基于有限元的高速公路混凝土護(hù)欄碰撞安全性分析

張生學(xué)

(河北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院 石家莊市 050011)

0 引言

我國(guó)的高速公路總里程超過13萬(wàn)公里，排名世界第一，為推動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到了積極作用。隨著人民生活水平的不斷提高，私家車的數(shù)量正在急劇增加，全國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量已達(dá)3.5億輛，在高速公路上的車流量也在逐漸增大，由于高速公路行車速度較快，路況更加復(fù)雜，帶來(lái)了一系列的交通安全問題。因此，提高高速公路的行車安全，減少事故中的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失成為交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要任務(wù)之一[1-3]。

拒有關(guān)統(tǒng)計(jì)資料表明，我國(guó)約有30%的交通事故是因?yàn)槠嚺c護(hù)欄發(fā)生碰撞引起的，由于前期對(duì)護(hù)欄結(jié)構(gòu)型式不太重視，導(dǎo)致多數(shù)車輛會(huì)發(fā)生躍出護(hù)欄的現(xiàn)象，從而容易導(dǎo)致人員傷亡，同時(shí)，當(dāng)汽車與護(hù)欄發(fā)生碰撞后，會(huì)因?yàn)轳偝鼋沁^大，導(dǎo)致事故車輛與正常行駛車輛發(fā)生二次碰撞，造成更大的交通事故。因此，研究汽車與公路護(hù)欄之間的碰撞問題，掌握碰撞過程中的相關(guān)規(guī)律，才能為合理選擇護(hù)欄結(jié)構(gòu)型式和設(shè)置護(hù)欄，進(jìn)一步完善和優(yōu)化護(hù)欄提供指導(dǎo)[4-8]。

下面擬采用有限元分析法，對(duì)F型和單坡型兩種混凝土護(hù)欄的碰撞安全性進(jìn)行分析，以期能為高速公路護(hù)欄設(shè)計(jì)施工提供借鑒。

1 有限元模型

1.1 小車模型

選用Ford Taurus 車型作為碰撞試驗(yàn)的仿真車型，該車型的總質(zhì)量為1.5t，車輛長(zhǎng)×寬×高=4.6m×1.8m×1.4m，總結(jié)點(diǎn)數(shù)為26945個(gè)，總單元數(shù)為28794個(gè)，總零件數(shù)為140個(gè)。利用HyperWorks軟件中的HyperMesh模塊建立該型轎車的有限元模型，見圖1。

圖1 小車有限元模型

1.2 護(hù)欄模型

我國(guó)常用的混凝土護(hù)欄結(jié)構(gòu)形式為F型與單坡型，根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，兩種形式護(hù)欄的基本結(jié)構(gòu)和尺寸見圖2。護(hù)欄防護(hù)等級(jí)按高速公路設(shè)計(jì)時(shí)速120km/h選取，護(hù)欄模型事故等級(jí)按最高等級(jí)SS級(jí)選取，采用HyperMesh模塊建立護(hù)欄的有限元模型，護(hù)欄單元類型為六面體單元，密度大小為2.4t/m3，護(hù)欄的長(zhǎng)度為42m，模型建立過程中忽略護(hù)欄之間的連接，將護(hù)欄視為一個(gè)整體進(jìn)行分析，整個(gè)護(hù)欄模型共包含32284個(gè)節(jié)點(diǎn)和26881個(gè)單元。見圖2。

圖2 F型和單坡型護(hù)欄示意

1.3 混凝土模型

護(hù)欄的混凝土材料選用LS-DYNA程序中自帶的連續(xù)面帽蓋模型(Mat-159)，該模型是一種彈塑性損傷模型，通過損傷指標(biāo)來(lái)衡量混凝土的性能劣化特性?；炷羻卧捎肧ECTION-SOLID八節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，混凝土骨料最大粒徑為19mm，侵蝕應(yīng)變?nèi)≈禐?.1，見圖3。

圖3 護(hù)欄混凝土有限元模型

2 參數(shù)設(shè)置

(1)碰撞點(diǎn)設(shè)置

根據(jù)《公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》的相關(guān)要求，車輛與護(hù)欄的碰撞點(diǎn)應(yīng)選在護(hù)欄起點(diǎn)沿行車方向的1/3處，汽車與護(hù)欄的碰撞角度為20°，汽車碰撞初速度為100km/h。

(2)接觸及約束設(shè)置

汽車自身的接觸采用*CONTACT-AUTOMATIC-SINGLE-SURFCE(接觸式自動(dòng)單面)，汽車輪胎與地面的接觸采用*RIGIDWALL-PLANER(剛性墻平面接觸)，汽車與護(hù)欄的接觸采用*CONTACT-AUTOMATIC-SINGLE-SURFACE(接觸式自動(dòng)單面)。由于混凝土護(hù)欄的強(qiáng)度和剛度較大，因此在模擬碰撞過程中可忽略護(hù)欄的位移影響，即對(duì)護(hù)欄的底部進(jìn)行約束(底部設(shè)置為固定端，約束6個(gè)自由度的方向)。

(3)傳感器即坐標(biāo)設(shè)置

在汽車內(nèi)部設(shè)置加速度傳感器并通過剛體與汽車連接在一起，用以捕捉碰撞過程中車輛的速度變化情況，同時(shí)，在加速度傳感器上設(shè)置坐標(biāo)系，車輛行駛方向?yàn)閤正方向，與車身垂直方向?yàn)閥方向。

3 安全性分析

3.1 阻擋功能

經(jīng)模擬分析得到的汽車在兩種護(hù)欄結(jié)構(gòu)形式下的碰撞損壞程度見圖4。從圖4中可以看到：在F型護(hù)欄或者單坡型護(hù)欄下，車輛均未發(fā)生騎跨現(xiàn)象，乘員艙完好，基本無(wú)損壞，表明兩種型式的混凝土護(hù)欄可以起到阻擋轎車躍出的效果；在碰撞仿真過程中，車輛的前右輪胎均發(fā)生了不同程度的破壞，但兩者的破壞程度有些區(qū)別，車輛在與F型護(hù)欄碰撞時(shí)產(chǎn)生的輪胎擠壓變形比車輛與單坡型護(hù)欄的碰撞更為嚴(yán)重。因此，僅就保護(hù)車輛而言，單坡型護(hù)欄的防護(hù)效果比F型護(hù)欄的防護(hù)效果更好。

圖4 不同混凝土護(hù)欄形勢(shì)下阻擋功能模擬結(jié)果

3.2 緩沖功能

當(dāng)車輛與護(hù)欄發(fā)生碰撞后，護(hù)欄會(huì)限制原來(lái)車輛的運(yùn)動(dòng)軌跡，在慣性力作用下，車輛會(huì)產(chǎn)生巨大的加速度，車內(nèi)人員在加速度作用下極易發(fā)生碰撞等傷害，加速度越大，車內(nèi)人員受到傷害的可能性和傷害程度也就越大，因此，需要對(duì)碰撞過程中的加速度進(jìn)行模擬，從而掌握不同結(jié)構(gòu)型式護(hù)欄的緩沖防撞性能。兩種結(jié)構(gòu)型式下的緩沖功能模擬結(jié)果見圖5。從圖5(a)中可以看到：?jiǎn)纹滦妥o(hù)欄和F型護(hù)欄的y方向的最大加速度分別為167m/s2和146m/s2，x方向的最大加速度分別為137m/s2和120m/s2，兩種結(jié)構(gòu)型式護(hù)欄的緩沖功能均滿足縱向和橫向加速度不大于200m/s2相關(guān)技術(shù)要求。

從圖5(b)中可以看到：?jiǎn)纹滦妥o(hù)欄和F型護(hù)欄的x方向和y方向的速度分量呈先增大后逐步趨于穩(wěn)定的變化特征，F(xiàn)型護(hù)欄的速度分量略大于單坡型護(hù)欄，當(dāng)碰撞時(shí)間為0.06～0.08s時(shí)，速度分量基本達(dá)到穩(wěn)定值；兩種結(jié)構(gòu)型式護(hù)欄的緩沖功能均滿足縱向和橫向速度分量不大于12m/s的相關(guān)技術(shù)要求。

從圖5(c)中可以看到：在兩種結(jié)構(gòu)型式的護(hù)欄下，小車的重心先開始略有降低，然后迅速升高，再迅速減小的一個(gè)變化過程；在碰撞后0～0.02s內(nèi)，由于小車輪胎發(fā)生壓縮變形，導(dǎo)致整體重心略有下降；當(dāng)碰撞后0.02～0.24s時(shí)間內(nèi)，小車重心開始急速上升，這是因?yàn)樽o(hù)欄坡面均有一定的傾斜角，當(dāng)車輛與護(hù)欄碰撞后，會(huì)沿著傾斜坡面產(chǎn)生爬升效應(yīng)(小車動(dòng)能轉(zhuǎn)化為勢(shì)能)，因而小車重心迅速增大，當(dāng)碰撞后0.24s后，車輛重心達(dá)到最大值，單坡型和F型的最大躍起高度分別為0.135m和0.15m，因此F型護(hù)欄所消耗的動(dòng)能更大，從而使得碰撞時(shí)產(chǎn)生的加速度小于單坡型護(hù)欄；當(dāng)碰撞0.24s后，小車逐漸回到地面。

圖5 不同混凝土護(hù)欄形勢(shì)下緩沖功能模擬結(jié)果

3.3 導(dǎo)向功能

所謂導(dǎo)向功能是小車在與護(hù)欄碰撞后能最大程度上避免側(cè)翻或者翻躍護(hù)欄的情況發(fā)生，以及避免被護(hù)欄彈回導(dǎo)致小車與其它車輛發(fā)生二次碰撞的情況發(fā)生，兩種結(jié)構(gòu)型式護(hù)欄的車輛在碰撞后的行駛軌跡見圖6。根據(jù)《公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)公路護(hù)欄導(dǎo)向功能的相關(guān)要求，當(dāng)車輛與護(hù)欄發(fā)生碰撞后不得翻車，同時(shí)碰撞后的行駛軌跡不應(yīng)超過直線F(直線F與護(hù)欄的平行間距為2.2+1.8+0.16×4.6=4.736m，直線F的長(zhǎng)度為10m)，以100km/h的模擬車速來(lái)看，在兩種護(hù)欄結(jié)構(gòu)型式下，車輛均未超出直線F，同時(shí)也沒有發(fā)生翻躍護(hù)欄的現(xiàn)象，因此，兩種結(jié)構(gòu)型式護(hù)欄均滿足導(dǎo)向功能要求。

圖6 不同混凝土護(hù)欄形勢(shì)下導(dǎo)向功能模擬結(jié)果

4 結(jié)論

采用有限元分析方法，對(duì)F型和單坡型兩種護(hù)欄結(jié)構(gòu)下的安全性進(jìn)行了模擬分析，得出如下結(jié)論：

(1)兩種護(hù)欄型式下均可以起到阻擋轎車躍出的效果，但單坡型護(hù)欄的防護(hù)效果比F型護(hù)欄的防護(hù)效果更好。

(2)單坡型護(hù)欄的加速度分量大于F型護(hù)欄，F(xiàn)型護(hù)欄的速度分量略大于單坡型護(hù)欄，但均滿足橫向和縱向加速度不大于200m/s2、速度分量不大于12m/s的相關(guān)技術(shù)要求。小車與F型護(hù)欄碰撞后產(chǎn)生的躍起高度大于與單坡型護(hù)欄碰撞產(chǎn)生的躍起高度。

(3)在兩種護(hù)欄結(jié)構(gòu)型式下，車輛均未超出直線F，同時(shí)也沒有發(fā)生翻躍護(hù)欄的現(xiàn)象，均滿足導(dǎo)向功能要求。