摩擦系數(shù)對(duì)護(hù)欄功能影響分析

馮永飛

摘要：以車輛與波形梁護(hù)欄之間的摩擦系數(shù)為切入點(diǎn)，采用計(jì)算機(jī)仿真模擬方法建立三維有限元模型，分析在不同摩擦系數(shù)條件下護(hù)欄各項(xiàng)功能所受到的影響。分析表明，隨著摩擦系數(shù)增大，護(hù)欄對(duì)車輛的減速緩沖作用有所增強(qiáng)，但是護(hù)欄的導(dǎo)向功能、阻攔功能均有不同程度的降低，使得出現(xiàn)二次事故、惡性事故的幾率大大增加。因此在實(shí)踐中建議盡量采用摩擦系數(shù)較小的護(hù)欄材料并加強(qiáng)施工管理。

關(guān)鍵詞：波形護(hù)欄；摩擦系數(shù)；撞擊；有限元分析

中圖分類號(hào)：U417.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Abstract： Beginning with the friction coefficient between the vehicles and W-beam guardrails， a three-dimensional finite element model was built to study the impact of friction coefficient on guardrails functions. According to the analysis， with the increase of friction coefficient， the function of guardrail as a buffer is enhanced， while the navigation and blocking functions is weakened. Therefore， guardrails with minor friction coefficient are recommended.

Key words： W-beam guardrail； friction coefficient； impact； finite element analysis

0 引 言

隨著中國(guó)交通運(yùn)輸行業(yè)的飛速發(fā)展，交通安全成為全社會(huì)日益關(guān)注的熱點(diǎn)，如何有效地解決交通安全問(wèn)題已成為擺在交通行業(yè)從業(yè)人員面前的難題。護(hù)欄作為一種重要的交通安全設(shè)施已經(jīng)廣泛地被應(yīng)用于各等級(jí)公路中，在防止惡性交通事故方面發(fā)揮了非常重要的作用。護(hù)欄具有阻擋碰撞車輛穿越、翻越、騎跨的阻擋功能；能夠提供有效降低對(duì)碰撞車輛和車內(nèi)乘員損害程度的緩沖功能；能夠使碰撞車輛向行車方向順利導(dǎo)出并恢復(fù)運(yùn)行狀態(tài)的導(dǎo)向功能[1]。另外，護(hù)欄還具有一定的視線誘導(dǎo)功能。

中國(guó)在護(hù)欄研究方面起步較晚，還處于不成熟、不系統(tǒng)的階段。目前科研人員常采用的護(hù)欄研究方法主要有三種：實(shí)車足尺碰撞試驗(yàn)、縮尺模型試驗(yàn)、計(jì)算機(jī)仿真研究[2]。實(shí)車足尺碰撞試驗(yàn)是指按照《公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》的相關(guān)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)分析，但由于費(fèi)用過(guò)大、再現(xiàn)性差，一般情況下很少采用該實(shí)驗(yàn)；而隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，具有的可重復(fù)性強(qiáng)、參數(shù)化建模、費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)的計(jì)算機(jī)仿真研究得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[3]。2004年黃紅武、莫?jiǎng)畔璧炔捎肔S-DYNA有限元軟件對(duì)影響護(hù)欄性能的相關(guān)因素進(jìn)行了研究[4]。摩擦系數(shù)作為一項(xiàng)重要的影響因素在他們的研究中被揭示出來(lái)，本文將以他們的研究作為切入點(diǎn)，通過(guò)建立波形梁護(hù)欄的三維有限元模型來(lái)研究護(hù)欄與車輛之間的摩擦系數(shù)的變化對(duì)于護(hù)欄各項(xiàng)功能的影響，從而揭示其中的一些規(guī)律，為護(hù)欄材料選取、加工制作、施工安裝等提供有益的參考。

1 模型的建立

本文中的波形梁三維有限元模型大體按照《公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B05-01—2013）中的相關(guān)要求建立。

1.1 幾何模型建立

本文以二波型鋼護(hù)欄為例進(jìn)行分析，按照現(xiàn)行的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)建立波形梁三維有限元模型。為方便后文論述，在建模時(shí)將車道方向設(shè)為X軸方向，水平面內(nèi)垂直于行車方向設(shè)置為Y軸方向，垂直于路面的方向設(shè)為Z軸方向（下文同）。二波型護(hù)欄板截面如圖1所示。立柱采用Φ140 mm×2 150 mm×4.5 mm規(guī)格，防阻塊采用200 mm×196 mm×178 mm尺寸。護(hù)欄立柱埋設(shè)深度為1 400 mm，外露高度為750 mm，波形梁板中心到路面高度為600 mm。車輛按照《公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B05-01—2013）中小型車輛規(guī)格建模，參數(shù)見(jiàn)表1，并且根據(jù)試驗(yàn)條件要求將車輛與護(hù)欄的初始碰撞角度設(shè)為20°。本例中路面不作為研究對(duì)象，因此將路面設(shè)為剛體，使其不參與受力分析。

1.2 材料參數(shù)確定

護(hù)欄一般采用Q235碳素鋼制造，在遭受車輛碰撞后一般會(huì)產(chǎn)生塑性變形，因此有必要為護(hù)欄材料賦予塑性材料參數(shù)。本例中護(hù)欄的材料參數(shù)為：彈性模量為200 GPa，泊松比為0.3，密度取7 800 kg·m-3，塑性參數(shù)采用參考相關(guān)數(shù)值。

1.3 相互作用建立

為簡(jiǎn)化非主要因素，將護(hù)欄與防阻塊、防阻塊與立柱之間的螺栓連接簡(jiǎn)化為T(mén)ie（綁定）約束。在汽車與路面之間建立Contact（接觸）約束，并且根據(jù)試驗(yàn)時(shí)車輛應(yīng)處于自由狀態(tài)的要求，設(shè)定路面與車輪之間為光滑接觸，摩擦系數(shù)為0。將車輛與護(hù)欄之間的碰撞接觸面作為研究重點(diǎn)，在其上建立General Contact（通用接觸），這樣在護(hù)欄與車輛碰撞過(guò)程中系統(tǒng)可以不斷自動(dòng)尋找接觸面，使得模擬更加接近實(shí)際。在此接觸關(guān)系中設(shè)定不同的摩擦系數(shù)，便可以模擬在不同摩擦系數(shù)情況下，車輛碰撞護(hù)欄后護(hù)欄相關(guān)功能的發(fā)揮效果。

1.4 邊界條件與預(yù)定義場(chǎng)

對(duì)于剛體路面，在其參考點(diǎn)（RP）上施加完全固定邊界條件約束其全部自由度。為節(jié)省計(jì)算機(jī)資源，模型只建立了3節(jié)工12 m的實(shí)體波形梁護(hù)欄，為使模擬不失真，在護(hù)欄板兩端分別施加關(guān)于橫斷面對(duì)稱的約束[5-6]。

重力預(yù)定義場(chǎng)可以使整個(gè)模型處于重力環(huán)境下，取g=9.8 m·h-2；試驗(yàn)中車輛碰撞的初始速度為100 km·h-1，因此在預(yù)定義場(chǎng)模塊中還應(yīng)建立一個(gè)作用于試驗(yàn)車輛的速度場(chǎng)。endprint

將建立的模型采用C3D8R單元（8節(jié)點(diǎn)3維縮減積分單元）進(jìn)行網(wǎng)格劃分并設(shè)定不同的摩擦系數(shù)后，分別提交Dynamic Explicit（顯示動(dòng)態(tài)）求解器求解。

2 功能影響分析

2.1 對(duì)車輛運(yùn)行形態(tài)的影響

通過(guò)對(duì)不同摩擦系數(shù)情況下模擬結(jié)果的分析，可以將碰撞后車輛的運(yùn)行形態(tài)分為三種情況。

（1） 當(dāng)車輛與護(hù)欄接觸面之間的摩擦系數(shù)小于0.25時(shí)，護(hù)欄對(duì)車輛具有良好的導(dǎo)向作用，使碰撞后車輛與護(hù)欄能夠較好地貼合，碰撞車輛能夠平緩地沿護(hù)欄駛出，駛出角度較小，如圖2所示。

（2） 當(dāng)車輛與護(hù)欄接觸面之間的摩擦系數(shù)介于0.25～0.36之間時(shí)，護(hù)欄對(duì)車輛的導(dǎo)向性有所下降，車輛碰撞后會(huì)出現(xiàn)甩尾現(xiàn)象，即在車頭與護(hù)欄碰撞后，車尾會(huì)與護(hù)欄發(fā)生二次碰撞，使車輛及乘員遭受二次傷害，同時(shí)還可能降低駕駛員對(duì)車輛的操控性。另外車輛碰撞后的駛出角也相較于第一種情況大（圖3），說(shuō)明護(hù)欄的導(dǎo)向性已有所降低，車輛有可能沖向相鄰車道。

（3） 當(dāng)車輛與護(hù)欄接觸面之間的摩擦系數(shù)超過(guò)0.37時(shí)，車輛碰撞后會(huì)出現(xiàn)掉頭（圖4）甚至翻滾。這將給事故車輛帶來(lái)極大的傷害并且極易導(dǎo)致與后車、相鄰車道車輛發(fā)生二次事故，所以此時(shí)護(hù)欄不僅不能起到導(dǎo)向作用反而成為了一種潛在危害。

2.2 對(duì)碰撞后車輛動(dòng)能的影響

護(hù)欄通過(guò)變形、摩擦等方式使車輛的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為護(hù)欄的變形能、熱能等，從而起到緩沖作用。要研究護(hù)欄的緩沖作用，可以從車輛碰撞后的動(dòng)能作為著眼點(diǎn)。將模擬結(jié)果中的車輛駛離護(hù)欄后的動(dòng)能提取、整理后得到圖5所示曲線。

從圖5中可以看到，隨著摩擦系數(shù)的增大，車輛碰撞后剩余的動(dòng)能逐漸減小，說(shuō)明較大的摩擦系數(shù)有助于碰撞車輛降低車速，能更有效地將車輛原有的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為護(hù)欄變形能、熱能等，增強(qiáng)了護(hù)欄的減速性能作用。再將系統(tǒng)生成的具有代表性的、不同情況下車輛動(dòng)能隨時(shí)間的變化曲線（圖6、7）進(jìn)行分析。從動(dòng)能變化曲線可以看到，在摩擦系數(shù)較小時(shí)，動(dòng)能變化曲線是一條光滑下降曲線；而當(dāng)摩擦系數(shù)介于025～0.36之間時(shí)，動(dòng)能曲線中出現(xiàn)一段停滯平臺(tái)，之后繼續(xù)下降，這一現(xiàn)象正是車輛甩尾造成的。

2.3 對(duì)車輛行程的影響

車輛與護(hù)欄碰撞后會(huì)繼續(xù)向前行駛，而在垂直于行車方向則會(huì)先向路側(cè)擠壓護(hù)欄使護(hù)欄變形，隨后由于護(hù)欄的阻擋作用車輛又會(huì)向路內(nèi)回彈，形成圖8所示的Y方向位移曲線。車輛碰撞后繼續(xù)行駛的距離將關(guān)系到車輛會(huì)不會(huì)影響到相鄰車道，在一定程度上該項(xiàng)指標(biāo)也是護(hù)欄安全性的體現(xiàn)。將碰撞后0.7 s內(nèi)車輛的位移進(jìn)行提取匯總后得到圖9、10（當(dāng)摩擦系數(shù)大于037后車輛發(fā)生掉頭翻滾等現(xiàn)象必然影響相鄰車道，因此未列出）。

從圖9中可知，隨著車輛與護(hù)欄接觸面摩擦系數(shù)的增大，車輛碰撞后沿行車方向的行程逐漸減小，這與前面所得到的關(guān)于動(dòng)能的結(jié)論是一致的。在與行車方向垂直的方向（圖10），也基本呈現(xiàn)隨著摩擦系數(shù)增大行程逐漸減小的趨勢(shì)，這說(shuō)明在一定范圍內(nèi)，車輛與護(hù)欄之間較大的摩擦系數(shù)可以有效降低車速，減小碰撞后車輛的運(yùn)動(dòng)距離，也就是車輛留在試驗(yàn)要求的導(dǎo)出框范圍的可能性增大了，減小了事故的影響范圍，也減小對(duì)相鄰車道的干擾以及發(fā)生二次事故的可能性。

對(duì)于摩擦系數(shù)大于0.37的情況需要特別注意，圖11為摩擦系數(shù)為0.45時(shí)車輛碰撞過(guò)程中在行車方向的位移曲線，可以看到位移曲線出現(xiàn)了下降段，這表明車輛出現(xiàn)了掉頭、翻轉(zhuǎn)等現(xiàn)象。圖12則是車輛尾部某節(jié)點(diǎn)在Z方向（垂直于路面）的位移曲線，可以看到車輛在碰撞過(guò)程中出現(xiàn)了將近1 m的跳升，這樣極易導(dǎo)致車輛發(fā)生翻滾等惡性事故，所以特別大的摩擦系數(shù)會(huì)使車輛失去控制，護(hù)欄不能起到保護(hù)車輛的作用。

2.4 對(duì)最大動(dòng)態(tài)變形量的影響

護(hù)欄最大動(dòng)態(tài)變形量是在車輛與護(hù)欄碰撞過(guò)程中沿護(hù)欄的垂直方向護(hù)欄所產(chǎn)生的最大動(dòng)態(tài)變形量?！陡咚俟纷o(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG/T F83-01—2004）中規(guī)定，半剛性雙波護(hù)欄最大動(dòng)態(tài)變形量應(yīng)小于或等于100 cm，若超出規(guī)定范圍會(huì)出現(xiàn)車輛越出路外等惡性事故。將模擬過(guò)程中的護(hù)欄最大位移量提取匯總，如圖13所示。由圖中曲線可以看到，當(dāng)車輛與護(hù)欄之間的摩擦系數(shù)增大時(shí)，最大動(dòng)態(tài)位移量也隨之增大，并且當(dāng)摩擦系數(shù)值增大到04時(shí)，動(dòng)態(tài)最大位移已接近100 cm規(guī)定的極限值，而且在之后增加速度急速加劇，當(dāng)摩擦系數(shù)增加到0.45時(shí)，其值增大到150 cm，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)規(guī)定值。說(shuō)明摩擦系數(shù)增大對(duì)于護(hù)欄的阻擋作用是不利的，而且過(guò)大的摩擦系數(shù)可能誘發(fā)車輛翻滾等嚴(yán)重事故。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)上述分析可以得到結(jié)論：車輛與護(hù)欄接觸面之間的摩擦系數(shù)對(duì)于護(hù)欄在受到車輛碰撞時(shí)各項(xiàng)作用的發(fā)揮具有重要影響。較大的摩擦系數(shù)雖然能在一定程度上增強(qiáng)對(duì)車輛的減速效果，但攔阻和導(dǎo)向功能將下降。為防止車輛發(fā)生二次碰撞、掉頭、翻越護(hù)欄、翻滾等惡性危害，建議采用摩擦系數(shù)較小的護(hù)欄。在生產(chǎn)實(shí)踐中需要加強(qiáng)護(hù)欄材料與安裝施工質(zhì)量的管理，嚴(yán)格控制護(hù)欄板防腐層（鍍鋅層）質(zhì)量，嚴(yán)禁出現(xiàn)流掛、結(jié)塊、滴瘤等現(xiàn)象，同時(shí)也建議在護(hù)欄檢驗(yàn)中增加一項(xiàng)摩擦系數(shù)檢驗(yàn)。而在施工中則應(yīng)注意拼接螺栓的緊固，避免螺栓帽絆掛車輛，對(duì)于護(hù)欄板搭接方向錯(cuò)誤也是決不允許出現(xiàn)的，這種情況會(huì)極大的增大護(hù)欄摩阻力，導(dǎo)致車輛掉頭、翻滾等嚴(yán)重事故，甚至?xí)l(fā)生護(hù)欄貫穿車輛的惡性事故。

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[責(zé)任編輯：杜衛(wèi)華]endprint