超高速公路波形梁護(hù)欄碰撞建模與仿真優(yōu)化研究

摘要 文章通過(guò)有限元仿真軟件對(duì)雙波護(hù)欄和三波護(hù)欄的防護(hù)性能進(jìn)行了研究，使用HyperWorks與LS-DYNA軟件，針對(duì)不同碰撞速度和角度條件下，分別對(duì)普通高速公路雙波護(hù)欄和超高速公路三波護(hù)欄的防護(hù)性能進(jìn)行了碰撞仿真。結(jié)果表明，三波護(hù)欄在設(shè)計(jì)速度≥120 km/h的條件下表現(xiàn)出更優(yōu)越的防護(hù)性能。同時(shí)，該研究通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化了設(shè)計(jì)護(hù)欄的參數(shù)，提出了最佳的護(hù)欄結(jié)構(gòu)方案，提高了護(hù)欄的防護(hù)性能，為超高速公路的護(hù)欄設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)和技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞 超高速公路；波形梁護(hù)欄；建模；仿真分析

中圖分類(lèi)號(hào) U417 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2025）05-0043-03

0 引言

近年來(lái)，隨著高速公路的發(fā)展，交通安全問(wèn)題日益突出。特別是在設(shè)計(jì)速度超過(guò)120 km/h的超高速公路上，車(chē)輛的碰撞能量顯著增加，對(duì)護(hù)欄的防護(hù)性能提出了更高要求。超高速公路上的護(hù)欄不僅需要具備較高的強(qiáng)度，還需具有良好的能量吸收能力，以最大限度地減少碰撞對(duì)車(chē)輛和乘員的傷害[1]。該文基于現(xiàn)有的高速公路護(hù)欄技術(shù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)有限元仿真方法，對(duì)雙波和三波護(hù)欄在不同碰撞速度和角度下的防護(hù)性能進(jìn)行系統(tǒng)分析，并結(jié)合正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化護(hù)欄結(jié)構(gòu)，以提升其在超高速公路上的防護(hù)效果。該文的研究目的是為超高速公路的安全運(yùn)行提供技術(shù)支持，以減少交通事故的發(fā)生，保障乘員的生命安全。

1 汽車(chē)-護(hù)欄碰撞模型的建立

1.1 汽車(chē)模型建立

此次研究使用一款普通轎車(chē)（福特2020款Focus車(chē)型）的有限元模型作為碰撞模擬對(duì)象。該車(chē)型來(lái)自某碰撞中心分析平臺(tái)，包含342個(gè)部件，275 985個(gè)單元和283 858個(gè)節(jié)點(diǎn)，主要參數(shù)如下：長(zhǎng)度為4 350 mm、寬度為1 698 mm、表面積為5.22×107 mm2、體積為1.98×109 mm2、質(zhì)量為1.32 t、軸距為2 646 mm、前輪距為1 341 mm、后輪距為1 368 mm。

在建模過(guò)程中，主要使用HyperWorks軟件進(jìn)行前處理。首先，在HyperMesh中完成幾何模型的導(dǎo)入和網(wǎng)格劃分，然后將所有有限元計(jì)算所需的模型參數(shù)和控制信息寫(xiě)入適用LS-DYNA求解的K文件中[2]。K文件包含模型所有的網(wǎng)格和節(jié)點(diǎn)信息、部件屬性信息、材料信息、連接和接觸信息、約束和載荷信息、控制參數(shù)和計(jì)算設(shè)置信息等。在仿真過(guò)程中，將生成的K文件提交至LS-DYNA進(jìn)行有限元求解運(yùn)算。為提高運(yùn)算精度，選用了LS-DYNA中的雙精度求解器。最后，使用HyperView和HyperGraph 2D對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行后處理，從而對(duì)各種碰撞工況進(jìn)行分析和驗(yàn)證。

1.2 護(hù)欄模型建立

在UG軟件中構(gòu)建雙波和三波護(hù)欄的三維模型。根據(jù)《波形梁鋼護(hù)欄第1部分：兩波形梁鋼護(hù)欄》（GB/T 31439.1—2015）和《波形梁鋼護(hù)欄第2部分：三波形梁鋼護(hù)欄》（GB/T 31439.2—2015）確定護(hù)欄的尺寸參數(shù)，然后將模型導(dǎo)入處理軟件HyperMesh中進(jìn)行幾何清理。幾何清理完成后，在Geom面板中選擇Midsuface抽取中面，并在中面上進(jìn)行網(wǎng)格劃分和材料賦予等工作。護(hù)欄整體采用Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼，單元類(lèi)型為Belytschko-Tsay殼單元，并采用平面單點(diǎn)積分方式進(jìn)行建模。雙波形梁護(hù)欄的波形梁尺寸為4 320×310×85×4 mm，防阻塊尺寸為178×200×4.5 mm，立柱尺寸為?140×4.5 mm；三波形梁護(hù)欄的波形梁尺寸為4 320×506×85×4 mm，防阻塊尺寸為178×400×4.5 mm，立柱尺寸同樣為?140×4.5 mm。

2 波形梁護(hù)欄碰撞仿真研究

2.1 普通高速公路雙波護(hù)欄碰撞分析

2.1.1 護(hù)欄動(dòng)態(tài)變形量

波形梁護(hù)欄對(duì)碰撞車(chē)輛的防護(hù)過(guò)程是車(chē)輛以一定速度和角度沖擊護(hù)欄后，車(chē)身貼著波形梁繼續(xù)行駛，在護(hù)欄的反作用力下車(chē)輛回到正常行駛軌跡的過(guò)程。通過(guò)仿真分析不同碰撞條件下護(hù)欄和車(chē)輛的變形情況，可以了解護(hù)欄及車(chē)輛的受損狀況。在碰撞速度120 km/h，碰撞角度分別為5°、10°、15°、20°下，隨著碰撞速度和角度的增加，護(hù)欄和車(chē)輛的變形程度也隨之增加。

護(hù)欄最大動(dòng)態(tài)變形量是衡量護(hù)欄防護(hù)性能的重要參數(shù)。為避免車(chē)輛在碰撞時(shí)翻出或沖出路外，公路護(hù)欄的最大動(dòng)態(tài)變形量應(yīng)小于750 mm。仿真結(jié)果表明，碰撞速度和角度對(duì)護(hù)欄動(dòng)態(tài)變形量影響顯著；在碰撞速度為

120 km/h、碰撞角度為20°時(shí)，護(hù)欄的最大動(dòng)態(tài)變形量超過(guò)750 mm，無(wú)法滿足安全防護(hù)需求。120 km/h碰撞速度下護(hù)欄位移曲線如圖1所示：

2.1.2 車(chē)輛合成加速度

車(chē)輛合成加速度是評(píng)價(jià)碰撞過(guò)程中乘員安全的重要指標(biāo)。仿真分析顯示，隨著碰撞速度和角度的增加，車(chē)輛合成加速度峰值顯著增加；在碰撞速度為120 km/h、碰撞角度達(dá)到20°時(shí)，車(chē)輛合成加速度峰值超過(guò)20 g，遠(yuǎn)超出安全標(biāo)準(zhǔn)，顯示出具有較高的乘員受傷風(fēng)險(xiǎn)。

2.1.3 碰撞系統(tǒng)能量

碰撞系統(tǒng)能量分析有助于理解護(hù)欄在碰撞過(guò)程中的吸能效果[3]。仿真結(jié)果顯示，隨著碰撞速度和角度的增加，護(hù)欄系統(tǒng)的吸能量也隨之增加；在碰撞速度為120 km/h、碰撞角度為20°的情況下，護(hù)欄吸收了大量的碰撞能量，但其變形量和車(chē)輛合成加速度均超出安全限值，表明護(hù)欄無(wú)法有效保護(hù)車(chē)輛和乘員。

2.2 超高速公路三波護(hù)欄碰撞分析

2.2.1 護(hù)欄動(dòng)態(tài)變形量

在不同碰撞速度和角度下，超高速公路三波護(hù)欄的表現(xiàn)具有顯著差異。通過(guò)仿真研究發(fā)現(xiàn)，三波護(hù)欄在碰撞速度為120 km/h的條件下，護(hù)欄系統(tǒng)中波形梁是主要的吸能部件，防阻塊主要發(fā)揮支撐和能量傳遞的作用。隨著碰撞角度的增加，護(hù)欄系統(tǒng)的吸能占比曲線呈現(xiàn)先增加后減小再增加的趨勢(shì)。護(hù)欄位移云圖如圖2所示：

從具體的形變量來(lái)看，當(dāng)碰撞角度為5°時(shí)，車(chē)輛撞擊護(hù)欄后，波形梁發(fā)生扭轉(zhuǎn)和橫向彎折，防阻塊底部被波形梁壓扁后貼附于圓形立柱上。立柱在路肩位置向y軸正方向發(fā)生彎折。在碰撞速度為120 km/h時(shí)，護(hù)欄的最大動(dòng)態(tài)變形量為117.1 mm。

當(dāng)碰撞角度增加至10°時(shí)，護(hù)欄的變形更為顯著。車(chē)輛與護(hù)欄相互作用力的增加，導(dǎo)致護(hù)欄的最大動(dòng)態(tài)變形量為230.9 mm。隨著碰撞角度增加至20°，當(dāng)碰撞速度為160 km/h時(shí)，護(hù)欄的最大動(dòng)態(tài)變形量超過(guò)450 mm，車(chē)輛駛出角超過(guò)駛?cè)虢堑?0%。

2.2.2 車(chē)輛合成加速度

仿真結(jié)果顯示，在120 km/h碰撞速度下，車(chē)輛合成加速度峰值為15.3 g；當(dāng)碰撞速度增加至140 km/h、碰撞角度為10°時(shí)，車(chē)輛合成加速度峰值升至19.4 g；當(dāng)碰撞速度達(dá)到160 km/h、碰撞角度為20°時(shí)，車(chē)輛合成加速度峰值高達(dá)23.7 g，超出乘員安全臨界值，表明乘員受傷風(fēng)險(xiǎn)顯著增加。

2.2.3 碰撞系統(tǒng)能量

仿真結(jié)果顯示，在120 km/h碰撞速度下，護(hù)欄吸收的能量為75.2 kJ，占系統(tǒng)總能量的65.8%；當(dāng)碰撞速度增加至140 km/h時(shí)，護(hù)欄吸收的能量增至98.6 kJ，占系統(tǒng)總能量的70.3%；在160 km/h碰撞速度下，護(hù)欄吸收的能量達(dá)到134.5 kJ，占系統(tǒng)總能量的73.1%；能量吸收比例隨著碰撞速度的增加呈現(xiàn)先增加后減小再增加的趨勢(shì)，這表明護(hù)欄在高碰撞速度下的能量吸收能力需要進(jìn)一步優(yōu)化，以確保具有更高的安全性能。

3 三波護(hù)欄優(yōu)化方案分析

3.1 優(yōu)化方案設(shè)計(jì)

綜合來(lái)看，三波護(hù)欄在超高速公路上的防護(hù)性能在較高碰撞速度和大碰撞角度下仍然面臨挑戰(zhàn)。雖然其吸能效果優(yōu)于雙波護(hù)欄，但在速度和角度達(dá)到極端條件時(shí)，防護(hù)能力仍需進(jìn)一步優(yōu)化和提升，以確保高速公路的行駛安全。針對(duì)仿真結(jié)果，具體的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案如下：

（1）材料和結(jié)構(gòu)的細(xì)化分析：現(xiàn)有三波護(hù)欄的主要材料是Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼，其具有良好的強(qiáng)度和塑性，能夠在碰撞中有效吸收能量。通過(guò)對(duì)該材料的深入研究，發(fā)現(xiàn)增加波形梁的厚度可以顯著提高護(hù)欄的剛度和吸能能力。具體來(lái)說(shuō)，將波形梁厚度從原來(lái)的4 mm增加到5 mm，增強(qiáng)了護(hù)欄的抗彎強(qiáng)度，也提升了其在高能量碰撞下的吸能效果。厚度增加后，波形梁在碰撞過(guò)程中能夠提供更大的反作用力，可以有效減緩車(chē)輛的沖擊力，減少對(duì)車(chē)內(nèi)乘員的傷害。此外，針對(duì)立柱的布置進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，將立柱間距從通常的2 500 mm減少至2 000 mm，提高了護(hù)欄的整體剛度，從而增強(qiáng)其抗沖擊能力。在較高碰撞速度下，立柱間距的減小能夠減少護(hù)欄在碰撞中的局部變形，確保護(hù)欄系統(tǒng)能夠有效分散和吸收碰撞能量，從而提高整體的防護(hù)性能。

（2）防阻塊和立柱設(shè)計(jì)的改進(jìn)：為了進(jìn)一步提升護(hù)欄在高能量碰撞中的表現(xiàn)，采用了高密度聚乙烯（HDPE）材料替代傳統(tǒng)的金屬或低密度聚乙烯材料。HDPE具有較好的吸能特性和韌性，能夠在碰撞中有效吸收沖擊力，減少護(hù)欄對(duì)車(chē)輛的剛性反彈效應(yīng)。通過(guò)增加防阻塊的厚度，進(jìn)一步提高了其能量吸收能力，在高速度沖擊下能夠有效緩解波形梁的變形和破損。此外，針對(duì)立柱設(shè)計(jì)，采用了更厚的鋼材，將立柱厚度增加至6 mm。這一改進(jìn)顯著提升了立柱的抗彎性能和承載能力。在大角度碰撞或車(chē)輛以高速度沖擊護(hù)欄時(shí)，厚度增加的立柱能夠更好地承受和分散沖擊載荷，避免立柱過(guò)早屈服或斷裂，確保護(hù)欄整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和完整性[4]。

通過(guò)以上優(yōu)化設(shè)計(jì)，三波護(hù)欄在超高速公路上的防護(hù)性能得到了進(jìn)一步提升。材料厚度的增加和立柱間距的調(diào)整增強(qiáng)了護(hù)欄的剛度和能量吸收能力，能夠在更高的碰撞速度和更大的碰撞角度下提供有效保護(hù)。此外，HDPE防阻塊的引入則通過(guò)其優(yōu)異的吸能特性，降低了護(hù)欄系統(tǒng)的剛性反彈，進(jìn)一步提高了車(chē)輛和乘員的安全性。

3.2 優(yōu)化方案效果分析

通過(guò)對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的三波護(hù)欄，在碰撞速度為120 km/h條件下進(jìn)行再次仿真，展現(xiàn)出了優(yōu)異的防護(hù)性能。具體表現(xiàn)如下：

（1）動(dòng)態(tài)變形量。優(yōu)化后的護(hù)欄在碰撞過(guò)程中的最大動(dòng)態(tài)變形量，從優(yōu)化前的750 mm減少至619 mm。優(yōu)化后的護(hù)欄結(jié)構(gòu)能夠在高能量沖擊下保持更好的形變控制，能夠減少車(chē)輛的二次碰撞風(fēng)險(xiǎn)。

（2）車(chē)輛合成加速度。仿真結(jié)果顯示，優(yōu)化后的護(hù)欄設(shè)計(jì)使得車(chē)輛的合成加速度峰值從優(yōu)化前的28.7 g減少至20.5 g，這意味著在碰撞過(guò)程中車(chē)輛內(nèi)部乘員受到的沖擊力顯著降低，大幅提升了乘員的安全性。

（3）護(hù)欄吸能。優(yōu)化后的護(hù)欄設(shè)計(jì)在碰撞過(guò)程中吸收的能量增加了約30%，從優(yōu)化前的42.63%提升至55.84%。這種提升主要得益于波形梁和防阻塊厚度的增加，以及立柱間距的減小，使得護(hù)欄能夠更有效地吸收和分散碰撞能量，降低車(chē)輛和乘員所受到的沖擊力[5]。

綜合來(lái)看，優(yōu)化后的三波護(hù)欄在碰撞仿真中展現(xiàn)出了性能的顯著提升。通過(guò)材料厚度的增加、立柱間距的減小，以及防阻塊的強(qiáng)化設(shè)計(jì)，護(hù)欄的動(dòng)態(tài)變形量得到了有效控制，車(chē)輛合成加速度大幅降低，同時(shí)護(hù)欄的能量吸收能力得到了顯著提升。這些優(yōu)化設(shè)計(jì)不僅提高了護(hù)欄的防護(hù)效果，還顯著提升了碰撞中車(chē)輛和乘員的安全性。

4 結(jié)論

該文研究結(jié)果表明，三波護(hù)欄在高碰撞速度和大碰撞角度下具有更優(yōu)越的防護(hù)性能。通過(guò)增加波形梁厚度、優(yōu)化防阻塊設(shè)計(jì)和調(diào)整立柱間距等方法，顯著提高了護(hù)欄的吸能能力和整體穩(wěn)定性。優(yōu)化后的護(hù)欄在碰撞過(guò)程中表現(xiàn)出更低的車(chē)輛合成加速度和更小的動(dòng)態(tài)變形量，有效降低了乘員的受傷風(fēng)險(xiǎn)。該研究不僅在理論上證明了三波護(hù)欄優(yōu)化設(shè)計(jì)的有效性，還為實(shí)際工程應(yīng)用提供了可行的技術(shù)方案。

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