沖擊載荷下雙波梁護(hù)欄的顯示動(dòng)力學(xué)仿真

張琳　孫靜　王芳芳

摘 要：以ANSYS Workbench為仿真計(jì)算平臺(tái)，通過(guò)非線性顯示動(dòng)力學(xué)，探討護(hù)欄板變形量、護(hù)欄能量吸收能力以及質(zhì)量塊加速度曲線；對(duì)帶加強(qiáng)筋的自升高式護(hù)欄防阻塊和傳統(tǒng)六棱柱形防阻塊進(jìn)行碰撞分析對(duì)比，探究2種防阻塊高度提升量和能量吸收能力情況，并進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。分析結(jié)果表明：該護(hù)欄吸收碰撞能量能力強(qiáng)，抵抗變形能力優(yōu)越；帶加強(qiáng)筋的自升高式護(hù)欄防阻塊性能優(yōu)于傳統(tǒng)防阻塊，可為護(hù)欄的工程應(yīng)用提供有益參考。

關(guān)鍵詞：加強(qiáng)筋；防阻塊；雙波梁護(hù)欄；顯示動(dòng)力學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)：U417.12 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Explicit Dynamics Simulation of Doublewave Beam Guardrail Under Impact Load

ZHANG Lin， SUN Jing， WANG Fangfang

（College of Mechanical and Electronic Engineering， Shandong University of Science and Technology， Qingdao 266590， Shandong， China）

Abstract： The deformation， energy absorption ability of guardrail and mass acceleration curve were explored by means of nonlinear explicit dynamics in the simulation platform of ANSYS Workbench. Comparison on the impact of stiffened heightadaptive obstruction block and the traditional hexagonal prismshaped obstruction block was conducted in order to study their lift height and energy absorption capability， and parameters were optimized. The results show that the guardrail is superior in impact energy absorption and distortion resistance； stiffened heightadaptive obstruction block beats the traditional obstruction block in performance.

Key words： stiffener； obstruction block； doublewave beam guardrail； explicit dynamics

0 引 言

公路護(hù)欄是確保公路工程安全運(yùn)營(yíng)的重要防護(hù)保障，其安全防護(hù)作用已經(jīng)被人們充分認(rèn)識(shí)，對(duì)護(hù)欄的系統(tǒng)研究也在逐步展開(kāi)。作為一種確保道路交通安全的重要基礎(chǔ)設(shè)施，護(hù)欄應(yīng)具有以下作用：阻絆作用，防止車(chē)輛穿出路外[1]；校正行駛軌跡，使車(chē)輛恢復(fù)到正常車(chē)道；意外發(fā)生時(shí)降低對(duì)車(chē)內(nèi)人員的傷害；良好的視線導(dǎo)向性[2]。

目前，30%以上的高速公路事故為車(chē)輛撞擊護(hù)欄。隨著中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)車(chē)型的不斷變化，家用SUV（運(yùn)動(dòng)型多用途汽車(chē)）、重型貨車(chē)等一系列質(zhì)量大、重心高的車(chē)型比例逐年增加，加劇了這一現(xiàn)象的發(fā)生，使得中國(guó)現(xiàn)階段投入使用的護(hù)欄的安全防護(hù)作用不斷減弱[34]。

本文提出一種帶加強(qiáng)筋的自升高式護(hù)欄防阻塊，將它安裝于雙波梁護(hù)欄系統(tǒng)后，可形成一種新型雙波梁護(hù)欄。以ANSYS Workbench為平臺(tái)，采用非線性顯示動(dòng)力學(xué)算法對(duì)該護(hù)欄系統(tǒng)進(jìn)行有限元分析，著重探討護(hù)欄板變形量以及防阻塊對(duì)能量的吸收能力；對(duì)帶加強(qiáng)筋的自升高式防阻塊和傳統(tǒng)六棱柱型防阻塊進(jìn)行碰撞性能對(duì)比，探究2種防阻塊的高度提升量和能量吸收能力，并對(duì)提出的帶加強(qiáng)筋的自升高式護(hù)欄防阻塊進(jìn)行單部件參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，為工程應(yīng)用提供參考。

1 護(hù)欄系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

本文提出的新型半剛性雙波梁護(hù)欄結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括傳統(tǒng)雙波梁護(hù)欄板、H型立柱、帶加強(qiáng)筋的自升高式護(hù)欄防阻塊、連接螺栓。利用長(zhǎng)連接螺栓將防阻塊安裝在立柱的頂部，護(hù)欄板與防阻塊之間通過(guò)短連接螺栓連接[58]。參照《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D81—2006），立柱高度G取750 mm，防阻塊安裝高度H取600 mm，立柱間距L取2 000 mm，如圖1所示。

本文提出的帶加強(qiáng)筋的自升高式護(hù)欄防阻塊，包括前面板、頂板、后面板和底板；在頂板靠近護(hù)欄板的一側(cè)沖壓2個(gè)上加強(qiáng)筋，加強(qiáng)筋的長(zhǎng)度約為頂板長(zhǎng)度的3/4；在底板靠近護(hù)欄板的一側(cè)沖壓2個(gè)下加強(qiáng)筋，加強(qiáng)筋的長(zhǎng)度約為底板長(zhǎng)度的3/4；后面板由鋼板的2個(gè)接頭疊加而成，在疊加處加通孔，用于固定防阻塊，防阻塊由整塊鋼板沖壓彎制而成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。該防阻塊結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加工。

這種護(hù)欄的工作原理是：在碰撞過(guò)程中，車(chē)輛先接觸到護(hù)欄板，車(chē)輛的碰撞力傳遞到護(hù)欄板，然后護(hù)欄板向防阻塊擠壓，由于在頂板靠近護(hù)欄板一側(cè)沖壓了2個(gè)上加強(qiáng)筋，在底板靠近護(hù)欄板一側(cè)沖壓了2個(gè)下加強(qiáng)筋，頂板和底板靠近護(hù)欄板一側(cè)的強(qiáng)度高于靠近立柱一側(cè)，因此頂板和底板均在靠近立柱側(cè)先發(fā)生變形；同時(shí)由于頂板和底板均存在向上的傾角，在碰撞過(guò)程中頂板和底板將繞靠近立柱一側(cè)的拐角向上轉(zhuǎn)動(dòng)，并帶動(dòng)前面板向上抬升，從而使護(hù)欄板向上抬升，以保證護(hù)欄板的高度與車(chē)輛碰撞護(hù)欄時(shí)因上升趨勢(shì)而引起的高度抬升相一致；此外，防阻塊的上、下底板分別沖壓了2個(gè)加強(qiáng)筋，提高了防阻塊的能量吸收能力。

2 護(hù)欄系統(tǒng)分析

分析時(shí)用質(zhì)量塊模擬車(chē)輛，尺寸為400 mm×320 mm×300 mm，設(shè)置為剛性，質(zhì)量塊正面碰撞護(hù)欄。護(hù)欄模型各部分材料屬性選用Q235鋼材。立柱和護(hù)欄網(wǎng)格的劃分方式采用掃掠網(wǎng)格劃分，單元屬性選用Solid Shell單元；防阻塊網(wǎng)格劃分方式采用六面體主導(dǎo)網(wǎng)格劃分，并對(duì)圓角及加強(qiáng)筋處進(jìn)行網(wǎng)格優(yōu)化，劃分網(wǎng)格后共得到172 795個(gè)單元和315 671個(gè)節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)格劃分完成后，設(shè)定護(hù)欄結(jié)構(gòu)中每根立柱與路面的接觸為固定約束。

仿真采用Explicit Dynamics模塊，對(duì)質(zhì)量塊施加16667 m·s-1的初始速度，求解時(shí)間為10 ms。選擇AUTODYN求解器，探究護(hù)欄的總體變形量、能量吸收能力以及質(zhì)量塊的加速度曲線，結(jié)果如圖3所示。

從圖3（a）可知，護(hù)欄整體的變形量較小，最大變形量發(fā)生在護(hù)欄板施加載荷的位置，約為175 mm，滿足公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定。從圖3（b）中可知，護(hù)欄及護(hù)欄整體能量吸收能力良好，受到的最大等效應(yīng)力發(fā)生在防阻塊的拐角處以及護(hù)欄板與質(zhì)量塊的連接處，約為467 MPa。另外，圖3（c）所示的質(zhì)量塊加速度曲線表明，該護(hù)欄具有良好的防護(hù)性。

3 防阻塊性能對(duì)比分析

根據(jù)《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D81—2006）內(nèi)容，傳統(tǒng)防阻塊大多數(shù)采用六棱柱形；但是，六棱柱形防阻塊在車(chē)輛發(fā)生碰撞時(shí)，由于連接螺栓與立柱的牢固連接使得防阻塊不能自適應(yīng)抬升護(hù)欄高度，降低了護(hù)欄防護(hù)的有效性。為克服上述問(wèn)題，提出了這種帶加強(qiáng)筋的自升高式護(hù)欄防阻塊。

運(yùn)用ANSYS Workbench中的Explicit Dynamics顯示動(dòng)力學(xué)模塊，對(duì)帶加強(qiáng)筋的自升高式護(hù)欄防阻塊和傳統(tǒng)六棱柱形防阻塊進(jìn)行碰撞動(dòng)力學(xué)分析，著重探討2種防阻塊的高度提升量和能量吸收能力。首先分別建立2種“防阻塊質(zhì)量塊”的耦合模型，將車(chē)輛模型簡(jiǎn)化為217 mm×217 mm×217 mm的質(zhì)量塊，將網(wǎng)格尺寸Sizing選項(xiàng)中的Relevance Center設(shè)定為Medium，選項(xiàng)Span Angle Center設(shè)定為Fine，并對(duì)拐角和圓角處進(jìn)行網(wǎng)格優(yōu)化，得到的模型如圖4所示。

如圖5（a）所示，帶加強(qiáng)筋的自升高式護(hù)欄防阻塊在經(jīng)過(guò)質(zhì)量塊的碰撞后，最大高度提升量約為29 mm；圖5（b）所示的傳統(tǒng)六棱柱形防阻塊的高度提升量?jī)H為0.06 mm。由此判斷出帶加強(qiáng)筋的自升高式護(hù)欄防阻塊可自適應(yīng)提升高度，且高度提升的性能遠(yuǎn)優(yōu)于六棱柱形防阻塊。圖6（a）所示帶加強(qiáng)筋的自升高式護(hù)欄防阻塊的最大等效應(yīng)力約為547 MPa，圖6（b）所示傳統(tǒng)護(hù)欄防阻塊的最大等效應(yīng)力約為450 MPa?？梢钥闯?，本文帶加強(qiáng)筋的自升高式防阻塊比傳統(tǒng)防阻塊的應(yīng)力集中明顯，對(duì)碰撞能量的吸收能力強(qiáng)。

4 單部件參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過(guò)顯示動(dòng)力學(xué)對(duì)本文提出的帶加強(qiáng)筋的護(hù)欄防阻塊進(jìn)行單部件參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。防阻塊初始厚度選為4 mm，利用“防阻塊質(zhì)量塊”的耦合模型，確保防阻塊的寬度不變，對(duì)3、4、5 mm不同厚度的防阻塊依次進(jìn)行顯示動(dòng)力學(xué)分析，探究不同厚度防阻塊的能量吸收能力。由于上文已給出初始厚度下防阻塊的能量吸收曲線，此處只給出3 mm和5 mm厚度下防阻塊的能量吸收能力曲線，如圖7所示。

從圖7以及圖6（a）的能量吸收能力曲線可以看出，隨著厚度的增加，防阻塊對(duì)能量吸收能力的變化不明顯，主要表現(xiàn)為求解時(shí)間內(nèi)各種厚度的防阻塊所吸收的能量大約都為550 MPa。說(shuō)明在碰撞過(guò)程中不同厚度的防阻塊都有效發(fā)揮了能量吸收作用，考慮到制造成本，可選擇防阻塊厚度為4～5 mm。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)上述對(duì)新型雙波梁護(hù)欄的分析研究：對(duì)防阻塊性能的對(duì)比以及防阻塊單部件參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，可得如下結(jié)論。

（1）本文針對(duì)目前高速公路護(hù)欄研究現(xiàn)狀提出的新型雙波梁護(hù)欄，在與SUV、大型貨車(chē)等發(fā)生碰撞時(shí)，防護(hù)性能大大增強(qiáng)，對(duì)碰撞能量的吸收能力強(qiáng)，滿足公路安全設(shè)計(jì)規(guī)范。

（2）通過(guò)非線性顯示動(dòng)力學(xué)分析可知，無(wú)論從防阻塊的高度提升量還是對(duì)碰撞能量的吸收能力來(lái)說(shuō)，自升高式防阻塊的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)六棱柱形防阻塊，且考慮成本因素防阻塊厚度宜為4～5 mm。

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[責(zé)任編輯：杜衛(wèi)華]