高速公路波形護(hù)欄碰撞性能優(yōu)化研究

摘 要：波形護(hù)欄作為高速公路交通安全設(shè)施中的重要組成部分，其碰撞性能直接關(guān)系到行車安全，針對現(xiàn)有波形護(hù)欄在車輛碰撞過程中存在的吸能不足與變形過大等問題，通過有限元分析軟件建立車輛與護(hù)欄碰撞模型，研究不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對護(hù)欄碰撞性能的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，增加立柱埋深和橫梁厚度能有效提升護(hù)欄剛度，優(yōu)化防撞橫梁波形曲率可提高吸能效果，采用雙波形結(jié)構(gòu)較單波形結(jié)構(gòu)具有更好的碰撞性能，基于實驗數(shù)據(jù)提出了波形護(hù)欄結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，可為高速公路護(hù)欄設(shè)計提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：高速公路 波形護(hù)欄 碰撞性能 結(jié)構(gòu)優(yōu)化 有限元分析

隨著高速公路網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不斷擴(kuò)大，行車安全問題日益凸顯，波形護(hù)欄作為預(yù)防交通事故的關(guān)鍵設(shè)施，其性能優(yōu)劣直接影響車輛偏離路線時的安全性?，F(xiàn)有研究表明，護(hù)欄結(jié)構(gòu)參數(shù)與其防護(hù)性能密切相關(guān)[1]，而傳統(tǒng)護(hù)欄在實際應(yīng)用中往往存在剛度不足或吸能效果欠佳等問題，為提升波形護(hù)欄的綜合防護(hù)性能，需從結(jié)構(gòu)設(shè)計角度開展深入研究，建立科學(xué)的優(yōu)化方法，使其在保證必要強(qiáng)度的同時具備良好的吸能特性。

1 波形護(hù)欄結(jié)構(gòu)特征及受力分析

波形護(hù)欄作為高速公路防護(hù)設(shè)施中的關(guān)鍵構(gòu)件，其結(jié)構(gòu)特征與受力性能直接決定了車輛碰撞過程中的安全防護(hù)效果，由立柱與橫梁及連接件構(gòu)成的波形護(hù)欄系統(tǒng)通過特殊的幾何構(gòu)造實現(xiàn)對撞擊能量的吸收與耗散，其中波形橫梁采用冷彎成型工藝制備而成的褶皺狀結(jié)構(gòu)在承受沖擊荷載時表現(xiàn)出獨(dú)特的變形特性。橫梁與立柱之間采用高強(qiáng)螺栓連接方式，在保證結(jié)構(gòu)整體性的同時提供一定的變形空間，使護(hù)欄系統(tǒng)在遭受撞擊時能夠產(chǎn)生預(yù)期的防護(hù)效果，基于彈塑性力學(xué)理論分析表明，波形護(hù)欄在動態(tài)沖擊荷載作用下呈現(xiàn)出復(fù)雜的應(yīng)力分布狀態(tài)，橫梁波形結(jié)構(gòu)在徑向壓縮變形過程中產(chǎn)生的應(yīng)力集中現(xiàn)象顯著影響護(hù)欄的承載能力。立柱基礎(chǔ)埋置深度與地基土層特性共同影響護(hù)欄基礎(chǔ)的穩(wěn)定性，進(jìn)而決定整個防護(hù)系統(tǒng)的變形模式，通過對護(hù)欄結(jié)構(gòu)在彈性階段及塑性階段的受力機(jī)理深入研究發(fā)現(xiàn)，波形橫梁的幾何參數(shù)與立柱間距的匹配關(guān)系對護(hù)欄系統(tǒng)的整體剛度及吸能性能具有重要影響。

2 碰撞性能影響因素分析

2.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)影響研究

波形護(hù)欄結(jié)構(gòu)參數(shù)對其碰撞性能的影響表現(xiàn)為一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，通過有限元分析結(jié)合實車碰撞試驗研究發(fā)現(xiàn)，如表1所示，橫梁波形參數(shù)與碰撞性能之間存在顯著的相關(guān)性，其中橫梁波形高度與板厚的影響最為顯著，最大沖擊力的變化幅度分別達(dá)到－15%～25%與－20%～35%。橫梁波形高度與波長的比值直接影響護(hù)欄系統(tǒng)的初始接觸剛度[2]，經(jīng)過參數(shù)優(yōu)化分析表明，當(dāng)波高與波長比值介于合理范圍時，能夠有效降低車輛碰撞初期的沖擊載荷，立柱截面特征與壁厚作為承載結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)，其幾何尺寸的改變將顯著影響護(hù)欄系統(tǒng)的整體剛度及變形能力，研究表明具有變截面特征的立柱結(jié)構(gòu)能夠提供更優(yōu)異的吸能性能。橫梁厚度與安裝高度的耦合效應(yīng)對護(hù)欄的碰撞響應(yīng)具有重要影響，通過調(diào)整橫梁壁厚分布可實現(xiàn)護(hù)欄系統(tǒng)剛度的合理匹配，從而提升防護(hù)性能，立柱間距作為影響護(hù)欄整體性能的重要參數(shù)，其取值需要在確保結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與經(jīng)濟(jì)性之間取得平衡，研究發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的立柱間距配置方案能夠顯著提升護(hù)欄的承載能力與耐撞性。

2.2 材料特性影響分析

材料特性在波形護(hù)欄碰撞性能中扮演著決定性角色，通過動態(tài)力學(xué)性能測試與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法深入研究材料參數(shù)對護(hù)欄防護(hù)性能的影響規(guī)律，橫梁采用的高強(qiáng)度鋼材在高應(yīng)變率作用下表現(xiàn)出獨(dú)特的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，材料的屈服強(qiáng)度與應(yīng)變硬化特性直接影響護(hù)欄的能量吸收機(jī)制。研究表明，采用具有良好延性的材料能夠在碰撞過程中形成穩(wěn)定的塑性鉸，有效防止護(hù)欄發(fā)生脆性斷裂，立柱材料的動態(tài)響應(yīng)特性對護(hù)欄的整體變形行為產(chǎn)生重要影響，通過優(yōu)化材料的強(qiáng)度與韌性匹配關(guān)系，可顯著提升護(hù)欄系統(tǒng)的防護(hù)性能。連接螺栓采用的高強(qiáng)度材料性能直接關(guān)系到碰撞過程中結(jié)構(gòu)的完整性，研究發(fā)現(xiàn)采用具有適當(dāng)強(qiáng)度等級的螺栓材料能夠在保證連接可靠性的同時，為結(jié)構(gòu)提供必要的變形余量，基于材料動態(tài)本構(gòu)關(guān)系的深入研究表明，材料的應(yīng)變率敏感性與溫度效應(yīng)對護(hù)欄的碰撞響應(yīng)具有顯著影響，這為材料選型與優(yōu)化提供了重要依據(jù)。

2.3 安裝方式對性能的影響

波形護(hù)欄的安裝方式與工藝水平直接影響其實際防護(hù)效果，通過對不同安裝參數(shù)的系統(tǒng)研究揭示了安裝方式對護(hù)欄碰撞性能的影響機(jī)理，立柱基礎(chǔ)的埋設(shè)深度與地基處理方式顯著影響護(hù)欄的整體穩(wěn)定性[3]，研究表明增加埋深并采用合理的混凝土基礎(chǔ)加固方案能夠有效提升護(hù)欄的抗傾覆能力。螺栓連接部位的預(yù)緊力大小對護(hù)欄的動態(tài)響應(yīng)特性產(chǎn)生重要影響，通過調(diào)整螺栓扭矩參數(shù)可實現(xiàn)結(jié)構(gòu)剛度的精確控制，從而優(yōu)化護(hù)欄的碰撞性能，橫梁拼接位置的設(shè)置原則對護(hù)欄的整體工作性能具有重要影響，研究發(fā)現(xiàn)將拼接處布置在力學(xué)性能相對較低的區(qū)域能夠提升護(hù)欄的防護(hù)效果。護(hù)欄端部錨固方式與過渡段的設(shè)置形式作為重要的安裝細(xì)節(jié)，其合理性直接關(guān)系到護(hù)欄的整體防護(hù)性能，優(yōu)化后的端部構(gòu)造方案能夠有效降低車輛碰撞時的沖擊載荷。

3 波形護(hù)欄結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

3.1 數(shù)值模擬分析

基于有限元理論建立波形護(hù)欄與車輛碰撞的動力學(xué)模型[4]，采用顯式動力學(xué)算法對碰撞過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，如圖1所示，通過建立包含橫梁波形結(jié)構(gòu)的精細(xì)化網(wǎng)格模型，在碰撞接觸區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格優(yōu)化處理，邊界條件設(shè)置參照實際安裝工況對立柱底部施加固定約束。將車輛簡化為多質(zhì)點剛體系統(tǒng)，在碰撞接觸面施加庫倫摩擦系數(shù)模擬真實工況，模型中對護(hù)欄系統(tǒng)采用六面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，重點對易發(fā)生變形的橫梁波峰與立柱連接處等關(guān)鍵部位進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，最小網(wǎng)格尺寸控制在10mm，確保計算精度。材料本構(gòu)關(guān)系采用雙線性強(qiáng)化模型描述護(hù)欄鋼材在高應(yīng)變率下的力學(xué)特性，引入Cowper-Symonds模型考慮材料的應(yīng)變率效應(yīng)，碰撞接觸算法采用面面接觸方式，通過罰函數(shù)法處理接觸面之間的相互作用，有效避免計算過程中出現(xiàn)單元穿透現(xiàn)象，計算參數(shù)設(shè)置中時間步長采用自適應(yīng)控制策略，確保計算過程的穩(wěn)定性與精確性。能量衰減采用黏性阻尼方式，通過調(diào)節(jié)阻尼系數(shù)控制計算過程中的數(shù)值振蕩，模型的網(wǎng)格收斂性分析采用多層次網(wǎng)格尺寸進(jìn)行對比，最終確定最小網(wǎng)格尺寸為10mm，總網(wǎng)格數(shù)量控制在50萬單元以內(nèi)，實現(xiàn)計算精度與效率的最優(yōu)平衡。

3.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

針對波形護(hù)欄結(jié)構(gòu)參數(shù)展開多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計，建立以最大碰撞力最小化與吸能量最大化為目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化模型，采用響應(yīng)面法構(gòu)建結(jié)構(gòu)參數(shù)與性能指標(biāo)之間的近似模型，通過正交試驗設(shè)計確定關(guān)鍵參數(shù)的取值范圍與組合方案，將橫梁波形高度與波長與板厚及立柱間距作為設(shè)計變量[5]，考慮結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與工程實際限制建立約束條件。運(yùn)用非支配排序遺傳算法對優(yōu)化模型進(jìn)行求解，通過種群迭代進(jìn)化獲得帕累托最優(yōu)解集，優(yōu)化過程中引入自適應(yīng)交叉算子與變異算子提高算法的收斂性能，采用擁擠度計算方法保持種群多樣性，種群規(guī)模設(shè)置為200，最大進(jìn)化代數(shù)為500代，交叉概率與變異概率分別設(shè)置為0.85與0.15。優(yōu)化過程中采用精英保留策略，確保最優(yōu)個體不會在進(jìn)化過程中丟失，通過建立基于距離的聚類分析方法，從帕累托前沿中篩選具有代表性的優(yōu)化方案，優(yōu)化結(jié)果的穩(wěn)健性分析采用蒙特卡洛方法，通過引入?yún)?shù)隨機(jī)擾動評估方案對參數(shù)波動的敏感性，選擇具有較高穩(wěn)健性的優(yōu)化方案進(jìn)行進(jìn)一步分析驗證。

3.3 優(yōu)化方案設(shè)計

基于數(shù)值模擬分析與參數(shù)優(yōu)化結(jié)果，提出波形護(hù)欄結(jié)構(gòu)的綜合優(yōu)化方案，橫梁結(jié)構(gòu)采用變厚度設(shè)計思路，在易發(fā)生應(yīng)力集中區(qū)域板厚增加至4mm，波谷區(qū)域保持3mm厚度，實現(xiàn)應(yīng)力分布均勻化，通過改進(jìn)波形橫梁的幾何構(gòu)造，將波峰圓弧半徑由原來的25mm增加至35mm，降低應(yīng)力集中系數(shù)，提升結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能。立柱采用變截面設(shè)計，頂部截面尺寸為120mm×80mm，底部加大至160mm×100mm，通過漸變過渡提升抗彎強(qiáng)度，優(yōu)化后的螺栓連接構(gòu)造采用雙排布置方式，螺栓中心距離增加至200mm，通過增設(shè)4mm厚度的加勁板提高連接部位的整體剛度。端部錨固結(jié)構(gòu)設(shè)計中采用漸進(jìn)過渡方案，護(hù)欄端部采用加強(qiáng)型立柱，間距由標(biāo)準(zhǔn)段的2m逐級減小至1.5m，波形板搭接處采用45度斜角切割，避免應(yīng)力集中導(dǎo)致的開裂，優(yōu)化方案在滿足防護(hù)性能要求的同時，綜合考慮了制造工藝與施工便利性，所有幾何尺寸均采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，確保方案具有良好的工程實施可行性。

4 優(yōu)化方案實驗驗證

4.1 試驗方案設(shè)計

為驗證優(yōu)化設(shè)計方案的有效性，依據(jù)道路護(hù)欄安全性能檢測標(biāo)準(zhǔn)制定系統(tǒng)的實驗驗證方案，實驗采用多工況碰撞測試方法，設(shè)計了包含正面碰撞與傾斜碰撞在內(nèi)的典型工況，通過改變碰撞速度與角度構(gòu)建完整的試驗矩陣，試驗場地選擇具有標(biāo)準(zhǔn)化檢測資質(zhì)的專業(yè)機(jī)構(gòu)，按照規(guī)范要求對試驗路段進(jìn)行處理，確保地基強(qiáng)度與平整度滿足測試要求。試驗用車選用符合質(zhì)量等級要求的標(biāo)準(zhǔn)車型，在車身關(guān)鍵部位布置加速度傳感器與應(yīng)變片，用于采集碰撞過程中的動態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)，護(hù)欄試驗段的安裝嚴(yán)格遵循優(yōu)化設(shè)計方案，在橫梁與立柱的關(guān)鍵位置布置位移傳感器與高速攝像設(shè)備，實現(xiàn)碰撞全過程的數(shù)據(jù)采集與影像記錄。實驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用高精度動態(tài)信號采集儀，采樣頻率設(shè)置為10kHz，確保能夠準(zhǔn)確捕捉碰撞瞬態(tài)過程中的各項參數(shù)變化，傳感器的布置位置通過有限元分析確定應(yīng)力集中區(qū)域，重點監(jiān)測橫梁波形結(jié)構(gòu)與立柱連接部位的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)，試驗工況設(shè)計中考慮了不同車型與不同碰撞角度的組合情況，構(gòu)建了完整的實驗驗證體系，為優(yōu)化方案的性能評估提供全面的實驗數(shù)據(jù)支持。

4.2 性能測試與評價

基于實驗方案開展波形護(hù)欄碰撞性能測試，通過多組對比試驗評估優(yōu)化設(shè)計的實際效果，采用高精度傳感設(shè)備對碰撞過程中的加速度響應(yīng)與應(yīng)力分布進(jìn)行實時監(jiān)測，運(yùn)用數(shù)字信號處理技術(shù)對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪與濾波處理。通過高速攝影技術(shù)記錄護(hù)欄結(jié)構(gòu)的動態(tài)變形過程，采用圖像處理方法提取關(guān)鍵時刻的位移場分布，碰撞過程中護(hù)欄系統(tǒng)的吸能性能通過計算碰撞前后車輛動能變化量進(jìn)行評估，結(jié)構(gòu)完整性則依據(jù)碰撞后橫梁變形量與立柱傾斜角度進(jìn)行判定。對護(hù)欄不同部位的應(yīng)變響應(yīng)進(jìn)行統(tǒng)計分析，評估結(jié)構(gòu)各部位在碰撞過程中的受力特征，驗證優(yōu)化設(shè)計的合理性，通過對比分析優(yōu)化前后護(hù)欄在相同工況下的性能差異，結(jié)合車輛碰撞指數(shù)評價方法對防護(hù)性能提升效果進(jìn)行定量評估。

4.3 優(yōu)化效果分析

通過系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理與分析，對優(yōu)化設(shè)計方案的防護(hù)性能進(jìn)行全面評估，實驗結(jié)果表明，優(yōu)化后的波形護(hù)欄在正面碰撞工況下最大沖擊力降低顯著，結(jié)構(gòu)吸能效率提升達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，橫梁變形模式呈現(xiàn)出理想的漸進(jìn)失效特征，有效避免了局部應(yīng)力集中導(dǎo)致的突發(fā)性破壞，立柱基礎(chǔ)穩(wěn)定性得到明顯改善，在傾斜碰撞工況下表現(xiàn)出良好的抗傾覆性能。碰撞過程中車輛的減速度曲線更為平緩，優(yōu)化后的護(hù)欄結(jié)構(gòu)能夠為車輛提供更長的制動距離與緩沖時間，連接部位未出現(xiàn)螺栓斷裂與開裂現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)的整體性得到有效保證，實驗數(shù)據(jù)分析結(jié)果與數(shù)值模擬預(yù)測具有良好的一致性，驗證了優(yōu)化設(shè)計方案的可靠性與先進(jìn)性。

5 結(jié)語

通過系統(tǒng)研究波形護(hù)欄碰撞性能的影響因素，建立了護(hù)欄結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，研究表明，立柱埋深與橫梁厚度是影響護(hù)欄剛度的關(guān)鍵參數(shù)，適當(dāng)增加這兩個參數(shù)值能顯著提升護(hù)欄抗沖擊能力。同時，優(yōu)化后的雙波形結(jié)構(gòu)較傳統(tǒng)單波形結(jié)構(gòu)在吸能性能方面提升顯著，且能有效降低車輛碰撞時的最大沖擊力，實驗結(jié)果驗證了優(yōu)化方案的可行性，為提高高速公路安全防護(hù)水平提供了新的技術(shù)途徑。

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