基于LS-DYNA的橋墩防撞裝置性能研究

張林凱,何見強(qiáng),陳忠宇

(武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院，湖北 武漢 430063)

0 引 言

隨著城市交通運(yùn)輸業(yè)的迅速發(fā)展,在日常交通運(yùn)輸過(guò)程中,車輛與橋墩發(fā)生碰撞的事故時(shí)有發(fā)生。車輛撞擊橋梁不僅是嚴(yán)重的交通事故,還會(huì)導(dǎo)致橋梁損毀,造成經(jīng)濟(jì)損失的同時(shí)對(duì)人生命造成威脅。目前,中國(guó)對(duì)于車橋碰撞及防撞裝置的研究尚處于起步階段,相關(guān)規(guī)范也不完善,因此對(duì)車橋碰撞和防撞裝置研究很有必要。本文主要研究不同材料的附著式防撞裝置對(duì)橋墩防撞性能的影響,通過(guò)防撞裝置消耗能量,使其傳遞給橋墩的能量大大減小,起到保護(hù)橋墩的作用。

泡沫鋁屬于多孔金屬材料,近年來(lái),泡沫鋁憑借質(zhì)量輕、吸能效率高等優(yōu)點(diǎn),被大量地應(yīng)用于制造緩沖裝置、減震裝置以及保險(xiǎn)杠等安全裝置。徐東豐[1]分析了汽車撞擊帶有泡沫鋁防護(hù)裝置橋墩的外部動(dòng)力響應(yīng)問(wèn)題,證明了泡沫鋁防護(hù)裝置對(duì)橋墩可以起到保護(hù)作用。橡膠混凝土作為一種新型的骨料混凝土,可以吸收大量能量,而并不改變混凝土中各組成材料的化學(xué)性能[2]。李偉龍[3]設(shè)計(jì)了一種橡膠混凝土覆層作為橋梁的防撞結(jié)構(gòu),證明了采用橡膠混凝土材料作為防撞層是可行的。

目前,許多學(xué)者對(duì)不同材料組合而成的防撞裝置也進(jìn)行了相應(yīng)的研究。胥睿[4]對(duì)鋼板-橡膠混凝土復(fù)合覆層應(yīng)用于橋墩防撞做了介紹;唐進(jìn)元等[5]設(shè)計(jì)了一種基于泡沫鋁“三明治”結(jié)構(gòu)的新型斜井跑車防護(hù)裝置,采用鋁合金材料作為夾層板,分析其吸能特性和可能的失效形式;劉海證等[6]研究了泡沫鋁外包混凝土橋墩的防撞性能,證明其能對(duì)車輛、橋墩都起到很好的保護(hù)作用。本文設(shè)計(jì)了一種泡沫鋁外包橡膠混凝土防撞裝置,其綜合了泡沫鋁和橡膠混凝土各自的優(yōu)點(diǎn),并將其與泡沫鋁防撞裝置和橡膠混凝土防撞裝置進(jìn)行對(duì)比,通過(guò)能量轉(zhuǎn)化、撞擊力大小和裝置撞深分析來(lái)研究整個(gè)碰撞過(guò)程的動(dòng)力響應(yīng)。

1 有限元模型概況

1.1 車輛模型

本文參考了一輛Ford 800卡車模型,相關(guān)技術(shù)參數(shù)可以查詢得到[7]。整個(gè)車輛有限元模型主要由車頭、保險(xiǎn)杠、車架、車廂等部位組成,在簡(jiǎn)化車輛模型中,需要對(duì)車輛結(jié)構(gòu)的特性進(jìn)行準(zhǔn)確模擬,包括質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、結(jié)構(gòu)重力以及剛度等。車輛各部位的詳細(xì)材料參數(shù)見表1。

表1 車輛各部位材料參數(shù)

車橋碰撞是一個(gè)大變形、高壓、高應(yīng)變的過(guò)程,在碰撞過(guò)程中車頭和保險(xiǎn)杠的變形非常大,還有可能出現(xiàn)嚴(yán)重的屈曲、壓潰破壞,因此還需要考慮材料的失效和應(yīng)變率影響,故此處采用了Cowper-Symonds模型,其屈服應(yīng)力公式如下:

(1)

式中:EP表示材料塑性硬化模量,由下式給出:

(2)

相關(guān)參數(shù)見表2。

表2 車頭材料模型參數(shù)

車廂材料不直接參與碰撞,則可以當(dāng)作剛性體來(lái)模擬,這樣可以提高計(jì)算效率,并可通過(guò)車廂的殼單元厚度來(lái)模擬不同質(zhì)量的車輛進(jìn)行研究。

1.2 橋墩模型

本文選取荊州市毛市段某引橋?qū)嵭膱A柱橋墩作為研究對(duì)象,直徑為1.5 m,高為7 m,采用SOLID 164實(shí)體單元進(jìn)行模擬,混凝土等級(jí)為C30?；炷敛牧峡箟?、抗拉等力學(xué)性能比較復(fù)雜,其本構(gòu)模型的研究也有相關(guān)理論。本文橋墩模型采用在高速碰撞領(lǐng)域中運(yùn)用較多的HJC損傷本構(gòu)模型,其等效屈服應(yīng)力強(qiáng)度如下式所示:

(3)

上式各參數(shù)含義通過(guò)查閱文獻(xiàn)[8]查閱可知,不在此一一贅述?；炷敛牧媳緲?gòu)參數(shù)的具體取值見表3。

表3 HJC材料本構(gòu)參數(shù)表

1.3 防撞裝置模型

泡沫鋁防撞裝置采用顯式SOLID 164單元,厚度為0.3 m,泡沫鋁材料選用LS-DYNA材料庫(kù)中的MAT-63號(hào)可壓縮泡沫材料模型(關(guān)鍵字為MAT-CRUSHABLE-FOAM)來(lái)模擬。在車橋碰撞過(guò)程中,需要考慮材料的應(yīng)變率影響,泡沫鋁材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為:

(4)

表4 泡沫鋁材料本構(gòu)參數(shù)取值

橡膠混凝土材料采用HJC本構(gòu)模型來(lái)模擬,厚度為0.3 m,參考李偉龍學(xué)者的橡膠混凝土材料靜力力學(xué)性能試驗(yàn)及壓滯回試驗(yàn)確定橡膠混凝土材料模型的計(jì)算參數(shù)。相關(guān)參數(shù)見表5,未標(biāo)注參數(shù)與表3相同。

表5 橡膠混凝土材料 HJC本構(gòu)參數(shù)表

泡沫鋁外包橡膠混凝土，采用0.2 m厚的泡沫鋁材料并外包0.1 m的橡膠混凝土材料,材料各參數(shù)如上所述。最終建立的有限元模型如圖1所示。

圖1 車-防撞裝置-橋墩碰撞有限元模型

2 碰撞結(jié)果分析

本文采用總質(zhì)量為8 t的卡車以80 km/h的速度分別與帶有上述三種防撞裝置的橋墩進(jìn)行正面對(duì)中碰撞模擬,運(yùn)用LS-PrePost軟件進(jìn)行后處理,對(duì)碰撞過(guò)程中的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行分析。

2.1 能量時(shí)程分析

圖2～圖4分別是泡沫鋁防撞裝置、橡膠混凝土防撞裝置和泡沫鋁外包橡膠混凝土防撞裝置的能量時(shí)程變化圖,從圖中可以看出:總質(zhì)量為8 t的卡車以80 km/h的速度撞擊三種防撞裝置的總能量為1.96×106J,碰撞結(jié)束后三種工況的界面滑移能分別為4.35×104J、3.53×104J、4.39×104J,分別占總能量的2.2%、1.8%、2.2%,采用全積分的方式使沙漏能始終為0,沙漏能和界面滑移能之和不超過(guò)總能量的10%,計(jì)算結(jié)果滿足有限元仿真計(jì)算要求[9],驗(yàn)證了上述三種防撞裝置有限元模型的可靠性。

從整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)能時(shí)程曲線可以看出,碰撞過(guò)程中,車輛的動(dòng)能逐漸轉(zhuǎn)化為防撞裝置和橋墩的內(nèi)能,小部分轉(zhuǎn)化為接觸界面的滑移能,動(dòng)能減小的速度隨時(shí)間變小,這是因?yàn)殡S著時(shí)間增加防撞裝置產(chǎn)生相應(yīng)的變形,強(qiáng)度開始增加,隨后動(dòng)能有小幅上升,是因?yàn)榉雷惭b置強(qiáng)度的增加和橋墩的阻滯作用,出現(xiàn)了速度反彈,但回彈速度非常小,最后趨于穩(wěn)定。系統(tǒng)的內(nèi)能和動(dòng)能曲線變化趨勢(shì)幾乎相反,符合實(shí)際碰撞過(guò)程變化規(guī)律。

圖2 泡沫鋁防撞裝置能量時(shí)程圖

圖3 橡膠混凝土防撞裝置能量時(shí)程圖

圖4 泡沫鋁外包橡膠混凝土防撞裝置能量時(shí)程圖

2.2 撞擊力分析

圖5表示的是三種防撞裝置在碰撞過(guò)程中的橋墩撞擊力時(shí)程圖,從中可以看到帶有防撞裝置后橋墩所受的撞擊力峰值明顯下降,無(wú)防撞裝置時(shí)撞擊力峰值為6 175 kN,峰值出現(xiàn)時(shí)間為0.009 s。增設(shè)防撞裝置后,泡沫鋁防撞裝置、橡膠混凝土防撞裝置、泡沫鋁外包橡膠混凝土防撞裝置撞擊力峰值分別為4 389 kN、4 866 kN、4 717 kN,與無(wú)裝置時(shí)橋墩所受撞擊力分別減小了28.9%、21.2%、23.6%,撞擊力峰值出現(xiàn)時(shí)間分別為0.012 s、0.008 s、0.010 s,泡沫鋁防撞裝置撞擊力減少得最多,但基本和泡沫鋁外包橡膠混凝土防撞裝置差別不大,橡膠混凝土防撞裝置撞擊力減少得最少。說(shuō)明了泡沫鋁材料和橡膠混凝土具有很好的吸能特性,泡沫鋁外包橡膠混凝土防撞裝置吸能特性介于兩者之間,但基本與泡沫鋁防撞裝置相同。

圖5 車-防撞裝置-橋墩模型撞擊力時(shí)程圖

2.3 裝置撞深分析

圖6是三種防撞裝置撞深時(shí)程曲線圖,其最終塑性撞深分別為7.81 cm,1.15 cm、5.86 cm,從而可以看出,泡沫鋁防撞裝置產(chǎn)生了最大變形,其剛度最小,最大變形為8.82 cm;橡膠混凝土防撞裝置最大變形僅為1.50 cm,其剛度最大;泡沫鋁外包橡膠混凝土防撞裝置剛度介于兩者之間,最大變形為6.27 cm。防撞裝置的剛度與撞深呈負(fù)相關(guān),即在保證撞擊力滿足規(guī)范要求的前提下,防撞裝置結(jié)構(gòu)的剛度與其撞深成反比,因此可以看出泡沫鋁防撞裝置的結(jié)構(gòu)剛度最小,橡膠混凝土防撞裝置結(jié)構(gòu)剛度最大,而泡沫鋁外包橡膠混凝土結(jié)構(gòu)剛度介于兩者之間,說(shuō)明泡沫鋁外包橡膠混凝土防撞裝置兼具兩種材料的特性,不僅可以吸收大量能量,且不會(huì)產(chǎn)生較大的裝置變形。

圖6 防撞裝置撞深時(shí)程曲線圖

3 結(jié)束語(yǔ)

本文運(yùn)用ANSYS/LS-DYNA軟件建立了三種不同防撞材料的車-防撞裝置-橋墩有限元模型,并簡(jiǎn)要介紹了仿真模型的單元類型、材料以及相應(yīng)參數(shù)的取值。通過(guò)一典型工況,對(duì)三種材料的防撞裝置碰撞過(guò)程中能量轉(zhuǎn)化、撞擊力大小和裝置撞深進(jìn)行了相應(yīng)分析。結(jié)果表明:三種裝置中泡沫鋁防撞裝置撞擊力減少得最多,但基本和泡沫鋁外包橡膠混凝土防撞裝置差別不大,橡膠混凝土防撞裝置撞擊力減少得最少;泡沫鋁防撞裝置剛度最小,橡膠混凝土防撞裝置剛度最大,泡沫鋁外包橡膠混凝土防撞裝置剛度介于兩者之間,其兼具泡沫鋁材料和橡膠混凝土的受力特點(diǎn),具有良好的吸能特性,能在產(chǎn)生較小的變形值的情況下吸收更多的能量。