旋轉(zhuǎn)式防撞護(hù)欄碰撞仿真分析

王成銘，仲梁維

（200093 上海市 上海理工大學(xué)）

0 引言

國內(nèi)外交通事故的調(diào)研資料表明，合理設(shè)置滿足防護(hù)要求的護(hù)欄，可有效降低車輛沖出路側(cè)護(hù)欄或者穿越中分帶而發(fā)生二次碰撞的幾率，從而避免不必要的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡。旋轉(zhuǎn)式防撞護(hù)欄主要應(yīng)用在小半徑曲線段，隧道進(jìn)洞口過渡，互通出口三角端等危險(xiǎn)路段[3]。對(duì)于旋轉(zhuǎn)式防撞護(hù)欄的開發(fā)和安全性能評(píng)價(jià)具有重要意義。

研究人員已經(jīng)對(duì)護(hù)欄安全做了大量研究[4-5]，實(shí)車足尺寸碰撞實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)仿真分析方法是常用的護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)方法。而實(shí)車足尺寸碰撞實(shí)驗(yàn)雖然結(jié)果客觀真實(shí)，但是費(fèi)用高昂無法完全重復(fù)碰撞的過程，無法得到大規(guī)模應(yīng)用。計(jì)算機(jī)仿真分析因?yàn)橹芷诙?，費(fèi)用低，數(shù)據(jù)豐富已經(jīng)在護(hù)欄碰撞領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。對(duì)于新型護(hù)欄在計(jì)算機(jī)仿真分析的基礎(chǔ)上不斷優(yōu)化護(hù)欄結(jié)構(gòu)，再進(jìn)行護(hù)欄的實(shí)車足尺寸碰撞，可以在保證研發(fā)經(jīng)濟(jì)性和護(hù)欄可靠性的基礎(chǔ)上，最大程度縮短護(hù)欄的研發(fā)周期。

1 旋轉(zhuǎn)式防撞護(hù)欄

旋轉(zhuǎn)式防撞護(hù)欄主要由立柱、旋轉(zhuǎn)桶、套管、橡膠墊塊、回旋圈、橫梁、反光條及螺栓組成。護(hù)欄的側(cè)視圖如圖1 所示，采用一柱四欄的安裝方式。旋轉(zhuǎn)桶采用乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）和聚氨酯的復(fù)合材料制成，這種材料富有彈性、防撞耐磨，可有效避免旋轉(zhuǎn)桶受沖擊時(shí)被撞碎，旋轉(zhuǎn)桶良好的恢復(fù)力也確保其遭受嚴(yán)重撞擊后能快速恢復(fù)原狀[6]。旋轉(zhuǎn)桶還可以在立柱上自由旋轉(zhuǎn)，通過旋轉(zhuǎn)桶的旋轉(zhuǎn)將碰撞力進(jìn)行分解，帶動(dòng)失控車輛入射角度不斷減小，正確完成車輛導(dǎo)出，以降低二次事故的風(fēng)險(xiǎn)。此外，鮮艷的旋轉(zhuǎn)桶顏色也能夠提高駕駛員的注意力，保證行車安全。旋轉(zhuǎn)式防撞護(hù)欄的防護(hù)機(jī)理如圖2 所示。

圖1 旋轉(zhuǎn)式防撞護(hù)欄結(jié)構(gòu)參數(shù)圖Fig.1 Structural parameter of rotary guardrail

圖2 旋轉(zhuǎn)式防撞護(hù)欄原理圖Fig.2 Schematic diagram of rotary guardrail

2 有限元模型的建立

2.1 車輛有限元模型

為獲得更加真實(shí)的仿真結(jié)果，按照實(shí)際拆車情況建立了小轎車和大貨車的彈性體車模型[7]。車輛有限元模型尺寸和整車質(zhì)量都與實(shí)際車輛相一致。其中小轎車總質(zhì)量為1.5 t，長、寬、高分別為4 600，1 700，1 450 mm，有限元模型單元數(shù)為65 272 個(gè)，如圖3 所示。大貨車總質(zhì)量為10 t，長、寬、高分別為7 800，2 200，2 900 mm，有限元模型單元數(shù)為67 832 個(gè)，如圖4 所示。為得到準(zhǔn)確的車輛行駛軌跡，同時(shí)對(duì)車輛的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、重量分布、輪胎胎壓以及結(jié)構(gòu)剛度進(jìn)行校驗(yàn)，車輛模型經(jīng)校驗(yàn)后符合美國NATSA350 報(bào)告和歐洲EN1317 規(guī)定。

圖3 小轎車模型Fig.3 The finite element model of car

圖4 大貨車模型Fig.4 The finite element model of truck

2.2 護(hù)欄有限元模型

護(hù)欄主體部分采用shell 單元和solid 單元建立，單節(jié)護(hù)欄長度2 m，護(hù)欄總長度25 m，每500 mm 間距設(shè)置一個(gè)旋轉(zhuǎn)桶，橫梁、立柱材料采用Q235 鋼，網(wǎng)格類型為殼單元，厚度分別為4 mm 和4.5 mm，網(wǎng)格大小為5 mm，橡膠墊、EVA 旋轉(zhuǎn)桶、環(huán)形圈采用實(shí)體單元，網(wǎng)格大小為10 mm，總共生成641 247 個(gè)單元，其有限元部分如圖5 所示。

圖5 旋轉(zhuǎn)式防撞護(hù)欄有限元模型Fig.5 The finite element model of rotary guardrail

依據(jù)實(shí)際情況對(duì)護(hù)欄模型做如下處理：

當(dāng)我們需要觀察每個(gè)種類開銷在總開銷中的占比時(shí)，我們可以使用餅圖來對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化。我們首先要計(jì)算出每個(gè)種類的金額在總的開銷金額中的占比，然后將圓劃分為于金額占比大小相同的幾個(gè)扇形區(qū)域，并用不同的顏色對(duì)其進(jìn)行填充。

（1）地面采用全剛性處理[8]，不考慮其變形；

（2）立柱底部采用全約束處理，護(hù)欄兩端采用錨固處理；

（3）護(hù)欄螺栓采用beam 單元模擬，螺栓兩端連接處建立剛性連接；

（4）模型整體以xy平面為地面，車輛沿x軸正方向行駛，y軸正方向垂直護(hù)欄指向路外側(cè)。

3 碰撞參數(shù)設(shè)置

3.1 車輛參數(shù)設(shè)定

按照J(rèn)TG B05-01-2013《公路護(hù)欄性能安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的車輛護(hù)欄碰撞要求設(shè)置碰撞條件，A 級(jí)路側(cè)防護(hù)護(hù)欄的碰撞參數(shù)如表1 所示[9]。

表1 碰撞參數(shù)Tab.2 Collision parameters

3.2 碰撞接觸設(shè)定

車輛與護(hù)欄發(fā)生碰撞的過程中，由于新的接觸不斷產(chǎn)生，而且判斷接觸發(fā)生的方向存在較大困難，因此碰撞過程中接觸的處理較為復(fù)雜[10]。本次仿真按照車輛與護(hù)欄碰撞的實(shí)際情況設(shè)置接觸類型，接觸的滑動(dòng)摩擦系數(shù)取為0.15，碰撞系統(tǒng)中總共設(shè)置5 個(gè)接觸對(duì)：（1）護(hù)欄各部件自動(dòng)單面接觸；（2）車輛自身部件自動(dòng)單面接觸；（3）車輛與護(hù)欄自動(dòng)面面接觸；（4）橡膠墊塊、回旋圈與立柱綁定接觸；（5）車輪與地面剛性墻自動(dòng)約束。

4 碰撞仿真性能驗(yàn)證

驗(yàn)證護(hù)欄碰撞仿真性能的一個(gè)重要因素就是沙漏能，一般認(rèn)為系統(tǒng)沙漏能控制在10%以下則認(rèn)為碰撞過程仿真性能良好[11]。小轎車和大貨車碰撞仿真過程能量變化曲線分別如圖6、圖7 所示。從圖中可以看出，在碰撞的初始時(shí)刻，系統(tǒng)的動(dòng)能最大，內(nèi)能為零，動(dòng)能來自于汽車的初速度；當(dāng)碰撞發(fā)生后，整車的動(dòng)能開始下降，內(nèi)能開始升高，這是由于碰撞將車輛動(dòng)能的一部分轉(zhuǎn)化為車輛、護(hù)欄及旋轉(zhuǎn)桶變形產(chǎn)生的內(nèi)能，另一部分轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)桶轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)能以及摩擦產(chǎn)生的熱能；當(dāng)碰撞過程完成后，車輛駛離護(hù)欄，動(dòng)能和內(nèi)能便趨于穩(wěn)定。圖6 和圖7 中，Kinetic Energy 為動(dòng)能，Total Energy 為總能量，Internal Energy 為內(nèi)能，Hourglass Energy 為沙漏能。計(jì)算可知，小轎車的沙漏能占總能量的5.8%，大貨車的沙漏能占總能量的5.6%，均未超過總能量的10%，說明本次仿真計(jì)算的結(jié)果可信度較高。

圖6 小轎車仿真過程能量變化曲線Fig.6 Simulation process energy change curve of car

圖7 大貨車仿真過程能量變化曲線Fig.7 Simulation process energy change curve of truck

5 碰撞結(jié)果分析

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，在發(fā)生碰撞時(shí)，護(hù)欄應(yīng)該滿足如下功能：（1）阻擋功能；（2）緩沖功能；（3）導(dǎo)向功能。具體的評(píng)價(jià)指標(biāo)包括車輛行駛軌跡、護(hù)欄防護(hù)導(dǎo)向能力、乘員風(fēng)險(xiǎn)及護(hù)欄最大動(dòng)態(tài)變形量。此外考慮到發(fā)生碰撞時(shí)小轎車和大貨車在車身總質(zhì)量和行進(jìn)速度方面存在較大差異，因此可以根據(jù)不同車型的不同特點(diǎn)以最不利情況來驗(yàn)證護(hù)欄的三種功能，最大限度地保證護(hù)欄的可靠性。以小轎車碰撞結(jié)果評(píng)價(jià)緩沖功能，以大貨車碰撞結(jié)果評(píng)價(jià)阻擋功能，以小轎車和大貨車碰撞結(jié)果共同評(píng)價(jià)導(dǎo)向功能[12]。

5.1 小轎車仿真結(jié)果

5.1.1 乘員安全性

間接評(píng)價(jià)法是乘員風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法的一種，其根據(jù)車體重心處加速度計(jì)算乘員傷害指標(biāo)，參考相應(yīng)的限值評(píng)價(jià)乘員風(fēng)險(xiǎn)。乘員碰撞速度（OIV）和乘員碰撞后加速度（ORA）是評(píng)價(jià)護(hù)欄緩沖功能和乘員安全性的2 個(gè)重要指標(biāo)。OIV 指碰撞瞬間，乘員頭部相對(duì)于車體坐標(biāo)系的速度，ORA 指假設(shè)乘員頭部和乘員艙內(nèi)部發(fā)生碰撞后，乘員所經(jīng)歷的車輛10 ms 間隔加速度平均值的最大值[13]。本文采用美國標(biāo)準(zhǔn)分別對(duì)OIV 和ORA 的橫向和縱向分項(xiàng)值進(jìn)行研究。

觀察小轎車仿真的乘員碰撞速度變化曲線圖（圖8）可知，X方向碰撞速度最大值為10.5 m/s，Y方向碰撞速度最大值為7 m/s，均低于規(guī)范要求的12 m/s。觀察乘員碰撞后加速度變化曲線圖（圖9）可知，X方向碰撞后加速度為175 m/s2，Y方向碰撞后加速度最大值為120 m/s2，均低于規(guī)范要求的200 m/s2。觀察可知，小轎車和護(hù)欄的碰撞過程大致可以分為3 個(gè)階段：第1 個(gè)階段為0～0.015 s，這一階段為車輛正常行駛到與護(hù)欄發(fā)生碰撞，這一階段由于乘員受到慣性作用，乘員頭部和駕駛艙依舊保持同樣速度，從而乘員頭部沒有和乘員艙發(fā)生碰撞，所以O(shè)IV 值和ORA 值都為0；第2 階段為0.015～0.150 s，這一階段車輛右前側(cè)和護(hù)欄發(fā)生碰撞，使得乘員頭部相對(duì)乘員艙產(chǎn)生X方向的速度，并且車輛發(fā)生一定角度的轉(zhuǎn)向，從而引起乘員頭部Y方向速度和加速度的變化。第3 階段為0.15～0.30 s，這一階段乘員碰撞后X向和Y向加速度趨向于0 m/s2，同時(shí)乘員碰撞速度依舊存在。

圖8 乘員碰撞速度變化曲線Fig.8 Collision speed change curve

圖9 乘員碰撞后加速度10 ms 平均值變化曲線Fig.9 Post-collision acceleration 10 ms average change curve

5.1.2 護(hù)欄結(jié)構(gòu)完整性

小轎車和護(hù)欄碰撞過程中護(hù)欄起到了良好的防撞作用。碰撞后護(hù)欄的位移云圖如圖10 所示。護(hù)欄最大變形量為320.7 mm，低于國家標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的1 000 mm 的最大值，旋轉(zhuǎn)桶和立柱，護(hù)欄和立柱都保持了結(jié)構(gòu)的完整性，沒有出現(xiàn)立柱伏倒、橫梁斷裂的情況。

圖10 護(hù)欄位移云圖Fig.10 Displacement cloud chart of guardrail

5.1.3 車輛運(yùn)行軌跡

小轎車與護(hù)欄發(fā)生碰撞過程中，小轎車的運(yùn)行輪跡圖如圖11 所示。小轎車碰撞后的運(yùn)行輪跡滿足導(dǎo)向駛出框要求，與其他車輛發(fā)生二次碰撞的幾率較低，車輛駛出角度為10.2°，低于規(guī)范要求的12°，車輛沒有發(fā)生失控現(xiàn)象，可以順利導(dǎo)出。

圖11 小轎車運(yùn)行輪跡圖Fig.11 Moving trajectory of car

5.2 大貨車仿真結(jié)果

大貨車與護(hù)欄碰撞后護(hù)欄的位移云圖如圖12 所示。護(hù)欄最大變形量為461.9 mm，低于規(guī)范要求的1 000 mm 的最大值，護(hù)欄上旋轉(zhuǎn)桶部件未出現(xiàn)脫落，橫梁未出現(xiàn)斷裂，護(hù)欄局部由于吸收部分碰撞能量而產(chǎn)生了變形，但護(hù)欄完整性依舊良好。

圖12 護(hù)欄位移云圖Fig.12 Displacement cloud chart of guardrail

通過大貨車與護(hù)欄碰撞后大貨車的運(yùn)行輪跡（圖13）可以看出，車輛沒有穿越、翻越和騎跨護(hù)欄，大貨車運(yùn)行輪跡滿足導(dǎo)向駛出框要求；車輛沒有側(cè)翻傾向，車輛駛出角度為8.4°，可以恢復(fù)到正常行駛狀態(tài)，與正常行駛車輛發(fā)生二次碰撞的幾率較低。

圖13 大貨車運(yùn)行輪跡圖Fig.13 Moving trajectory of truck

5.3 抗沖擊性能仿真評(píng)價(jià)

依據(jù)JTGB 05-01-2013《公路護(hù)欄性能安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)護(hù)欄的抗沖擊性能進(jìn)行安全評(píng)價(jià)。護(hù)欄各個(gè)功能的評(píng)價(jià)結(jié)果如表2 所示。

表2 護(hù)欄抗沖擊性能仿真評(píng)價(jià)Tab.3 Simulation evaluation on crashworthiness of guardrail

對(duì)護(hù)欄抗沖擊性能仿真的結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)表明，護(hù)欄滿足公路護(hù)欄A 級(jí)防護(hù)等級(jí)，可以保證乘員的安全性、車輛運(yùn)行輪跡的合理性和護(hù)欄結(jié)構(gòu)的完整性。以小轎車碰撞為例，對(duì)比同等級(jí)的A 級(jí)波形梁護(hù)欄碰撞所產(chǎn)生的最大變形量（一般在700 mm 以上）[14]，旋轉(zhuǎn)式防撞護(hù)欄碰撞產(chǎn)生的最大變形量為320 mm，能夠使護(hù)欄最大動(dòng)態(tài)變形量減小50%左右，可以有效防止車輛沖出護(hù)欄，避免二次碰撞的發(fā)生。

6 結(jié)論

本文針對(duì)一種A 級(jí)旋轉(zhuǎn)式防撞護(hù)欄，通過建立車輛—護(hù)欄碰撞系統(tǒng)的有限元模型，利用顯示動(dòng)力學(xué)軟件LS-Dyna 求解碰撞過程，比較了不同碰撞車型條件下車輛和護(hù)欄碰撞響應(yīng)的差異，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

（1）二次仿真系統(tǒng)沙漏能均小于總能量的10%，說明仿真過程準(zhǔn)確可靠，能夠代表碰撞的真實(shí)過程。

（2）對(duì)碰撞過程車輛運(yùn)行輪跡進(jìn)行分析，可以看出旋轉(zhuǎn)式防撞護(hù)欄導(dǎo)向性能良好。

（3）通過分析碰撞過程OIV 值和ORA 值，能夠發(fā)現(xiàn)護(hù)欄緩沖性能滿足規(guī)范要求。

（4）通過對(duì)比同等級(jí)波形梁護(hù)欄，旋轉(zhuǎn)式防撞護(hù)欄在碰撞后護(hù)欄最大動(dòng)態(tài)變形量方面優(yōu)勢(shì)明顯。

隨著護(hù)欄結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化和材料科學(xué)的不斷發(fā)展，旋轉(zhuǎn)式防撞護(hù)欄可以沖擊更高等級(jí)的護(hù)欄防護(hù)要求，在公路危險(xiǎn)路段的應(yīng)用可以更大程度地保護(hù)乘員和車輛的安全，但還需要實(shí)車足尺寸碰撞實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步檢驗(yàn)。