SAm 級中央分隔帶波形梁新型護欄碰撞研究

汪志勇，甘樹兵，王勝

（1.宜春公路勘察設(shè)計院，江西 宜春 33600；2.宜春市公路管理局直屬分局，江西 宜春 33600；3.長沙理工大學(xué) 汽車與機械工程學(xué)院，湖南 長沙 410114）

0 引言

中央分隔帶護欄作為公路安全行駛重要保障措施，具有分隔車流，防止車輛穿過車道的作用［1-3］。在公路交通事故發(fā)生時，護欄裝置還具備吸能導(dǎo)向作用［4-7］，能夠最大程度降低事故損失［8-12］。但隨著中國汽車保有量的飛速增長以及人們對行車安全要求的提高，已有護欄結(jié)構(gòu)并不能滿足出行安全需求，因此研究開發(fā)出高防護等級的護欄結(jié)構(gòu)尤為重要。

針對上述問題，本文設(shè)計一款防撞等級達(dá)到SAm 級的中央分隔帶護欄，主要結(jié)構(gòu)采用抗撞性能較好的130 mm×130 mm×6 mm 矩形鋼立柱與長3 m 的三波板。為驗證所設(shè)計的中央分隔帶護欄（為便于區(qū)分，后文將其統(tǒng)稱為“新型護欄”）達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)中所要求的SAm 級，以《公路護欄安全評價標(biāo)準(zhǔn)》（2013 版）的試驗車輛對護欄標(biāo)準(zhǔn)段進(jìn)行碰撞仿真分析。

1 護欄碰撞條件和評價標(biāo)準(zhǔn)

1.1 碰撞條件

按照中國公路法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)［2］，SAm 級護欄的試驗條件見表1。

表1 護欄試驗條件

1.2 評價標(biāo)準(zhǔn)

（1）中央分隔帶護欄作為中國常用公路護欄的一種，應(yīng)具備較為基礎(chǔ)的車輛阻攔及導(dǎo)向功能。

（2）中央分隔帶護欄在滿足阻攔和導(dǎo)向功能的同時還應(yīng)具備緩沖吸能功能，具體要求汽車碰撞后各向加速度均小于20g。

（3）考慮到中央分隔帶允許變形區(qū)域有限，以及避免車輛在碰撞過程中出現(xiàn)側(cè)翻現(xiàn)象，將新型護欄最大動態(tài)變形量上限值設(shè)為試驗車輛最大寬度的一半，即1 200 mm。獲得新型護欄評估標(biāo)準(zhǔn)，如表2 所示。

表2 新型護欄評估標(biāo)準(zhǔn)

2 仿真模型的建立

2.1 新型護欄的幾何模型

新型護欄主要由三波板、矩形立柱、防阻塊、混凝土板和鋼筋組成，三維模型如圖1 所示。

圖1 新型護欄三維模型

2.2 新型護欄尺寸

經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，在確定混凝土板與防阻塊的外形輪廓之后，波形板梁的中心高度成為影響車輛能否達(dá)到安全標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵。

以中國現(xiàn)有的一款高速公路護欄作為參考，如圖2 所示，其所設(shè)計的護欄中心離地高度為800 mm?？紤]到新型護欄設(shè)計不同，需要根據(jù)碰撞效果調(diào)節(jié)新型護欄中心高度。

圖2 現(xiàn)有護欄尺寸圖（單位：mm）

經(jīng)過多次碰撞仿真分析，確定將三波板離地中心高度設(shè)置為747 mm。新型護欄結(jié)構(gòu)的混凝土塊尺寸及整體結(jié)構(gòu)側(cè)面如圖3 所示。

圖3 新型護欄尺寸圖

2.3 新型護欄材料屬性

新型護欄的三波板、矩形立柱和防阻塊主要由235 號低碳鋼制造而成，在仿真分析時，使用LS-DYNA 材料庫中的24 號材料模型進(jìn)行模擬，該材料模型能夠較好地反映低碳鋼的機械性能。

式 中：σ為 動 態(tài) 流 動 應(yīng) 力；σ0為 初 始 應(yīng) 力 值；ε?為 應(yīng) 變率。C和P為材料常數(shù)，本研究中將其取值分別設(shè)置為40 和5。

三波板、矩形立柱和防阻塊的材料參數(shù)見表3。

表3 材料模型參數(shù)

此外，使用材料庫中的*MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CONCRETE_TITLE 材料模型模擬混凝土板。使用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC_TITLE 材料模型模擬鋼筋，兩種材料參數(shù)分別如表4、5 所示。

表4 混凝土JHC 模型材料參數(shù)

表5 鋼筋模型材料參數(shù)

2.4 新型護欄有限元模型

新型護欄整體有限元模型如圖4 所示。其中，使用面網(wǎng)格劃分新型護欄的三波板、矩形立柱和防阻塊，使用六面體網(wǎng)格劃分混凝土板。

圖4 新型護欄結(jié)構(gòu)有限元模型

在車輛與護欄碰撞仿真分析時，為避免因部件之間相互接觸造成的穿透問題，使用“自接觸”定義部件內(nèi)部的接觸關(guān)系。使用“面面接觸”定義車輛與護欄之間的接觸關(guān)系，動摩擦系數(shù)為0.3，靜摩擦系數(shù)為0.15。根據(jù)中國公路法規(guī)規(guī)定的碰撞分析條件設(shè)置有限元模型碰撞初始條件，建立三次碰撞試驗有限元模型，如圖5 所示。

圖5 新型護欄結(jié)構(gòu)碰撞有限元模型

3 新型護欄碰撞仿真結(jié)果

在完成試驗車輛與新型護欄碰撞模型計算后，對試驗車輛與新型護欄碰撞過程具體結(jié)果進(jìn)行分析。

3.1 護欄導(dǎo)向能力分析

首先，3 款試驗車輛碰撞新型護欄后均可以實現(xiàn)導(dǎo)向，具體動畫如圖6～8 所示。

圖6 小型客車碰撞護欄過程圖

圖7 中型客車碰撞護欄過程圖

圖8 大型貨車碰撞護欄過程圖

3.2 加速度分析

3 款車輛各向加速度曲線如圖9～11 所示，其碰撞過程中各向加速度最大值列于表6。由表6 可知：小型客車、中型客車、大型貨車碰撞過程中加速度最大值分別為13.8g、7.79g、8.60g，都小于20g。

圖9 小型客車質(zhì)心各向加速度

圖10 中型客車質(zhì)心各向加速度

圖11 大型貨車質(zhì)心各向加速度

表6 試驗車輛的加速度結(jié)果

3.3 橫向動態(tài)偏移量分析

對3 款試驗車輛碰撞新型護欄產(chǎn)生的動態(tài)變形進(jìn)行分析，3 款試驗車輛碰撞新型護欄后，新型護欄產(chǎn)生的最大動態(tài)變形量列于表7。由表7 可知：3 款試驗車輛碰撞新型護欄后產(chǎn)生的最大動態(tài)變形量均小于1 200 mm。

表7 車輛-護欄橫向偏移量

3.4 新型護欄與傳統(tǒng)護欄碰撞對比分析

通過對護欄進(jìn)行仿真分析，不難發(fā)現(xiàn)小型客車在碰撞新型護欄時，車身產(chǎn)生的各向加速度值為3 組碰撞試驗中最大，而新型護欄在受到中型客車碰撞時，護欄波形板產(chǎn)生的變形量為3 組碰撞試驗中最大。因此，為研究新型護欄和傳統(tǒng)護欄的區(qū)別，通過設(shè)置相同碰撞初始條件，將兩款護欄碰撞試驗的最大加速度值與最大變形量進(jìn)行對比。

設(shè)置的初始條件為：小型客車以100 km/h，速度、20°角度碰撞傳統(tǒng)護欄，小型客車碰撞傳統(tǒng)護欄時各向加速度曲線如圖12 所示。

圖12 小型汽車碰撞傳統(tǒng)護欄各向加速度圖

小型客車碰撞傳統(tǒng)護欄與新型護欄各向加速度對比結(jié)果如表8 所示。

表8 小型客車各向加速度對比

由表8 可知：小客車在碰撞新型護欄時，X、Y、Z向加速度分別降低了62.9%、38.9%、34.4%，極大地降低了小客車碰撞護欄時各向加速度，提高了汽車乘員安全性。

同理，針對中型客車碰撞新型護欄與傳統(tǒng)護欄時，兩款護欄所產(chǎn)生的變形量進(jìn)行對比，結(jié)果如圖13所示。

圖13 新型護欄與傳統(tǒng)護欄最大變形量對比

新型護欄在受到中型客車碰撞時所產(chǎn)生的變形量較傳統(tǒng)護欄受到中型客車碰撞時所產(chǎn)生的變形量降低了12%，較大程度避免了因護欄變形產(chǎn)生的其他交通事故。

4 結(jié)論

研制開發(fā)了一款適用于高級公路使用的中央分隔帶護欄。在該方案中將波形板中心高度設(shè)置為747 mm，波形板結(jié)構(gòu)采用三波板，混凝土板采用分段不連續(xù)設(shè)計。這種方案的組合式護欄增大了車輛碰撞接觸面積，能夠使車輛順利導(dǎo)向。

（1）依據(jù)法規(guī)要求對新型護欄進(jìn)行碰撞試驗分析，獲得以下試驗結(jié)果：①3 款試驗車輛在碰撞新型護欄后均可實現(xiàn)順利導(dǎo)向；②3 款試驗車輛碰撞新型護欄過程中所產(chǎn)生的加速度最大值分別為13.89g、7.79g和8.60g，滿足法規(guī)中車輛質(zhì)心處的各向加速度應(yīng)小于20g的要求；③3 款試驗車輛碰撞新型護欄，護欄結(jié)構(gòu)的最大變形量分別為80 mm、673 mm 和667 mm，均滿足小于1 200 mm 的要求。因此，可以認(rèn)為所設(shè)計的中央分隔帶新型護欄達(dá)到防撞等級SAm 級別。

（2）將新型護欄與傳統(tǒng)護欄進(jìn)行對比分析可知，新型護欄更大程度地保障了車輛碰撞護欄時的安全性。因此，該款護欄可推廣應(yīng)用于高級公路防護。