城市道路交通護(hù)欄穿透汽車玻璃探討

尹菲

摘要：城市道路交通護(hù)欄在于汽車碰撞后發(fā)生形變，變成薄壁長桿，隨后撞擊汽車前擋風(fēng)玻璃，并對車內(nèi)乘員的生命安全造成了威脅。因此研究城市道路交通護(hù)欄穿透汽車前擋風(fēng)玻璃至關(guān)重要。

關(guān)鍵詞：城市道路交通護(hù)欄;薄壁長桿;前擋風(fēng)玻璃

0? 引言

根據(jù)中華人民共和國公安部數(shù)據(jù)[1]，隨著人民生活水平的提高，城市機(jī)動車保有量日益增加，機(jī)動車駕駛?cè)艘仓饾u增多。但是，道路上大量的機(jī)動車導(dǎo)致了各種類型的交通事故數(shù)量也呈上升趨勢。根據(jù)我國公安部道路交通安全研究中心數(shù)據(jù)顯示，城市道路交通事故在所有的城市道路交通事故中占比45.8%[2]。城市中因車輛碰撞事故導(dǎo)致的傷亡人數(shù)占全國的交通事故中約為38.8%。由此可見，城市道路交通安全形勢極為嚴(yán)峻，需要深度優(yōu)化道路交通問題。

機(jī)動車輛的增多導(dǎo)致城市出現(xiàn)擁堵，城市道路中央隔離護(hù)欄應(yīng)運(yùn)而生，其在車輛分流方面作用明顯，有效降低了一般交通事故的發(fā)生率。雖然城市道路交通護(hù)欄已經(jīng)成為了城市中一道靚麗的風(fēng)景線，具有許多優(yōu)點(diǎn)。但是城市道路交通護(hù)欄也有諸多弊端，在碰撞安全性上，某些現(xiàn)有的城市道路中央隔離護(hù)欄考慮不足，尤其是關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)上存在設(shè)計不合理、制造質(zhì)量低劣等情況。機(jī)動車首先撞擊城市道路交通護(hù)欄，隨后受損的護(hù)欄穿透車體或車窗，給人民群眾生命財產(chǎn)安全造成重大損失。因此這也揭露出城市道路交通安全管理其實(shí)存在非常多的漏洞與不足，如圖1所示。全國范圍內(nèi)多發(fā)的車輛與道路中央隔離護(hù)欄碰撞事故，使得人們將目光放在了城市道路交通護(hù)欄優(yōu)化以及車輛的碰撞安全性上，車輛與護(hù)欄碰撞相關(guān)研究已經(jīng)刻不容緩。

1? 研究意義

城市道路交通護(hù)欄在中國各地應(yīng)用廣泛。但是由于相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)以及相關(guān)規(guī)定尚未有效完善、城市道路交通護(hù)欄質(zhì)量參差不齊，因此與之相關(guān)的車輛碰撞城市道路交通護(hù)欄的事故也呈現(xiàn)上升的趨勢。研究發(fā)現(xiàn)，車輛在與城市道路交通護(hù)欄碰撞后，護(hù)欄會侵入汽車前端，對車輛造成嚴(yán)重的貫穿破壞，更有甚者會危及車內(nèi)乘員的生命，造成人員的傷亡。

雖然目前我國汽車與城市道路交通護(hù)欄碰撞事故頻發(fā)，但是國內(nèi)外研究人員針對車輛與城市道路交通護(hù)欄之間的碰撞研究幾乎沒有。城市道路交通護(hù)欄在碰撞車輛后車體的損傷機(jī)制人們還不清楚，薄壁長桿穿透汽車前擋風(fēng)玻璃的機(jī)制也并不明確。此外，根據(jù)已有文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，有關(guān)汽車夾層玻璃的仿真大多是關(guān)于PVB夾層在不可失效的情況下對玻璃的裂紋進(jìn)行的仿真[3]，但是對于可失效（即可穿透）的夾層玻璃仿真研究尚未進(jìn)行。而城市道路交通護(hù)欄與車輛碰撞后薄壁長桿穿透轎車擋風(fēng)玻璃的現(xiàn)象切實(shí)存在，因此相關(guān)的研究是必要而又緊迫的。

玻璃作為汽車中的一個重要組成部分[4]，它在汽車中的使用范圍不斷增加。汽車碰撞安全性能測試中，汽車前擋風(fēng)玻璃的安全性能至關(guān)重要。汽車前擋風(fēng)玻璃的抗沖擊破壞強(qiáng)度極為關(guān)鍵，是評價其是否安全的重要指標(biāo)。在車輛與城市道路交通護(hù)欄發(fā)生碰撞時，城市道路交通護(hù)欄破損后形變產(chǎn)生成的薄壁長桿可能會撞擊汽車前擋風(fēng)玻璃并造成穿透，其安全性能指標(biāo)影響著碰撞中的安全表現(xiàn)。

2? 車輛碰撞及相關(guān)仿真國內(nèi)外現(xiàn)狀

2006年湖南大學(xué)的謝慶喜[5]等人通過使用有限元方法，研究了城市道路交通護(hù)欄立柱對汽車的絆阻效應(yīng)形成機(jī)制，并且針對如何安全有效地解除護(hù)欄立柱對汽車絆阻效應(yīng)提出了一種思路。2010年河北工業(yè)大學(xué)的劉孔杰[6]等人針對多種波形護(hù)欄使用有限元仿真軟件進(jìn)行了分析，并且提出了切實(shí)可行的改進(jìn)方案。同年，長沙理工大學(xué)的趙健、雷正保[7]等人針對中國城市道路交通事故、高速公路交通事故等一些現(xiàn)有的可有效解決的安全隱患問題，提出合適的碰撞實(shí)驗條件并修改了相關(guān)的評價標(biāo)準(zhǔn)。通過仿真分析，他們探討了交通事故中汽車碰撞的等級范圍、碰撞的一般車型、碰撞車輛的質(zhì)量高低、碰撞速度及碰撞角度等試驗條件的確定。由此可以看出，我國在汽車被動安全領(lǐng)域已經(jīng)有了不少進(jìn)步，但是關(guān)于車輛碰撞城市道路交通護(hù)欄方向研究幾乎沒有。國內(nèi)城市道路交通護(hù)欄在進(jìn)行使用前也很少進(jìn)行過碰撞實(shí)驗，缺少相關(guān)的實(shí)驗數(shù)據(jù)，亟需加強(qiáng)我國自主研究的積極性，提升城道路交通安全可靠性。

歐美和日本對于城市道路交通護(hù)欄的碰撞研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于我國。英國的汽車機(jī)構(gòu)[8]于1993年首次針對轎車碰撞護(hù)欄進(jìn)行了仿真研究。此后Daniel J.MacDonald[9]等針對混凝土制成的城市道路交通護(hù)欄進(jìn)行了碰撞實(shí)驗，并分析研究了該種護(hù)欄的破損機(jī)理。HA Whiworth[10]等對城市道路交通護(hù)欄碰撞進(jìn)行了有限元模擬計算分析并提出了一種相對可靠的優(yōu)化方案。

3? 夾層玻璃碰撞破壞相關(guān)問題及國內(nèi)外現(xiàn)狀

汽車前擋風(fēng)玻璃其實(shí)質(zhì)上是一種夾層玻璃。該種夾層玻璃的結(jié)構(gòu)為兩層鋼化曲面玻璃中間有一中PVB材料的夾層。玻璃由于其具有硬度大剛性強(qiáng)等特點(diǎn)，在受到?jīng)_擊載荷后容易出現(xiàn)破碎的現(xiàn)象，玻璃破碎后發(fā)生大面積的皸裂，易對乘員造成嚴(yán)重?fù)p傷。因此現(xiàn)在的汽車企業(yè)經(jīng)常會在汽車前擋風(fēng)夾層玻璃中通過熱壓技術(shù)加入PVB膜，這種PVB膜可以保證汽車前擋風(fēng)玻璃在沖擊下保持位置不變或發(fā)生小范圍破裂，有限減少了玻璃碎片飛濺，減輕乘員的損傷，保護(hù)乘員及行人。同時，PVB夾層因為其一定的強(qiáng)度特性，在受到?jīng)_擊載荷時夾層不會輕易被擊穿，具有形變吸能的優(yōu)點(diǎn)。

Ji等人通過建立汽車前擋風(fēng)玻璃在受到?jīng)_擊時玻璃破損的概率模型，發(fā)現(xiàn)夾層玻璃的性能與沖擊處玻璃的薄厚關(guān)系不大。Chris等人通過研究發(fā)現(xiàn)了PVB夾層厚度與下層玻璃失效的關(guān)系。Flocker等人建立了建筑用夾層玻璃在低速沖擊下的失效模型。Dharani等人通過研究玻璃碎片沖擊下下層玻璃的破壞特性問題，發(fā)現(xiàn)了下層玻璃破壞程度隨著上層玻璃厚度的增加而減小。Timmel通過汽車前擋風(fēng)玻璃的準(zhǔn)靜態(tài)四點(diǎn)彎曲實(shí)驗發(fā)現(xiàn)了位移與沖擊載荷的關(guān)系曲線。Zhao分析了汽車內(nèi)乘員頭部沖擊汽車前擋風(fēng)玻璃的實(shí)驗結(jié)果。

程晶晶通過建立落錘實(shí)驗結(jié)果，詳細(xì)觀察并研究了汽車前擋風(fēng)玻璃裂紋擴(kuò)展的全過程。臧孟炎等人對汽車強(qiáng)擋風(fēng)玻璃在沖擊載荷下裂紋的擴(kuò)展機(jī)理進(jìn)行了更進(jìn)一步的研究。2010年，劉博涵等人對汽車前擋風(fēng)玻璃進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗，實(shí)驗發(fā)現(xiàn)了聚乙烯醇縮丁醛（PVB）夾層玻璃材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，并且隨后利用汽車前擋風(fēng)玻璃的動能吸收比，比較了汽車前擋風(fēng)玻璃在不同沖擊條件下的吸能效果。2014年，劉博涵等人又在描述粘彈性材料本構(gòu)行為的經(jīng)典模型基礎(chǔ)上，增加體現(xiàn)了材料應(yīng)變率效應(yīng)的修正項，并且建立了可描述的PVB薄膜非線性大變形和應(yīng)變率相關(guān)效應(yīng)的力學(xué)特性分析模型。2015年，程效通過對比PVB中間膜的不同力學(xué)模型，綜合了多種建模方法并建立了單層、雙層、三層以及PVB膜粘彈性、彈塑性四種不同的有限元模型，最后對比了在這些方法下頭型沖擊器的加速度與時間關(guān)系曲線。

目前國內(nèi)外關(guān)于汽車前擋風(fēng)玻璃夾層的破壞性能研究大多著眼于裂紋擴(kuò)展，對夾層玻璃的穿透眼角較少。

4? 后續(xù)研究方向

該項研究可以從汽車與城市道路交通護(hù)欄碰撞最為基礎(chǔ)的層面入手，通過對整車與城市道路交通護(hù)欄碰撞有限元模型的建立與有效性驗證，探究典型形式護(hù)欄與車輛碰撞后薄壁長桿結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制。此外，還可以探索城市道路交通護(hù)欄碰撞后形成的薄壁長桿結(jié)構(gòu)穿透汽車前擋風(fēng)玻璃的機(jī)制。最后通過有限元仿真的方法研究薄壁長桿穿透汽車前擋風(fēng)玻璃后玻璃的破損情況，觀察汽車前擋風(fēng)玻璃力學(xué)響應(yīng)與約束條件之間的關(guān)系。

5? 結(jié)論

通過對薄壁長桿穿透的汽車前擋風(fēng)玻璃的建模與仿真，可以研究出薄壁長桿穿透汽車前擋風(fēng)玻璃的損傷機(jī)制。這項研究將有利于優(yōu)化我國城市道路交通護(hù)欄的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)、更改護(hù)欄的材料、提升汽車碰撞安全性能尤其是關(guān)于汽車前擋風(fēng)玻璃的設(shè)計與完善。對提升我國道路交通安全事業(yè)有著重要的理論依據(jù)和參考價值。

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