劉建勛，唐 輝，張翼峰，黃 濤，李小松

(1.重慶交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院，重慶400074;2.吉利汽車(chē)研究院，浙江杭州311228;3.重慶市公安局，重慶400000;4.凱盛重工有限公司，安徽 淮南232058;5.蘇州先鋒物流裝備科技有限公司，江蘇 蘇州215164)

近年來(lái)，隨著我國(guó)汽車(chē)保有量和高速公路里程的不斷增加，公路上發(fā)生的交通事故也在逐年上升，其中近1/3的事故是由汽車(chē)與護(hù)欄碰撞造成的。汽車(chē)的微型化、大型化和重型化又使得現(xiàn)有護(hù)欄防御性能不斷下降，每年造成巨大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。為適應(yīng)汽車(chē)結(jié)構(gòu)日趨差異化，研發(fā)新型防撞護(hù)欄是保障高速公路行車(chē)安全的有效措施之一。

一般認(rèn)為，公路上的安全護(hù)欄應(yīng)盡量實(shí)現(xiàn)以下功能［1－2］:①阻止車(chē)輛越出路外;②護(hù)欄應(yīng)能使車(chē)輛回復(fù)到正常行駛方向;③發(fā)生碰撞時(shí)，對(duì)乘員的損傷程度最低;④能誘導(dǎo)駕駛員的視線。車(chē)輛越出路外的常見(jiàn)事故有:下鉆、騎跨、翻車(chē)等。當(dāng)車(chē)輛出現(xiàn)此類(lèi)現(xiàn)象時(shí)，由于高速運(yùn)行的車(chē)輛在很短的時(shí)間內(nèi)使車(chē)輛停止，造成沖擊加速度數(shù)倍增加，此時(shí)乘員的安全無(wú)法保障，因此諸如此類(lèi)現(xiàn)象是不允許發(fā)生的［3］。然而，當(dāng)前世界上生產(chǎn)的汽車(chē)從大噸位的重型汽車(chē)到很小的微型汽車(chē)，其質(zhì)量相差非常懸殊，車(chē)輛外形變化很大。轎車(chē)為減少空氣阻力，前車(chē)蓋更符合流線型而變低，向著微型化方向發(fā)展;同時(shí)貨車(chē)噸位越來(lái)越大，已日趨大型化和重型化。不難發(fā)現(xiàn)，汽車(chē)的微型化、大型化和重型化加劇了車(chē)輛與護(hù)欄碰撞時(shí)的下鉆、騎跨等事故的發(fā)生。可見(jiàn)，研發(fā)一種可以防御多種車(chē)型的新型護(hù)欄結(jié)構(gòu)勢(shì)在必行。

筆者基于ANSYS/LS-DYNA仿真平臺(tái)，對(duì)半剛性雙波護(hù)欄和雙條半剛性護(hù)欄［4］進(jìn)行對(duì)比分析，著重探討兩種護(hù)欄在護(hù)欄變形、車(chē)輛運(yùn)行軌跡和乘員安全性等方面的差異，為工程應(yīng)用提供參考。

1 計(jì)算模型的建立

1.1 護(hù)欄模型

半剛性護(hù)欄一般由護(hù)欄板、防阻塊和立柱等構(gòu)件組成。半剛性雙波護(hù)欄的護(hù)欄板為W型結(jié)構(gòu)，幾何尺寸如圖1。而雙條半剛性護(hù)欄則在前者護(hù)欄板的下方增設(shè)一條U型護(hù)欄板，配置相應(yīng)的防阻塊，其幾何尺寸如圖2。運(yùn)用CATIA軟件建立幾何模型，生成iges文件，導(dǎo)入HyperMesh平臺(tái)中建立有限元模型。護(hù)欄單元類(lèi)型采用*SECTION_SHELL四節(jié)點(diǎn)殼體單元，選用Belytschko-Tsay單元算法，殼體單元厚度方向上采用兩個(gè)高斯積分點(diǎn)，以適應(yīng)塑性變形的同時(shí)提高模型的計(jì)算速度。模型采用*MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY(24號(hào))彈塑性材料類(lèi)型，護(hù)欄材料參數(shù)為:密度ρ=7.865×103kg/m3，彈性模量E=2.0 ×105MPa、泊松比 v=0.27，屈服應(yīng)力 σy=310 MPa，剪切模量G=763 MPa，應(yīng)變率參數(shù) C=40，P=5。護(hù)欄板主要接觸部位單元大小設(shè)置為20 mm，非主要接觸部位單元設(shè)置為50 mm，各個(gè)部件間采用SPOTWELD點(diǎn)焊單元模擬螺栓的連接。這樣建立的半剛性雙波護(hù)欄模型共包括28 628個(gè)單元，29 654個(gè)節(jié)點(diǎn)，雙條半剛性護(hù)欄模型共包括40 414個(gè)單元，42 350個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖1 半剛性雙波護(hù)欄結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of semi-rigid double-wave guardrail

圖2 雙條半剛性護(hù)欄結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of double semi-rigid guardrail

1.2 土壤模型

為有效模擬實(shí)際汽車(chē)與護(hù)欄碰撞情況，需建立土壤模型，以模擬碰撞過(guò)程中土壤對(duì)立柱的約束作用。土壤材料采用(14號(hào)材料)*MAT_SOIL_AND_FOAM_FAILU RE，該材料模型假定土體在豎直方向逐級(jí)變化，不形成分層。路基壓實(shí)土體密度ρ=1.874 ×103kg/m3，泊松比 v=0.35，剪切模量G=49.5 MPa，拉伸終止應(yīng)力 Pc= －0.55 MPa，體積模量 K=134.55 MPa［5－6］。

1.3 汽車(chē)模型

由于汽車(chē)整車(chē)一般包含了成百上千個(gè)零部件，其建模工作量十分巨大，目前公認(rèn)的一個(gè)整車(chē)建模工作量是3人/年［7］，由于研究時(shí)間及經(jīng)費(fèi)等因素的制約，筆者選用美國(guó)國(guó)家碰撞分析中心NCAC(The National Crash Analysis Center)平臺(tái)上的某轎車(chē)模型和某貨車(chē)模型參與護(hù)欄性能的研究，其相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表1。根據(jù)汽車(chē)與護(hù)欄實(shí)際碰撞的需要，對(duì)兩車(chē)模型進(jìn)行局部調(diào)整，調(diào)整后轎車(chē)模型包括769 035個(gè)單元，663 680個(gè)節(jié)點(diǎn);貨車(chē)模型包括個(gè)28 970單元，30 020個(gè)節(jié)點(diǎn)。有限元模型如圖3。

表1 汽車(chē)主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of vehicles

圖3 汽車(chē)有限元模型Fig.3 Geometric model of vehicles

1.4 汽車(chē)與護(hù)欄耦合模型

按照我國(guó) JTG/T F83－01—2004《高速公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》中的初始碰撞條件，確定汽車(chē)與護(hù)欄碰撞試驗(yàn)方案，如表2。車(chē)輛與護(hù)欄碰撞的整體耦合模型中，在0勢(shì)能面處利用*RIGIDWALL_PLANAR建立以z軸為矢量方向的剛性墻，以模擬地面作用;利用*LOAD_BODY_Z施加重力載荷，模擬實(shí)際重力場(chǎng)效果;土壤外部利用*BOUNDARY_SPC_NODE進(jìn)行6自由度固定，模擬實(shí)際土壤的約束作用;利用*INITIAL_VELOCITY_GENERATION加載車(chē)輛的初始速度。試驗(yàn)方案中，護(hù)欄自身接觸類(lèi)型為*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE，車(chē)輛與護(hù)欄接觸類(lèi)型為*CONTACT_AUTOMATIC_NODES_TO_SURFACE。

表2 試驗(yàn)方案Table 2 Test scheme

2 計(jì)算結(jié)果分析

目前，在歐美、日本和中國(guó)等國(guó)家，進(jìn)行定量評(píng)價(jià)車(chē)輛碰撞護(hù)欄的安全指標(biāo)包括:車(chē)輛運(yùn)行軌跡、乘員安全性和護(hù)欄變形量。我國(guó)F83標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定:①車(chē)輛碰撞后的駛出角度應(yīng)小于碰撞角度的60%;②乘員安全性的評(píng)價(jià)，可以根據(jù)汽車(chē)正面碰撞法規(guī)要求的指標(biāo)進(jìn)行直接判定(即:HPC≤1 000、HTPC≤75 mm、FPC≤10 kN)或者通過(guò)車(chē)體加速度進(jìn)行間接判定(即:車(chē)體3個(gè)方向加速度數(shù)值均小于或等于20 g時(shí)，不會(huì)對(duì)車(chē)內(nèi)乘員造成嚴(yán)重傷害);③半剛性雙波護(hù)欄最大動(dòng)態(tài)變形量應(yīng)小于或等于100 cm。筆者以該標(biāo)準(zhǔn)中的3個(gè)安全指標(biāo)作為評(píng)價(jià)護(hù)欄安全與否的主要依據(jù)。

2.1 車(chē)輛運(yùn)行軌跡

圖4為車(chē)輛與半剛性雙波護(hù)欄碰撞視圖。可以看出，某轎車(chē)因流線型設(shè)計(jì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)蓋高度，使得與傳統(tǒng)波形護(hù)欄碰撞時(shí)發(fā)生了下鉆事故;某貨車(chē)則是大型、重型化車(chē)輛，在與傳統(tǒng)波形護(hù)欄碰撞時(shí)發(fā)生了騎跨事故。當(dāng)車(chē)輛出現(xiàn)下鉆和騎跨現(xiàn)象時(shí)，車(chē)內(nèi)乘員安全無(wú)法保障，因此這些事故是不允許發(fā)生的。

圖4 車(chē)輛與半剛性護(hù)欄碰撞視圖Fig.4 Crash view between vehicle and semi-rigid guardrail

圖5為車(chē)輛與雙條半剛性護(hù)欄碰撞過(guò)程中車(chē)輛航向角變化曲線。通過(guò)仿真試驗(yàn)結(jié)果分析，某轎車(chē)與新型護(hù)欄碰撞后的駛出角度為10°，某貨車(chē)約為11°，均小于評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的駛?cè)虢堑?0%。因此，雙條半剛性護(hù)欄能有效防止車(chē)輛下鉆和騎跨事故的發(fā)生，同時(shí)能較好的引導(dǎo)車(chē)輛返回至正常行駛方向。

2.2 乘員安全性

以車(chē)體加速度進(jìn)行乘員安全性評(píng)價(jià)，選取某轎車(chē)重心處2 000 901號(hào)節(jié)點(diǎn)和某貨車(chē)重心處23 221號(hào)節(jié)點(diǎn)的原始加速度值，經(jīng)過(guò)SAE(10 Hz)過(guò)濾得到各組加速度曲線圖(圖6)，再對(duì)曲線進(jìn)行時(shí)段平均值處理，最終得到試驗(yàn)1關(guān)于x、y和z方向加速度的平均值為41.820 7 g，16.848 4 g 和8.700 5 g;試驗(yàn)2 的值為16.392 8 g、9.517 2 g 和3.748 5 g;試驗(yàn)3的值為 19.355 1 g 、6.955 9 g 和 0.457 8 g;試驗(yàn) 4的值為 19.644 33 g、5.565 33 g 和 3.473 07 g。

不難發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)1發(fā)生的下鉆事故引起車(chē)體最大加速度大于規(guī)定值20 g，車(chē)內(nèi)乘員安全無(wú)法得到保障;試驗(yàn)2發(fā)生的騎跨事故引起的車(chē)體加速度雖在安全值范圍內(nèi)，但從騎跨事故容易引發(fā)汽車(chē)沖出護(hù)欄與逆行車(chē)道的車(chē)輛造成二次碰撞事故的可能性角度考慮，其危害性也是極大的;試驗(yàn)3和試驗(yàn)4中的x方向加速度的平均值盡管緊鄰20 g，但都在規(guī)定范圍之內(nèi)。因此，可以認(rèn)為雙條半剛性護(hù)欄保證了乘員的安全。

圖6 車(chē)體加速度曲線Tab.6 Acceleration curve of vehicles

2.3 護(hù)欄變形量

由于試驗(yàn)1和試驗(yàn)2發(fā)生了安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的不允許發(fā)生的事故，因此對(duì)采用了半剛性雙波護(hù)欄的試驗(yàn)1、2進(jìn)行護(hù)欄變形量的討論失去了意義。試驗(yàn)3、4的護(hù)欄變形量如圖7。從圖中可知，雙條半剛性護(hù)欄在受到某轎車(chē)與貨車(chē)的碰撞情況下，護(hù)欄的最大位移量分別約為800，600 mm，均小于評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定值。

圖7 雙條半剛性護(hù)欄最大位移曲線Fig.7 Max displacement curve of the double-bar semi-rigid guardrail

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)半剛性雙波護(hù)欄和雙條半剛性護(hù)欄與轎車(chē)與貨車(chē)碰撞仿真研究及對(duì)比分析可以得到如下結(jié)論:

1)隨著汽車(chē)的微型化、大型化和重型化發(fā)展，車(chē)輛與半剛性雙波護(hù)欄發(fā)生碰撞時(shí)，部分車(chē)輛容易發(fā)生下鉆和騎跨等事故，在護(hù)欄安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中是不允許發(fā)生的;而車(chē)輛與雙條半剛性護(hù)欄發(fā)生碰撞時(shí)，則能較好的避免此類(lèi)事故的發(fā)生。

2)通過(guò)與某轎車(chē)與貨車(chē)的碰撞仿真試驗(yàn)，半剛性雙波護(hù)欄和雙條半剛性護(hù)欄在車(chē)輛運(yùn)行軌跡、乘員安全性和護(hù)欄變形量3個(gè)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)上進(jìn)行了對(duì)比分析。研究表明，后者優(yōu)于前者。

3)具有良好防撞性能的雙條半剛性護(hù)欄可以為實(shí)車(chē)實(shí)驗(yàn)和工程實(shí)際應(yīng)用提供參考，同時(shí)各種新型護(hù)欄結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)將成為我國(guó)高速公路防撞護(hù)欄的主要發(fā)展方向。

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