波形梁護(hù)欄土基的有限元模型研究

蔣昊

摘 要：波形梁護(hù)欄是我國(guó)最常見的一種公路安全被動(dòng)防護(hù)設(shè)施，可有效吸收由車輛碰撞帶來(lái)的巨大碰撞力。有限元仿真是目前研究車輛碰撞護(hù)欄領(lǐng)域中最重要的技術(shù)手段，在護(hù)欄有限元建模過(guò)程中常常用固定約束代替土壤對(duì)立柱的承載力作用，從而對(duì)仿真結(jié)果造成了一定誤差。通過(guò)固定基與土基模型的吸能機(jī)理的研究，來(lái)驗(yàn)證土基在有限元仿真中的影響。結(jié)果表明，常用的簡(jiǎn)化固定基有限元模型跟實(shí)際碰撞的情況有一定的出入，建立土基實(shí)體模型在提高仿真精確度方面具有很大的作用。

關(guān)鍵詞：交通工程;護(hù)欄;土基模型;有限元仿真

中圖分類號(hào)：U417.12 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

隨著我國(guó)車輛保有量的大幅度增加，公路護(hù)欄作為公路中最主要的交通安全防護(hù)設(shè)施，在與高速行駛的車輛發(fā)生碰撞時(shí)，通常會(huì)發(fā)生劇烈的塑性變形以及產(chǎn)生劇烈的碰撞能量變化，導(dǎo)致護(hù)欄設(shè)施材料失效、部件損壞以及汽車行駛方向失控等。由于車輛-護(hù)欄碰撞的實(shí)車足尺碰撞試驗(yàn)成本高，試驗(yàn)過(guò)程不可重復(fù)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在交通事故安全管理方面的研究顯出很大的優(yōu)越性。眾多研究學(xué)者利用有限元顯示動(dòng)力學(xué)技術(shù)手段來(lái)進(jìn)行車輛碰撞護(hù)欄仿真，以此減少實(shí)車足尺碰撞試驗(yàn)的次數(shù)，減少成本投入，并經(jīng)過(guò)實(shí)車碰撞驗(yàn)證，其誤差可達(dá)到10%以內(nèi)，其優(yōu)勢(shì)不言而喻。波形梁護(hù)欄的立柱在車輛碰撞過(guò)程中主要承受彎矩，起到非常重要的支撐作用，波形梁護(hù)欄立柱土基通過(guò)受載后的變形可以耗散整個(gè)碰撞系統(tǒng)的碰撞能量，對(duì)于護(hù)欄結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及緩沖效能而言是有利的。我國(guó)目前學(xué)者在有限元建模過(guò)程中主要采用固定基的方式來(lái)對(duì)車輛碰撞波形梁護(hù)欄進(jìn)行仿真分析，固定基即不建立土壤模型，直接在護(hù)欄立柱進(jìn)行自由度約束來(lái)模擬土基對(duì)立柱的承載作用，用固定基模擬土壤的承載作用雖能節(jié)約計(jì)算求解時(shí)間，但固定基不能較好的模擬土基的支撐作用，從而造成仿真結(jié)果與實(shí)車碰撞試驗(yàn)結(jié)果的誤差偏大。因此建立土基實(shí)際模型，研究土基模型的建立對(duì)車輛碰撞波形梁護(hù)欄數(shù)值仿真的精確度提高的影響意義重大。本文基于最新規(guī)范[1]中的實(shí)車碰撞試驗(yàn)結(jié)果對(duì)土基進(jìn)行有限元仿真分析以驗(yàn)證土基在仿真過(guò)程中的作用，對(duì)車輛碰撞護(hù)欄有限元仿真技術(shù)領(lǐng)域具有重大意義。

1 碰撞條件及有限元建模

碰撞仿真條件及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范中所提出的護(hù)欄碰撞安全性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[2]進(jìn)行仿真分析，護(hù)欄結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參考最新規(guī)范[1]中關(guān)于A級(jí)三波波形梁剛護(hù)欄的尺寸。有限元仿真所用的求解軟件選用Ls-Dyna動(dòng)力學(xué)軟件進(jìn)行求解計(jì)算，其中非線性動(dòng)態(tài)顯示算法可以解決高速車輛碰撞及構(gòu)件大變形效應(yīng)等相關(guān)問題的求解分析。有限元模型的前處理軟件采用Hypermesh軟件，后處理采用Hyperview查看碰撞動(dòng)畫文件以及通過(guò)Hypergraph圖形數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行車體質(zhì)心加速度的濾波處理以此求出車體質(zhì)心的加速度變化趨勢(shì)。固定基有限元模型選用鋼圈進(jìn)行約束，鋼圈材料采用Ls-Dyna軟件中的線彈性材料即24號(hào)材料卡片，鋼圈固定基可選用20號(hào)剛性材料以此對(duì)護(hù)欄立柱進(jìn)行約束，并在其底部進(jìn)行約束使其不發(fā)生位移。網(wǎng)格大小劃分為20 mm，其中對(duì)于變形處可進(jìn)行加密處理來(lái)提高計(jì)算精確度，護(hù)欄有限元模型采用殼單元屬性中的Belytschko-Tsay算法來(lái)進(jìn)行計(jì)算，土基采用圓柱體形狀，單元屬性為實(shí)體單元，采用8節(jié)點(diǎn)6面體實(shí)體單元，在該圓柱體的外表面施加無(wú)反射邊界條件并約束其邊界自由度，以此來(lái)模擬土基的無(wú)限界域。土基材料參考文獻(xiàn)[3]中使用經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的土壤材料MAT_SOIL_AND_FOAM（5號(hào)材料），該模型假定土壤逐級(jí)變化，土壤在碰撞過(guò)程中產(chǎn)生的變形為各向同性。車輛碰撞設(shè)置終止時(shí)間為0.3 s，該時(shí)間可完整的反應(yīng)車輛碰撞的整個(gè)過(guò)程，并節(jié)省了計(jì)算時(shí)間。最后需進(jìn)行各個(gè)求解卡片的參數(shù)設(shè)置，如沙漏可采用默認(rèn)的類型，即粘性沙漏控制，該算法可大大降低系統(tǒng)的求解計(jì)算時(shí)間，設(shè)置好各個(gè)求解卡片后可輸出成型的K文件并提交到顯示動(dòng)力學(xué)求解器即可。

2 有限元仿真求解

通過(guò)上述有限元模型的建立以及各項(xiàng)材料、接觸、沙漏等參數(shù)卡片的設(shè)置，利用求解器求解計(jì)算后得出文件數(shù)據(jù)后對(duì)相關(guān)文件進(jìn)行分析及查看，后處理器對(duì)碰撞的動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行查看，同時(shí)對(duì)輸出的節(jié)點(diǎn)文件、能量輸出文件、動(dòng)態(tài)圖畫文件進(jìn)行分析處理。如圖1所示為車輛碰撞建立過(guò)立柱土基的護(hù)欄模型的動(dòng)態(tài)結(jié)果，三張碰撞過(guò)程動(dòng)態(tài)運(yùn)行圖依次對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)為0 s、0.1 s、0.3 s。從圖中可以看出護(hù)欄緩沖導(dǎo)向功能良好，土基單元在碰撞后會(huì)發(fā)生變形，與實(shí)際情況中車輛碰撞護(hù)欄時(shí)產(chǎn)生的巨大碰撞力會(huì)使立柱土基發(fā)生形變的現(xiàn)象相吻合，說(shuō)明該土壤模型能較好的反映土壤的形變吸能狀態(tài)，具有可靠性。碰撞動(dòng)畫上顯示，可見小客車碰撞護(hù)欄后在0.3 s以后平穩(wěn)的駛出。實(shí)測(cè)的車身加速度信號(hào)由位于小車質(zhì)心處的三維加速度傳感器測(cè)取，在數(shù)值仿真中通過(guò)輸出質(zhì)心點(diǎn)的ASCII加速度文件并通過(guò)后處理對(duì)加速度文件中的曲線數(shù)據(jù)進(jìn)行10 ms平均并濾波處理后，可以得出車輛在碰撞護(hù)欄后的各向最大加速度值，并參考評(píng)價(jià)規(guī)范進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)。在進(jìn)行護(hù)欄碰撞仿真分析中，設(shè)置的第一組工況為立柱固定基模型工況，第二組試驗(yàn)為立柱帶有土基的模型工況。第一組工況仿真結(jié)果中的X、Y向最大加速度分別約為131.6 m/s2、112.7 m/s2，護(hù)欄最大動(dòng)態(tài)變形量為840 mm。該三組數(shù)據(jù)分別與實(shí)車碰撞試驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差為9%、27%、8%。第二組工況仿真結(jié)果中的X、Y向最大加速度分別約為128 m/s2、145 m/s2，護(hù)欄最大動(dòng)態(tài)變形量為760 mm。該三組數(shù)據(jù)分別與實(shí)車碰撞試驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差為5%、6%、2.6%。從此可以得出有設(shè)置土基的模型通過(guò)有限元仿真求解得出的三項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的相對(duì)誤差較未設(shè)置土基的相對(duì)誤差小，仿真精度較高。同時(shí)可以通過(guò)各部件能量的變化來(lái)分析各部件的吸能情況，車輛在碰撞護(hù)欄時(shí)是通過(guò)將自身的巨大碰撞動(dòng)能轉(zhuǎn)化為護(hù)欄的內(nèi)能及土基的內(nèi)能，所以可以通過(guò)土基內(nèi)能的變化情況與設(shè)置固定基時(shí)立柱內(nèi)能的變化情況進(jìn)行對(duì)比，從而可以比較土基在波形梁護(hù)欄的有限元仿真碰撞中所起到的吸能緩沖作用。

3 總結(jié)

本文對(duì)車輛與新版規(guī)范中所設(shè)計(jì)的三波波形梁護(hù)欄進(jìn)行了有限元非線性顯示動(dòng)力學(xué)的碰撞仿真模擬分析，通過(guò)對(duì)固定基以及真實(shí)護(hù)欄土壤模型的對(duì)比仿真碰撞模擬分析，并與實(shí)車足尺碰撞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得出土基模型在仿真實(shí)驗(yàn)中可以減少分析誤差的作用，在護(hù)欄的碰撞效應(yīng)是比較明顯的，是不容忽視的，是護(hù)欄建模中需要考慮的因素?？紤]到土基失效后的持續(xù)變形，實(shí)際的吸能效果將會(huì)更為突出，同時(shí)考慮到護(hù)欄土基的建立會(huì)加大仿真求解的計(jì)算時(shí)間，在仿真實(shí)驗(yàn)中可根據(jù)實(shí)際情況對(duì)護(hù)欄土基的模型進(jìn)一步優(yōu)化來(lái)大大降低有限元仿真的求解時(shí)間。我國(guó)由于各地地理環(huán)境因素的影響，其波形梁護(hù)欄立柱的土壤成分也具有較大變化，如何根據(jù)不同的土壤環(huán)境條件來(lái)對(duì)立柱進(jìn)行承載力分析，同時(shí)如何對(duì)不同土壤條件的立柱埋深深度進(jìn)行量化，對(duì)減少材料損耗及降低經(jīng)濟(jì)成本具有重大的意義，也是我們學(xué)者今后需要重點(diǎn)研究的對(duì)象。

參考文獻(xiàn)：

[1]JTG/T D81—2017，公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則[S].

[2]JTG B05-01—2013，公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[3]李勇，楊潤(rùn)林.地基土體對(duì)貨車與波形梁護(hù)欄碰撞效應(yīng)的影響[J].工程科學(xué)學(xué)報(bào)，2016，38（04）：589-594.