玻纖增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料公路護(hù)欄應(yīng)用技術(shù)開(kāi)發(fā)

金思宇，黃有平，范欣愉，陳大華，黃險(xiǎn)波

（金發(fā)科技股份有限公司 廣州金發(fā)碳纖維新材料發(fā)展有限公司，廣州 510663）

玻纖增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料公路護(hù)欄應(yīng)用技術(shù)開(kāi)發(fā)

金思宇，黃有平，范欣愉，陳大華，黃險(xiǎn)波

（金發(fā)科技股份有限公司 廣州金發(fā)碳纖維新材料發(fā)展有限公司，廣州 510663）

采用連續(xù)纖維增強(qiáng)聚丙烯熱塑性復(fù)合材料替代鋼材應(yīng)用在公路護(hù)欄具有耐腐蝕、優(yōu)異的碰撞安全性、可回收等優(yōu)勢(shì)。設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了連續(xù)生產(chǎn)工藝制造公路護(hù)欄的材料和方法，試驗(yàn)分析了單向熱塑性預(yù)浸料的鋪層角度和鋪層順序?qū)ψo(hù)欄力學(xué)性能的影響，運(yùn)用有限元仿真模擬和實(shí)車(chē)碰撞的測(cè)試方法優(yōu)化了護(hù)欄板結(jié)構(gòu)參數(shù)。結(jié)果顯示，上下沿高度分別為950和400 mm的復(fù)合材料護(hù)欄具有優(yōu)良的碰撞安全性能，達(dá)到A級(jí)護(hù)欄的安全性能指標(biāo)。

連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料； 公路護(hù)欄；設(shè)計(jì)制備；試驗(yàn)分析；應(yīng)用研究

0 引言

公路護(hù)欄的主要作用是引導(dǎo)非正常方向行駛的車(chē)輛駛?cè)胝_的方向，即阻止其駛出路面區(qū)域和再次進(jìn)入主要路面區(qū)域，需引導(dǎo)其進(jìn)入路側(cè)安全地帶。所以，在公路兩側(cè)安裝護(hù)欄被證明比沒(méi)有護(hù)欄的公路在交通事故發(fā)生時(shí)具有更好的保護(hù)作用[1]。連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料（CFRTP）是一種質(zhì)量輕、韌性高、成本低和耐腐蝕性能高的材料，比傳統(tǒng)鋼材和混凝土材料具有更高的比吸能性能，所以采用這種材料并結(jié)合良好的設(shè)計(jì)，可以達(dá)到甚至超過(guò)鋼材或混凝土護(hù)欄的安全保護(hù)效果[2～4]。

作者研究分析了熱塑性復(fù)合材料作為公路護(hù)欄的基礎(chǔ)材料的安全和制造的可行性，并設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了具有更高安全性能的復(fù)合材料公路護(hù)欄系統(tǒng)，即其具有良好的碰撞吸能性能，更容易安裝，并具有良好的長(zhǎng)期使用下的老化性能。研究成果被成功應(yīng)用在廣州金發(fā)碳纖維新材料發(fā)展有限公司的熱塑性復(fù)合材料護(hù)欄產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目中。采用連續(xù)玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯熱塑性復(fù)合材料制造的護(hù)欄產(chǎn)品，近期通過(guò)了實(shí)車(chē)碰撞測(cè)試，并達(dá)到了中國(guó)《公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B05-01-2013）中A級(jí)護(hù)欄要求，并在廣東省清遠(yuǎn)市S354省道鋪設(shè)了一段2 km長(zhǎng)的試驗(yàn)線(xiàn)，獲得了用戶(hù)較高的評(píng)價(jià)。

我國(guó)對(duì)護(hù)欄及其標(biāo)準(zhǔn)的研究起步較晚，直到1970年代左右才開(kāi)始對(duì)高速公路護(hù)欄開(kāi)展較為系統(tǒng)的研究。在規(guī)范（或標(biāo)準(zhǔn)）方面，較早的為1994年交通部頒布的《高速公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)及施工技術(shù)規(guī)范》（JTJ 074-94）[5]，對(duì)護(hù)欄的防撞性能、應(yīng)用選型、護(hù)欄材料、設(shè)計(jì)參數(shù)等方面都做了規(guī)定和說(shuō)明。該規(guī)范要求護(hù)欄具有93 kJ/ m2的沖擊強(qiáng)度，因而3 mm厚的鋼制二波梁護(hù)欄就可以滿(mǎn)足該規(guī)范要求[6]。近年來(lái)，隨著我國(guó)在車(chē)輛工程及公路工程方面的快速發(fā)展，公路總里程數(shù)及汽車(chē)保有量得到極大的發(fā)展。為了適應(yīng)發(fā)展的需要，交通部等部門(mén)先后制定并頒布了《高速公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG/T F83-01-2004）、《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D81-2006）、《公路波形梁鋼護(hù)欄》（JT/T 281-2007）等規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)，為公路安全護(hù)欄的建設(shè)與實(shí)施提供了重要的依據(jù)。此外，考慮我國(guó)汽車(chē)行業(yè)及安全性要求水平的提高，交通運(yùn)輸部修訂并頒布了新的《公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B05-01-2013），對(duì)規(guī)范的適用范圍、安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)以及實(shí)車(chē)足尺碰撞試驗(yàn)方法等內(nèi)容進(jìn)行了修訂，使其更為完善和合理。2006年以后的規(guī)范要求護(hù)欄具有160 kJ/m2的沖擊強(qiáng)度[7]，這就要求鋼材必須達(dá)到至少4 mm厚度才能滿(mǎn)足規(guī)范要求。鑒此，為減輕質(zhì)量和提高安全性能，采用復(fù)合材料等新材料替代傳統(tǒng)材料已勢(shì)在必行。

在世界范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用的鋼制金屬護(hù)欄雖然具有較好的剛性和攔阻性能，但是它也具有以下先天的缺點(diǎn)：耐候和耐腐蝕性較差，使用壽命約在15～20 年，因需要做鍍鋅表面處理而生產(chǎn)過(guò)程污染較大；后期保養(yǎng)維護(hù)費(fèi)用較高，尤其在國(guó)內(nèi)南方地區(qū)，空氣濕度較大，雨水中酸性成分較高，需要做大量的防腐蝕處理；質(zhì)量較重，安裝時(shí)工人勞動(dòng)強(qiáng)度大。在近10 年，玻璃纖維增強(qiáng)的樹(shù)脂基復(fù)合材料因其優(yōu)異的性能而得到了廣泛的關(guān)注，尤其是在公路護(hù)欄新材料應(yīng)用方面[8～10]。然而，熱固性樹(shù)脂基復(fù)合材料因其較長(zhǎng)的固化時(shí)間和不可回收性被排除在護(hù)欄的應(yīng)用領(lǐng)域外。護(hù)欄材料由于使用量較大，且必須在較短時(shí)間內(nèi)完成生產(chǎn)，所以具有快速和連續(xù)生產(chǎn)特點(diǎn)及可回收特性的熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料進(jìn)入了護(hù)欄選材的視野。對(duì)比熱固性復(fù)合材料以及鋼材護(hù)欄，連續(xù)纖維增強(qiáng)的熱塑性復(fù)合材料具有以下顯著的優(yōu)點(diǎn)：比強(qiáng)度和沖擊比吸能高；免維護(hù)無(wú)腐蝕，長(zhǎng)期使用性能好；優(yōu)異的成型性能和易安裝特點(diǎn)；可快速和自動(dòng)化生產(chǎn)；靈活多變的外觀、顏色和形狀；可回收。研究初步探討了熱塑性復(fù)合材料護(hù)欄的力學(xué)性能和在實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)中的實(shí)際行為及結(jié)果，亦闡述了復(fù)合材料作為護(hù)欄應(yīng)用的一種研究方法。

1 材料和工藝

研究采用廣州金發(fā)碳纖維新材料發(fā)展有限公司生產(chǎn)的連續(xù)玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯單向預(yù)浸料（GF/PPCFRTP）制備復(fù)合材料護(hù)欄。其中玻璃纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是60%，采用的是巨石公司生產(chǎn)的無(wú)堿E玻纖。單向預(yù)浸料的拉伸強(qiáng)度和模量分別是750 MPa和28 GPa，單層預(yù)浸料厚度是0.30±0.03 mm。單向預(yù)浸料按照設(shè)計(jì)方案經(jīng)過(guò)多層多角度鋪放疊合后傳送進(jìn)入雙鋼帶連續(xù)式壓機(jī)內(nèi)，經(jīng)過(guò)連續(xù)過(guò)程的加熱、加壓和冷卻步驟，生產(chǎn)出厚度為6 mm的板材。再經(jīng)過(guò)水切割機(jī)切邊處理就得到了符合設(shè)計(jì)尺寸要求的復(fù)合材料護(hù)欄板產(chǎn)品。鋪層設(shè)計(jì)需要滿(mǎn)足基本護(hù)欄板的力學(xué)性能要求，在后續(xù)章節(jié)中有描述。圖1為熱塑性單向預(yù)浸料、復(fù)合材料板及生產(chǎn)過(guò)程示意圖。

2 復(fù)合材料鋪層

復(fù)合材料護(hù)欄的鋪層設(shè)計(jì)需要滿(mǎn)足護(hù)欄的力學(xué)性能要求，由于單層預(yù)浸料的厚度為0.3 mm，需要采用多層復(fù)合的方式達(dá)到所需厚度。研究中復(fù)合材料厚度被設(shè)定為6 mm，即采用20 層單向預(yù)浸料層合。通過(guò)探討幾種纖維鋪層方案，即不同鋪層角度和鋪層順序，進(jìn)一步優(yōu)化護(hù)欄的力學(xué)性能，尤其是沖擊性能。表1中列出了8 種復(fù)合材料鋪層方案，其中方案1～5主要考慮護(hù)欄承受橫向拉伸載荷的受力情況，所以0°方向?yàn)橹饕亴臃较?，方?～8主要考慮護(hù)欄承受扭轉(zhuǎn)受力載荷情況，所以明顯增加了±45°方向鋪層比例。從制造工藝實(shí)施難度來(lái)看，熱塑性復(fù)合材料的鋪層應(yīng)該盡量避免過(guò)于復(fù)雜的鋪層角度，雖然這會(huì)相對(duì)弱化復(fù)合材料綜合力學(xué)性能的發(fā)揮，但對(duì)降低制造成本、實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程以及提高產(chǎn)品質(zhì)量具有較大的工程意義。研究對(duì)這8 種鋪層方案進(jìn)行了基本力學(xué)性能測(cè)試和碰撞沖擊有限元計(jì)算模擬。

根據(jù)復(fù)合材料層合板理論，纖維伸直的方向是承載的主要方向。復(fù)合材料護(hù)欄主要承受沖擊時(shí)沿著板材長(zhǎng)度方向的拉伸應(yīng)力和彎曲應(yīng)力，以及非對(duì)稱(chēng)不確定應(yīng)力點(diǎn)條件下的扭轉(zhuǎn)載荷。因此，復(fù)合材料層合板鋪層設(shè)計(jì)主要的原則是表層以0°鋪層為主，中間以±45°為主[11]，90°鋪層主要作用是保證復(fù)合材料板的整體性以及保證安裝打孔位置的局部強(qiáng)度，過(guò)多層數(shù)粘合在一起而沒(méi)有其他方向鋪層隔離的同向鋪層，一般會(huì)引起應(yīng)力集中和螺栓連接孔位的局部強(qiáng)度下降。復(fù)合材料護(hù)欄板既要保證碰撞時(shí)具有足夠的整體強(qiáng)度，也要考慮在碰撞拉伸時(shí)，端頭螺栓連接孔位具有足夠的強(qiáng)度。

圖1 熱塑性復(fù)合材料護(hù)欄的生產(chǎn)示意圖Fig1 Schematic diagram of production process of guardrail panel

表1 復(fù)合材料護(hù)欄鋪層備選方案Table1 Different laying up methods for composites guardrail panel('s' means symmetry)

研究采用SANS DYA504B型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)表1中8 種鋪層的復(fù)合材料護(hù)欄板進(jìn)行了靜態(tài)拉伸試驗(yàn)，以探討鋪層性能對(duì)最終拉伸強(qiáng)度的影響。圖2為拉伸試驗(yàn)裝置。復(fù)合材料試驗(yàn)樣品尺寸為250×40×6 mm，從護(hù)欄板中切割取樣。每個(gè)鋪層方案測(cè)試了20 個(gè)試樣。表1顯示了最終不同鋪層的拉伸最大載荷結(jié)果。其中鋪層方案2顯示了34.5 kN的最大拉伸載荷。雖然方案2并不是具有最多0°鋪層數(shù)量的方案，但是由于30%的鋪層兼顧了±45°方向，所以此方案具有較高的最大拉伸載荷，同時(shí)兼顧了一定的抗扭性能和整體性。但方案2仍需經(jīng)過(guò)碰撞仿真計(jì)算模擬后才能確定是否為最終鋪層方案。

3 有限元計(jì)算仿真

研究采用真實(shí)車(chē)輛模型和足尺護(hù)欄模型進(jìn)行碰撞有限元仿真分析。護(hù)欄板的連接區(qū)域采用簡(jiǎn)化的強(qiáng)連接方式，這種簡(jiǎn)化處理主要考慮螺栓連接數(shù)量較多，如果也納入到實(shí)際碰撞模型中會(huì)帶來(lái)較大計(jì)算資源的需求，也會(huì)導(dǎo)致計(jì)算的無(wú)法收斂。同時(shí)有限元計(jì)算主要目的是驗(yàn)證復(fù)合材料護(hù)欄的鋪層效果以及對(duì)車(chē)輛的攔阻和導(dǎo)出過(guò)程及效果作出預(yù)判，進(jìn)一步優(yōu)化護(hù)欄的主要幾何尺寸，所以對(duì)連接端頭可以適當(dāng)做簡(jiǎn)化處理。計(jì)算仿真的結(jié)果需要在后續(xù)的實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)中得到驗(yàn)證，以進(jìn)一步判斷鋪層設(shè)計(jì)的合理性和優(yōu)化護(hù)欄基本幾何尺寸，評(píng)估車(chē)輛的碰撞效果，最終優(yōu)化整體復(fù)合材料護(hù)欄系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

圖3為有限元仿真計(jì)算中所采用中型客車(chē)的幾何模型。車(chē)輛碰撞仿真依據(jù)交通運(yùn)輸部頒布的《公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B05-01-2013），其中定義了規(guī)范的適用范圍、安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)以及實(shí)車(chē)足尺碰撞試驗(yàn)方法等內(nèi)容。表2為碰撞模擬計(jì)算所需的車(chē)輛和碰撞參數(shù)。仿真中采用表1中的方案2鋪層設(shè)計(jì)。

圖4顯示足尺實(shí)車(chē)碰撞的高速攝像照片與有限元模擬計(jì)算的對(duì)比。結(jié)果可以看出車(chē)輛在與復(fù)合材料護(hù)欄碰撞后，基本按照模擬計(jì)算的方向?qū)С?，?chē)輛姿態(tài)基本為可控狀態(tài)，側(cè)傾在可控范圍之內(nèi)，方案2的鋪層方案基本滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果基本吻合。表3中列出了復(fù)合材料護(hù)欄在碰撞過(guò)程中最大橫向動(dòng)態(tài)位移的實(shí)際測(cè)量與計(jì)算結(jié)果。計(jì)算值比實(shí)際測(cè)量值要小45%，主要原因是因?yàn)橛?jì)算中對(duì)于立柱的處理是強(qiáng)連接，而實(shí)際立柱安裝的情況較為復(fù)雜，立柱周?chē)寥赖淖冃我约傲⒅穆袢肷疃?，?duì)碰撞中復(fù)合材料護(hù)欄的最大橫向位移都有較大影響?？紤]到實(shí)際公路兩側(cè)的不同地理環(huán)境，護(hù)欄碰撞后的橫向位移一般要限制在一定數(shù)值范圍內(nèi)，最好不要＞1 m[5]。所以，在實(shí)際復(fù)合材料護(hù)欄安裝工藝規(guī)范中，應(yīng)盡量按照計(jì)算模擬過(guò)程中對(duì)立柱的邊界條件設(shè)置來(lái)指導(dǎo)施工方案。

圖2 SANS DYA504B拉伸測(cè)試系統(tǒng)及試樣Fig2 SANS DYA504B tensile testing system

圖3 有限元分析車(chē)輛模型Fig3 Model of medium sized coach for finite element analysis

表2 有限元模擬計(jì)算和實(shí)際碰撞測(cè)試車(chē)輛參數(shù)Table2 Parameters of simulated vehicle and real vehicle

護(hù)欄高度對(duì)實(shí)車(chē)碰撞結(jié)果具有較強(qiáng)相關(guān)性，一般認(rèn)為較大的護(hù)欄上部高度更適合攔阻較大車(chē)輛，如卡車(chē)和中大型客車(chē)，使其不易發(fā)生較大的側(cè)傾甚至側(cè)翻；較低的護(hù)欄下部高度更適合攔阻較小車(chē)輛，使其不易鉆過(guò)護(hù)欄底部。由于考慮到護(hù)欄成本的因素，其上下寬度尺寸和上下沿高度需要經(jīng)過(guò)合理的優(yōu)化，既可達(dá)到相關(guān)安全規(guī)范的要求，又保持較為經(jīng)濟(jì)的成本范圍。有限元仿真計(jì)算分析可以在不經(jīng)過(guò)較為昂貴的實(shí)車(chē)碰撞測(cè)試而得到護(hù)欄高度及相關(guān)尺寸的優(yōu)化結(jié)果。研究探討了400和350 mm兩種復(fù)合材料護(hù)欄的下沿高度，以及800、850、900和950 mm 4 種復(fù)合材料上沿高度的模擬計(jì)算結(jié)果。按照《公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B05-01-2013）規(guī)范的要求，小客車(chē)質(zhì)量為1 600 kg，碰撞前速度為100 km/h，碰撞角度為20°。圖5和圖6顯示了復(fù)合材料護(hù)欄下沿高度分別為400和350 mm的小客車(chē)碰撞模擬計(jì)算結(jié)果。從圖中結(jié)果可以看出，兩種下沿高度均可滿(mǎn)足小客車(chē)攔阻效果，均無(wú)從護(hù)欄下方穿過(guò)的情況發(fā)生。

表3 有限元模擬計(jì)算和實(shí)車(chē)碰撞的護(hù)欄橫向位移對(duì)比Table3 Maximum dynamic deformation of guardrail for simulation and real testmm

圖4 實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)與有限元碰撞計(jì)算模擬對(duì)比Fig4 Comparison of simulation and real vehicle impact test

圖5 小客車(chē)碰撞模擬計(jì)算結(jié)果(護(hù)欄下沿高度400 mm)Fig5 Simulated track and attitude of small car(lower edge height 400 mm)

對(duì)于中大型車(chē)輛的情況，復(fù)合材料護(hù)欄的上沿高度的選擇對(duì)攔阻效果具有重要影響作用。研究模擬計(jì)算了中型客車(chē)在上沿高度分別為800和950 mm兩種情況下碰撞的實(shí)際效果。按照《公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B05-01-2013）規(guī)范的要求，中型客車(chē)質(zhì)量為1×104kg，碰撞前速度為60 km/h，碰撞角度為20°。圖7和圖8顯示了中型客車(chē)在這兩種上沿高度條件下的計(jì)算結(jié)果。可以看出，中型客車(chē)在碰撞后其車(chē)身姿態(tài)在可控范圍內(nèi)，沒(méi)有發(fā)生較大的側(cè)傾或騎跨現(xiàn)象，車(chē)輛導(dǎo)出方向也在可以接受的范圍內(nèi)。同時(shí)結(jié)果也表明，800～950 mm的護(hù)欄上沿高度范圍是可以滿(mǎn)足中型客車(chē)的碰撞安全要求。

圖6 小客車(chē)碰撞模擬計(jì)算結(jié)果(護(hù)欄下沿高度350 mm)Fig6 Simulated track and attitude of small car(lower edge height 350 mm)

圖7 中型客車(chē)碰撞模擬計(jì)算結(jié)果(護(hù)欄上沿高度800 mm)Fig7 Running track and attitude of large coach(upper edge height of 800 mm)

圖8 中型客車(chē)碰撞模擬計(jì)算結(jié)果(護(hù)欄上沿高度950 mm)Fig8 Running track and attitude of large coach(upper edge height of 950 mm)

圖9 中型卡車(chē)碰撞模擬計(jì)算結(jié)果(Z向前右方及后左方的速度)Fig9 The running attitude of truck and Z-direction velocity of front right and rear left point

中型卡車(chē)重心的高度比中型客車(chē)要高，由于慣性作用的原因，護(hù)欄攔阻中型卡車(chē)的最大難點(diǎn)不僅僅在于護(hù)欄本身的強(qiáng)度和吸能性能，更關(guān)鍵的是在碰撞過(guò)程中需要保持卡車(chē)姿態(tài)在可控范圍內(nèi)，無(wú)側(cè)翻等危險(xiǎn)情況發(fā)生。所以根據(jù)國(guó)家頒布的高速公路交通工程設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，公路護(hù)欄需要在一定條件下能夠攔阻中型卡車(chē)的碰撞[7]。因此初步計(jì)算研究了中型卡車(chē)在不同復(fù)合材料護(hù)欄上沿高度（即800、850、900和950 mm）的條件下，碰撞發(fā)生時(shí)的卡車(chē)姿態(tài)以及護(hù)欄狀態(tài)。按照《公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B05-01-2013）規(guī)范的要求，中型卡車(chē)質(zhì)量為1×104kg，碰撞前速度為60 km/h，碰撞角度為20°。圖9顯示了中型卡車(chē)在不同護(hù)欄高度值時(shí)的模擬情況，主要探討了車(chē)體右后輪提升高度，以及右前輪與左后輪兩處的Z向速度（垂直地面方向速度）差隨時(shí)間的變化，如果二者數(shù)值較大，即表明車(chē)身姿態(tài)發(fā)生明顯失控，有側(cè)翻的風(fēng)險(xiǎn)。

從圖9可以看出，卡車(chē)前后輪的Z向速度差大約在0.6 s附近開(kāi)始發(fā)生較大變化，所以研究在此時(shí)間點(diǎn)處右后輪的實(shí)際高度值以及對(duì)應(yīng)的護(hù)欄上沿高度來(lái)判斷哪種高度為較為優(yōu)選的方案。表4給出了模擬計(jì)算的中型卡車(chē)碰撞過(guò)程中前后輪Z向速度差及對(duì)應(yīng)的不同護(hù)欄上沿高度。表5給出了模擬計(jì)算的中型卡車(chē)右后輪在碰撞0.6 s時(shí)提升的高度值對(duì)應(yīng)不同護(hù)欄板的上沿高度值。

從表5中的計(jì)算結(jié)果可以看出，當(dāng)護(hù)欄上沿高度僅為800 mm時(shí)，右后輪高度達(dá)到了416 mm，卡車(chē)碰撞時(shí)側(cè)翻的風(fēng)險(xiǎn)較大，無(wú)法保證車(chē)輛的安全性。當(dāng)上沿高度為850、900和950 mm時(shí)，雖然右后輪高度有所下降，但是僅有950 mm時(shí)，Z向速度差最小，為1×103mm/s，車(chē)輛的側(cè)翻在風(fēng)險(xiǎn)可控范圍內(nèi)，所以950 mm的上沿高度為較為安全的方案。相對(duì)應(yīng)的，下沿高度應(yīng)為400 mm可以保證卡車(chē)和小客車(chē)在碰撞中的安全規(guī)范性能要求。由于是計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算出的上述結(jié)論，所以只能作為參考，目的是減少實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)的次數(shù)和成本，而實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)的最終結(jié)果才能作為護(hù)欄板設(shè)計(jì)方案的主要依據(jù)。

表4 不同護(hù)欄板上沿高度及對(duì)應(yīng)的中型卡車(chē)Z向速度差Table4 Z velocity difference at last moment for guardrail with different heights

表5 中型卡車(chē)右后輪在碰撞0.6 s時(shí)提升的高度對(duì)應(yīng)不同護(hù)欄板上沿高度Table5 Rear right wheel lifted height at 0.6 s for differentguardrail heights mm

4 足尺實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)

雖然有限元模擬計(jì)算可以大致研究并確定復(fù)合材料護(hù)欄整體系統(tǒng)方案，但是根據(jù)公路護(hù)欄安全規(guī)范的要求，需要對(duì)護(hù)欄進(jìn)行足尺實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)，以進(jìn)一步驗(yàn)證評(píng)估護(hù)欄的攔阻有效性以及車(chē)輛的安全性。實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)的主要車(chē)輛參數(shù)如表6所示。根據(jù)規(guī)范要求，車(chē)輛的動(dòng)能需要達(dá)到160 kJ，才能有效驗(yàn)證上述性能要求。熱塑性復(fù)合材料護(hù)欄的測(cè)試長(zhǎng)度為72 m，最終采用的下沿高度為400 mm，寬度為400 mm，護(hù)欄上沿高度為800 mm，板厚為6 mm，鋪層為方案2。沒(méi)有采用模擬計(jì)算中最優(yōu)的950 mm上沿高度的原因主要是經(jīng)濟(jì)型和低成本的要求，但基本仍在安全可控范圍內(nèi)。護(hù)欄安裝立柱仍采用傳統(tǒng)Q345鋼立柱，固定埋深為1 m，立柱間距為2 m。表7為護(hù)欄板螺栓連接方案的技術(shù)參數(shù)。圖10中采用每端13 個(gè)φ10 mm螺栓與連接板螺接的整體連接固定方案，主要考慮原則為，每個(gè)螺栓連接部位最大破壞拉伸應(yīng)力的總和應(yīng)大于碰撞中護(hù)欄板所受的最大拉伸應(yīng)力值。圖10同時(shí)展示了護(hù)欄板碰撞測(cè)試的安裝整體效果和具體安裝細(xì)節(jié)。

表6 中型卡車(chē)和客車(chē)實(shí)車(chē)碰撞參數(shù)Table6 Real vehicle crash test parameters

表7 護(hù)欄板連接方案Table7 Parameters of connection bolts arrangement at the joint area

圖11為碰撞后復(fù)合材料護(hù)欄板的狀態(tài)和效果。從照片中可以看出，護(hù)欄板基本保持完好，質(zhì)量1×104kg的車(chē)輛并沒(méi)有沖斷護(hù)欄，也沒(méi)有發(fā)生車(chē)輛側(cè)翻和跨騎現(xiàn)象，車(chē)輛被護(hù)欄導(dǎo)入到預(yù)期的正常方向。同時(shí)也可以看到，4 個(gè)立柱發(fā)生了明顯的倒伏現(xiàn)象，安裝有防阻塊的螺栓被車(chē)體摩擦剮蹭掉，但在護(hù)欄螺栓連接處沒(méi)有發(fā)生明顯失效現(xiàn)象。由此可以說(shuō)明復(fù)合材料護(hù)欄完全滿(mǎn)足規(guī)范的性能要求和車(chē)輛安全性要求，連接方案有效可靠。根據(jù)規(guī)范要求，復(fù)合材料護(hù)欄已達(dá)到A級(jí)護(hù)欄的技術(shù)要求。

圖10 實(shí)車(chē)碰撞前復(fù)合材料護(hù)欄形態(tài)Fig10 Composites highway guardrail before crashing test

圖11 實(shí)車(chē)碰撞后復(fù)合材料的形態(tài)Fig11 Composites highway guardrail after crash test

5 結(jié)論

闡述了輕型熱塑性復(fù)合材料GF/PP護(hù)欄的材料以及連續(xù)化和自動(dòng)化制造工藝方法，復(fù)合材料護(hù)欄用UD預(yù)浸料的鋪層方案對(duì)基本靜態(tài)力學(xué)性能的影響。有限元碰撞模擬計(jì)算分析以及足尺實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)驗(yàn)證了熱塑性復(fù)合材料能夠滿(mǎn)足公路護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范對(duì)其安全性能的技術(shù)要求，能夠保護(hù)車(chē)輛姿態(tài)在碰撞過(guò)程中不發(fā)生側(cè)翻或穿越等情況，并導(dǎo)入到安全的方向。有限元模擬計(jì)算給出護(hù)欄的最佳上下沿高度分別為950和400 mm。但實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)上下沿高度為800和400 mm時(shí)也能滿(mǎn)足規(guī)范的安全性能要求。研究初步探討了公路護(hù)欄采用連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料方案的技術(shù)可行性以及安全性評(píng)價(jià)，結(jié)果顯示可以達(dá)到A級(jí)護(hù)欄的安全性能指標(biāo)。

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Technical development of highway guardrail with glass fiber reinforced thermoplastic composites

JIN Si-yu, HUANG You-ping, FAN Xin-yu, CHEN Da-hua, HUANG Xian-bo

( Kingfa Sci & Tech Co. Ltd., Guangzhou Kingfa Carbon Fiber New Material Development Co. Ltd., Guangzhou 510663 China)

Continuous glass fiberreinforced thermoplastic compositeshave been applied to develop highway guardrails in this work. A mass production with rapid and automated process for producing continuous glass fiber/polypropylene was introduced. The stacking sequences of each UD plies have been developed for guardrail panels to reach a rather high mechanical property. Real vehicle crash test and numerous simulation were carried out and demonstrated the composites guardrail had reliable and protective capability. The height of installed composites guardrail was also studied and the height of upper edge of 950 mm and lower edge of 400 mm were confirmed to have the best protective efficiency. It proved the CFRTP composites can be successfully produced into a crash-worthy highway guardrail system.

CFRTP; highway guardrail; design preparation; test analysis; application research

TQ327.11; U417.12

A

1007-9815（2016）04-0056-09

定稿日期:2016-08-05

金思宇（1986-），男，四川德陽(yáng)人，博士，高級(jí)工程師，主要從事復(fù)合材料成型工藝、復(fù)合材料應(yīng)用以及纖維與樹(shù)脂基體界面研究等，(電子信箱)jinsy050@163.com。