公路交通中汽車防撞護(hù)欄性能比選及優(yōu)化

張藍(lán)月　鄒鵬

【摘 要】隨著交通運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展，交通安全問題也逐漸突出，公路護(hù)欄是公路交通安全防護(hù)最為常見的措施。文章進(jìn)行了汽車模型的簡(jiǎn)化模擬驗(yàn)證，建立了汽車-護(hù)欄耦合顯示動(dòng)力學(xué)數(shù)值模型，研究了雙波形梁、雙條形梁、三波形梁、柔性四纜索不同類型的護(hù)欄的防撞性能，得到護(hù)欄在汽車撞擊作用下的變形、耗能效果，結(jié)果表明：半剛性護(hù)欄和柔性護(hù)欄在汽車碰撞過程中變形量在安全范圍內(nèi)，柔性護(hù)欄的吸能效果較差，但其單位質(zhì)量耗能率大于半剛性護(hù)欄，且增加耗能器優(yōu)化后的柔性護(hù)欄可實(shí)現(xiàn)更高的單位質(zhì)量耗能率和吸能比。

【關(guān)鍵詞】交通安全; 護(hù)欄; 數(shù)值模擬; 優(yōu)化

【中圖分類號(hào)】U417.1+2【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】B

隨著我國(guó)交通運(yùn)輸體系不斷完善，我國(guó)高速公路通車?yán)锍叹邮澜绲谝晃?，由此產(chǎn)生的交通安全問題也愈發(fā)不可忽視。據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，在我國(guó)每年1/3的高速公路交通事故為車輛與路側(cè)結(jié)構(gòu)的碰撞，且該比例呈逐年上升趨勢(shì)[1]。因此在公路上設(shè)置合適的防撞護(hù)欄對(duì)特、重大惡性交通事故的防治，具有重大意義。

護(hù)欄作為高速公路的主要安全設(shè)施，起著吸收汽車撞擊能量、減小汽車碰撞加速度峰值重要作用，另一方面它可以將失控車輛導(dǎo)向正常的行駛方向的關(guān)鍵作用。護(hù)欄按力學(xué)特性可分為：剛性護(hù)欄、半剛性護(hù)欄和柔性護(hù)欄三類[2]。本文從雙波形梁半剛性護(hù)欄入手，利用LS-DYNA有限元軟件進(jìn)行汽車撞擊仿真模擬，分析護(hù)欄在碰撞過程中的最大橫向變形量、撞擊力、吸能情況等動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng);進(jìn)一步對(duì)已有幾種形式的護(hù)欄（雙條形梁護(hù)欄[3]、三波形梁護(hù)欄、柔性四纜索護(hù)欄）進(jìn)行汽車撞擊仿真模擬，比選各個(gè)護(hù)欄結(jié)構(gòu)的吸能效果;對(duì)護(hù)欄形式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用增加耗能器的方法，使其材料成本、自重更低的同時(shí)，擁有更優(yōu)的吸能效果。

1 碰撞仿真總體流程

一個(gè)完整的有限元模型需經(jīng)歷前處理、求解和后處理三個(gè)過程。為了真實(shí)再現(xiàn)汽車撞擊護(hù)欄的動(dòng)態(tài)過程，更好地反映護(hù)欄的動(dòng)力力學(xué)特性，采用圖1所示的仿真模擬流程[2]。

2 汽車有限元模型的建立

2.1 汽車模型簡(jiǎn)化

按照我國(guó)規(guī)范中[3]規(guī)定的初始碰撞條件，在美國(guó)碰撞安全分析中心（CCSA）選用了一款符合要求的汽車模型，如圖2所示。為提高計(jì)算效率對(duì)現(xiàn)有精細(xì)汽車模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，保留汽車原結(jié)構(gòu)的形狀及布置，將車身簡(jiǎn)化為空間框架結(jié)構(gòu)，忽略不涉及碰撞的部分車身蒙皮對(duì)總體強(qiáng)度和剛度的加強(qiáng)作用;并對(duì)車身中的曲梁進(jìn)行以直代曲處理;汽車底盤采用相交鋼板提高整體剛度和車身完整性，前端碰撞區(qū)域考慮實(shí)際碰撞情況，采用弧形鋼板模擬;例如發(fā)動(dòng)機(jī)等質(zhì)量集中處，采用加集中質(zhì)量點(diǎn)的方式保證質(zhì)量分布[5]。簡(jiǎn)化后的模型如圖3所示。

2.2 汽車簡(jiǎn)化模型驗(yàn)證

對(duì)已有汽車模型的簡(jiǎn)化，車輛的碰撞性能有可能發(fā)生變化，因此需對(duì)簡(jiǎn)化后的模型進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證的初始條件為：汽

車正前方60 mm處為剛性墻，賦予轎車初速度90 km/h，使其與剛性墻發(fā)生正面碰撞。如圖4、圖5所示，簡(jiǎn)化模型與精細(xì)模型的動(dòng)力響應(yīng)（變形、能量、速度）等基本一致，可驗(yàn)證該簡(jiǎn)化汽車模型的正確性。

3 護(hù)欄有限元模型的建立

本文研究比選的護(hù)欄有四種，包括雙波形梁護(hù)欄、雙條形梁護(hù)欄、三波形梁護(hù)欄、柔性四纜索護(hù)欄，如圖6所示。此處以雙波形梁護(hù)欄為例說明護(hù)欄有限元模型的建立過程，該護(hù)欄由雙波形護(hù)欄板、立柱、防阻塊和地基等幾部分組成[6]，護(hù)欄總長(zhǎng)20 m，共5跨，包括6根立柱，根據(jù)JTG/T D81-2017《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則》[7]對(duì)各部分進(jìn)行建模。

3.1 波形梁護(hù)欄板的模擬

圓柱形立柱外徑為114 mm、厚度為4.5 mm、高1 850 mm，750 mm位于地面上、1 100 mm埋于地基中。其中，防阻塊是波形梁護(hù)欄板與立柱之間的承力部件，可通過自身變形吸收一部分碰撞能量，將護(hù)欄板受到的碰撞沖擊力分散傳遞給多根立柱，使護(hù)欄板受力更均勻，增加護(hù)欄結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度，護(hù)欄整體有限元模型如圖7所示。模型中單元類型采用*SECTION_SHELL四節(jié)點(diǎn)殼單元，選用Belytschko-Tsay單元類型，采用多段線性彈塑性材料模型，具體材料屬性見表1。

3.2 護(hù)欄各組件的連接

護(hù)欄板與防阻塊、防阻塊與立柱之間采用焊點(diǎn)（Spotweld）單元來模擬螺栓的連接效果[8]。焊點(diǎn)單元的失效判別準(zhǔn)則為：

式中：fsn為點(diǎn)焊所能承受的軸向極限拉力，取70 kN;fss為點(diǎn)焊所能承受的軸向極限剪切力，取45 kN;Sn為點(diǎn)焊所能承受的拉力;Ss為點(diǎn)焊所能承受的剪切力;m為法向點(diǎn)焊指數(shù)，取值為2;n為剪切點(diǎn)焊指數(shù)，取值為2。

4 汽車-護(hù)欄耦合模型的建立

模擬的雙波形梁護(hù)欄選用Am防撞等級(jí)，因此采用的汽車碰撞初始條件為：初始碰撞速度90 km/h，碰撞角度20 °，沖擊位置為護(hù)欄跨中兩根柱之間的護(hù)欄板中部。如圖8所示。

模型邊界條件：護(hù)欄立柱固定地面以下部分，車身骨架之間采用剛接，輪胎無滑動(dòng)、與地面為滾動(dòng)摩擦。模型接觸關(guān)系：車身骨架的梁柱與護(hù)欄、地面為自動(dòng)梁-面接觸，耦合模型間其他部件為自動(dòng)面-面接觸。

4.1 碰撞模擬結(jié)果分析

在碰撞仿真過程中，車輛未發(fā)生翻越、下鉆等現(xiàn)象，護(hù)欄結(jié)構(gòu)基本完整，說明護(hù)欄阻擋能力合格[9]。在0.04 s，汽車跟護(hù)欄發(fā)生接觸;0.32 s汽車左前輪與護(hù)欄第三根柱發(fā)生碰撞;0.625 s汽車在撞擊后轉(zhuǎn)變角度離開護(hù)欄，但護(hù)欄未能完全成功將車輛導(dǎo)向正確行駛方向。從圖9中可以看到，第二、第三和四立柱處變形較為嚴(yán)重，在0.23 s時(shí)護(hù)欄出現(xiàn)最大變形610 mm（圖10），小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的1 000 mm[4]。

從圖12（a）中可以看出，隨著碰撞過程的延續(xù)，汽車動(dòng)能在碰撞后急速下降，護(hù)欄產(chǎn)生塑性變形，內(nèi)能增大;由于碰撞中摩擦做功和熱量的耗散，系統(tǒng)的總能量有下降。其中雙波形梁護(hù)欄耗能占總能量的比例為78.77 %，汽車碰撞后加速度橫向和縱向的峰值分別為10.3g、4.34g，均小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的20g[4]，說明其緩沖功能合格。

4.2 各護(hù)欄形式的比選

選取在我國(guó)高速公路應(yīng)用較為廣泛的幾種護(hù)欄形式：雙波形梁護(hù)欄、雙條半剛性護(hù)欄、三波形梁護(hù)欄和柔性四纜索護(hù)欄進(jìn)行吸能效果比選。

從圖10可知三波形梁護(hù)欄最大橫向變形量最大為636 mm，柔性四纜索護(hù)欄最大橫向變形量最小為400 mm，均小于規(guī)范規(guī)定的1 000 mm。從圖11可以對(duì)比幾種護(hù)欄汽車車身的X向（汽車行進(jìn)方向）加速度，發(fā)現(xiàn)雙波形梁護(hù)欄對(duì)汽車的緩沖效果最明顯，柔性纜索護(hù)欄對(duì)汽車的緩沖效果最差。

從圖12可知三波形梁護(hù)欄的碰撞吸能比最大為84.45 %，柔性四纜索護(hù)欄的碰撞吸能比最小為56.13 %，可以得出柔性四纜索護(hù)欄的吸能效果最差，三波形梁護(hù)欄的吸能效果最好。

4.3 護(hù)欄優(yōu)化設(shè)計(jì)

由方案比選可知，柔性四纜索護(hù)欄（圖13）的耗能比率最低，僅為56.13 %，因此針對(duì)此方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在纜索兩端添加耗能器（圖14）提高護(hù)欄的變形能力和緩沖能力。

在汽車碰撞護(hù)欄過程中，耗能器成功啟動(dòng)進(jìn)入拉伸段工作，實(shí)現(xiàn)了更好的耗能效果。如圖15所示。優(yōu)化后的柔性纜索護(hù)欄變形能力增大，具有更優(yōu)的緩沖能力，且最大變形量492 mm仍小于規(guī)范規(guī)定的1 000 mm，符合要求。優(yōu)化后的柔性纜索護(hù)欄與其他形式的護(hù)欄相比，在相近的吸能比下，其質(zhì)量可減少一半以上。優(yōu)化后的柔性纜索護(hù)欄與其他類型的的沖擊結(jié)果對(duì)比如表2所示。

5 結(jié)論

結(jié)合上述不同類型護(hù)欄的比選，可得到以下結(jié)論：

（1）符合規(guī)范的幾種類型的護(hù)欄均能滿足安全防護(hù)要求，變形量在安全范圍之內(nèi)。

（2）柔性護(hù)欄的橫向變形小于半剛性護(hù)欄，柔性護(hù)欄的吸能效果較差，但其單位質(zhì)量耗能率大于半剛性護(hù)欄，且柔性護(hù)欄可成功將汽車導(dǎo)向至正確行駛方向。

（3）增加耗能器優(yōu)化設(shè)計(jì)后的柔性護(hù)欄單位質(zhì)量耗能率出現(xiàn)了顯著提升，且耗能能力增加了20 %。

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[定稿日期]2021-03-02

[作者簡(jiǎn)介]張藍(lán)月（1995～），女，碩士，研究方向?yàn)榉雷o(hù)結(jié)構(gòu)。