量轉(zhuǎn)化情況，從而檢驗防撞帶對車輛碰撞性能的作用。

1 防撞帶力學(xué)分析以及模型的建立

1.1 力學(xué)分析

車輛與防撞帶的碰撞會導(dǎo)致車輛構(gòu)件與防撞帶發(fā)生彈塑性變形，碰撞過程主要依靠變形來吸收能量，防撞帶由橡膠材料來制成。

防撞帶的橡膠作為彈性體形變化時，外力對防撞帶做功的能量儲存于橡膠中，作為彈性復(fù)原的能量，稱為彈性應(yīng)變能（即彈性儲能），它用來描述彈性體的應(yīng)力—應(yīng)變行為，通常用W來表示應(yīng)變能［2］，假設(shè)彈性體是各向同性的，應(yīng)變能W可以表示為應(yīng)變不變量的函數(shù)

式中：I1，I2，I3為應(yīng)變不變量（也稱Green應(yīng)變不變量），分別為

式中：λ1，λ2，λ3為主伸長比，下標(biāo)1，2，3分別表示3個相互正交的坐標(biāo)軸。

橡膠作為粘彈性材料，在車輛發(fā)生碰撞過程中，其剛性表面發(fā)生滑動接觸界面上的相互作用，這種作用主要包括黏附摩擦作用和黏彈摩擦作用［3］，黏附作用可以有效地將橡膠與車輛表面進行對偶表面相的貼和，該作用能減少車輛表面的刮擦程度，保持車輛表面的光滑與平整度。對于黏彈摩擦作用，通過橡膠的彈性變形和粘彈性變形來吸收車輛碰撞過程中的能量，減小車輛剛性表面的損害程度。

1.2 墻體與防撞帶

模型的墻體和防撞帶結(jié)構(gòu)都采用實體單元，實體單元的算法采用的是全量方法研究［4］。為了節(jié)省模型計算的時間，墻體采用長為3 600mm，寬為1 000mm，厚度為300mm的長方體代替，見圖1（a），墻體模型在碰撞過程中不會發(fā)生形變，所以混凝土材料采用*MAT_RIGID定義，混凝土結(jié)構(gòu)材料參數(shù)見表1。

表1 墻體的材料參數(shù)Tab.1 Thematerial parameters of the wall

防撞帶被固定于在墻體上，其橫截面中心線距地面為500mm（車輛俯視圖外邊緣與地面的距離），為了優(yōu)化設(shè)計，設(shè)計了兩種類型的防撞帶，長方體防撞帶長為3 200mm，寬為200mm，厚度為30mm，見圖1（b），波浪形防撞帶長為3 200mm，寬200mm，在長度方向上每隔200mm有一個圓弧并在其中間有一個半徑為10mm的貫穿孔，圓弧弧頂?shù)綁w的間距50mm，見圖1（c）。兩種類型的防撞帶都采用橡膠材料*MAT_BLATZ_KO_RUBBER定義，橡膠的材料參數(shù)見表2。

圖1 墻體模型Fig.1 Wallmode

表2 橡膠材料參數(shù)表Tab.2 Thematerial parameters of the rubber

在橡膠制品中，丁基橡膠的性能較為良好，故采用其為室內(nèi)停車場防撞帶的材料［5］，該類橡膠具有較強的能量吸收率，突出的氣密性和耐熱性，并且具有良好的減振性能。為了增加防撞帶的功能，可以在其表面粘貼反光材料起到導(dǎo)向的作用，該材料遇到光線照射時產(chǎn)生反光，尤其適合室內(nèi)停車場［6］。

1.3 有限元模型的建立

使用HYPERMESH軟件建立實體模型，對構(gòu)件進行網(wǎng)格劃分，按照規(guī)范要求設(shè)置各構(gòu)件間相應(yīng)的接觸類型、定義初始邊界條件、連接方式和制定求解控制參數(shù)等［7］。車輛模型采用美國國家碰撞分析中心發(fā)布的單橫臂獨立懸掛小車，Part的數(shù)量為336個，節(jié)點數(shù)為283 859個，實體數(shù)量為2 852個，單元數(shù)為270 769個，車輛重量為1.333 t。為了保證所建模型的準(zhǔn)確性，碰撞模型采用整車碰撞［8］，見圖2。模型路面采用*RIG?ID_WALL關(guān)鍵字定義，采用*AUTOMATIC_SIN?GLE_SURFACE定義車輪與路面的接觸。車輛與防撞帶和墻體的接觸也采用*AUTOMATIC_SURFACE_TO_ SURFACE。根據(jù)室內(nèi)停車場的相關(guān)規(guī)定，設(shè)定車輛與防撞帶發(fā)生碰撞的速度，為5 km·h-1，并用關(guān)鍵字*INI?TIAL_VELOCITY_GENERATION定義車輪的轉(zhuǎn)動角速度，模型碰撞角度為20°，碰撞位置選在防撞帶中間。分析駕駛員從開始踏下制動踏板到制動結(jié)束至少用時0.7 s，故模型的碰撞過程設(shè)為0.7 s，基本單位選用s，mm，t，計算單元總數(shù)量為296 272個。

圖2 車輛碰撞有限元模型Fig.2 The finite elementmodel of vehicle collision

2 模型碰撞仿真分析

LS-DYNA是世界上最著名顯式為主、隱式為輔的通用非線性動力分析有限元程序，能夠模擬真實世界的各種復(fù)雜問題，主要用于求解三維非線性結(jié)構(gòu)在碰撞、爆炸沖擊下的大變形力學(xué)相應(yīng)問題，其作為有限元求解器在汽車、軍工、航天航空領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，也是目前汽車安全分析的主要工具之一［9］。為了深入分析車輛與防撞帶和墻體碰撞的動態(tài)物理狀況，采用LS-DYNA對其碰撞過程進行仿真分析，仿真完成后采用LS-PREPOST對結(jié)果進行分析，得到車輛構(gòu)件與防撞帶的應(yīng)力、能量轉(zhuǎn)化和損害情況，以此評價防撞帶的性能特征。

2.1 防撞帶的黏合與吸能情況分析

對于沒有安裝防撞帶的模型，由于碰撞過程存在摩擦力，使得車輛在一定程度上存在刮傷，而安裝了防撞帶的模型，防撞帶由橡膠制成，可以使防撞帶與車輛表面發(fā)生對偶表面相的貼和，其作用以有效的減少車輛表面的刮傷程度，保護表面的光滑度，但由于車輛構(gòu)件的刮傷程度較淺，沒有明顯現(xiàn)象，因此這里采用理論分析。在此，為了方便模型的區(qū)分，將設(shè)定未安裝防撞帶的碰撞模型為A，安裝長方體防撞帶的碰撞模型為B，安裝波浪形防撞帶的碰撞模型為C。通過仿真實驗，安裝了不同防撞帶的模型，在車輛與防撞帶的碰撞過程中，防撞帶由于被撞擊而產(chǎn)生的應(yīng)力云圖如圖3，也會因為形變的產(chǎn)生而吸收能量，如圖4，對比圖中的吸能曲線，B模型與C模型的吸能效果相當(dāng)，但較沒有安裝防撞帶可以減少車輛構(gòu)件的損傷，起到保護車輛的效果。

圖3 防撞帶等效應(yīng)力云圖Fig.3 The Von Mises stress of anti-collision belt

2.2 車輛翼子板的等效應(yīng)力分布與能量轉(zhuǎn)化情況的分析

通過LS-DYNA軟件仿真，將讀取3個模型中碰撞構(gòu)件的應(yīng)力云圖、最大單元應(yīng)力值和碰撞構(gòu)件的吸能情況，以此來分析防撞帶的性能特征。

圖5給出了碰撞構(gòu)件的等效應(yīng)力云圖。從圖中可以看出，碰撞過程中車輛翼子板的變形不大，A模型中的單元應(yīng)力部分隨時間的增加而在增大，B模型隨時間先增大后減小，而C模型的單元應(yīng)力隨時間先增大后減小，但是減少的程度顯然沒有B模型大。對于車輛碰撞構(gòu)件的表面單元應(yīng)力情況，表3為每隔0.1 s構(gòu)件的單元最大應(yīng)力值，但這些值中并不存在碰撞模型的最大應(yīng)力值，在A模型中的最大應(yīng)力值出現(xiàn)在0.24 s時，最大應(yīng)力值為385.228 MPa，B模型中的最大應(yīng)力值出現(xiàn)在0.27 s，其值為346.460 MPa，由此數(shù)據(jù)可以得到，安裝長方體防撞帶之后，其最大應(yīng)力值比未安裝減少10.06%，可以減少碰撞車輛的損壞程度。而C模型中的最大應(yīng)力值出現(xiàn)在0.26 s時，最大應(yīng)力值為421.218 MPa，通過B模型與C模型數(shù)據(jù)對比，可以得到長方體防撞帶比波浪形防撞帶的減少應(yīng)力效果更好。

圖4 防撞帶的吸能曲線Fig.4 Energy absorption curve of anti-cdlision belt

圖5 翼子板的等效應(yīng)力云圖Fig.5 The Von Mises stress of the fender

表3 單元最大應(yīng)力值Tab.3 Unitmaximum stress valueMPa

在3個模型的碰撞過程中，能量的轉(zhuǎn)化情況反映出車輛與防撞帶和墻體碰撞的劇烈程度，同時也反映出車輛碰撞構(gòu)件與防撞帶的吸能情況，還能檢驗防撞帶的緩沖作用以及碰撞構(gòu)件的受影響程度［10］。車輛翼子板的材料內(nèi)能隨時間會產(chǎn)生一定量的增長，但也會出現(xiàn)相應(yīng)的波動。從圖6可以得出，在0.2，0.4，0.6 s時刻，B模型翼子板比A模型翼子板吸收的能量要少，少吸收的能量分別為6.935，1.775，4.480 J，能量降低的比例分別為67.1%，13.3%，25.5%。通過比較發(fā)現(xiàn)，安裝防撞帶之后，可以有效減少碰撞構(gòu)件吸收的能量，起到保護車輛的作用。通過對比圖6中B模型與C 模型的吸能結(jié)果，發(fā)現(xiàn)C模型中車輛翼子板所受的吸能更大，故碰撞對其損傷程度也就越大，導(dǎo)致此結(jié)果的原因是波浪形防撞帶的厚度大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜引起車輛翼子板的變形大，因此得到長方體防撞帶比波浪形防撞帶的效果要好，所以選用長方體防撞帶。

圖6 不同時刻3個模型翼子板的吸能曲線Fig.6 Energy absorption curve of the fender

3 結(jié)論

通過對室內(nèi)停車場適用處設(shè)置簡易的小體積防撞設(shè)施的研究，提出了防撞帶的設(shè)計方案，運用有限元軟件LS-DYNA進行仿真分析，得出以下結(jié)論：安裝防撞帶后能對發(fā)生碰撞的車輛構(gòu)件起到保護作用，車輛構(gòu)件的平均能量吸收率減少35.3%，有效減少車輛表面的損害程度；車輛構(gòu)件吸能越多，損害程度就越大，安裝長方體防撞帶比波浪形防撞帶車輛構(gòu)件的平均能量吸收率減少41.1%，故長方體防撞帶的效果更好。

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Collision Simulation Analysis of Indoor Parking Anti-collision Belt Design

Wu Zhong,Su Zhibei
(College of Civil and Transportation Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China)

Aiming at indoor parking collision damages,this paper proposes the design of anti-collision belt and es?tablishes vehicle collisionmodel with or no anti-collision belt.The rectangular anti-collision belt and wavy anticollision belt performances are analyzed through LS-DYNA for simulation of vehicle collision into the wall body. The results demonstrate the equivalent stress distribution and energy conversion of anti-collision belt and the vehi?cle fender,which confirms that the anti-collision belt can effectively reduce vehicle damage degree and the effect of the rectangular anti-collision belt is better.

indoor parking;anti-collision belt;fender;collision;LS-DYNA simulation

U492.1

A

2014-05-27

吳中（1964—），男，教授，博士，研究方向為交通規(guī)劃與管理、交通運輸信息與控制、交通流仿真、交通被動安全。

1005-0523（2014）04-0021-05