雷正保 陽 彪 肖林輝

(長(zhǎng)沙理工大學(xué)汽車與機(jī)械工程學(xué)院 長(zhǎng)沙 410004)

中央分隔帶半剛性護(hù)欄的拓?fù)鋬?yōu)化*

雷正保 陽 彪 肖林輝

(長(zhǎng)沙理工大學(xué)汽車與機(jī)械工程學(xué)院 長(zhǎng)沙 410004)

根據(jù)雙波護(hù)欄的基本設(shè)計(jì)尺寸，建立拓?fù)鋮^(qū)域.利用耐撞性拓?fù)鋬?yōu)化方法，對(duì)梁板設(shè)計(jì)域進(jìn)行了不同工況下的拓?fù)鋬?yōu)化分析，并得出了中央分隔帶護(hù)欄梁板拓?fù)錁?gòu)型；針對(duì)所提取的近“倒U”形梁板拓?fù)錁?gòu)型進(jìn)行了仿真驗(yàn)證分析.分析結(jié)果表明：在0.2質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的梁板拓?fù)錁?gòu)型的車輛碰撞后運(yùn)行軌跡、車體加速度等護(hù)欄安全評(píng)價(jià)指標(biāo)與試驗(yàn)結(jié)果一致，均小于評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)的20g，滿足碰撞安全性標(biāo)準(zhǔn)要求.

中央分隔帶護(hù)欄；元胞自動(dòng)機(jī)；耐撞性；拓?fù)鋬?yōu)化

通過對(duì)國(guó)內(nèi)外的中央分隔帶波形護(hù)欄的研究，分析了它們的優(yōu)點(diǎn)和不足之處并結(jié)合我國(guó)的國(guó)情，以波形護(hù)欄的設(shè)置原則和規(guī)范為基礎(chǔ)，利用耐撞性拓?fù)鋬?yōu)化方法并結(jié)合實(shí)際情況，給出了一種適合我國(guó)國(guó)情的新型高速公路中央分隔帶半剛性護(hù)欄的形式.

為檢驗(yàn)其防護(hù)性能并結(jié)合護(hù)欄[1]評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，采用有限元分析軟件對(duì)設(shè)計(jì)出的新型結(jié)構(gòu)護(hù)欄進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真.結(jié)果發(fā)現(xiàn)，滿足現(xiàn)行的護(hù)欄評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，而且其結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)；在護(hù)欄的經(jīng)濟(jì)性方面對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化選擇，并給出最終優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)重新仿真檢驗(yàn)其防護(hù)性能[2]，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后護(hù)欄的美觀度雖略有降低,但在外形上較簡(jiǎn)單，較易加工,每米的重量少于現(xiàn)有的雙波護(hù)欄，很明顯的降低了材料成本和加工成本，使其有很大可能作為產(chǎn)品實(shí)行量產(chǎn).

1 中央分隔帶波形梁護(hù)欄

波形梁護(hù)欄是半剛性護(hù)欄的主要形式，它是一種以波紋狀鋼護(hù)欄板相互拼接并由立柱支撐的連續(xù)結(jié)構(gòu).它利用土基、立柱、橫梁的變形來吸收碰撞能量，并迫使失控車輛改變方向，回復(fù)到正常的行駛方向，防止車輛沖出路外，以保護(hù)車輛和乘客，減少事故造成的損失.

護(hù)欄板規(guī)格：板長(zhǎng)×板寬×波高×板厚

國(guó)標(biāo)3 mm：4 320 mm×310 mm×85 mm×3 mm，重49.16 kg/塊，即49.16/4.32=11.38 kg/m

中央分隔帶需要11.38×2=22.76 kg/m

國(guó)標(biāo)4 mm：4 320 mm×310 mm×85 mm×4 mm，重65.55 kg/塊，即65.55/4.32=15.17 kg/m

中央分隔帶需要15.17×2=30.34 kg/m

2 耐撞性拓?fù)鋬?yōu)化方法

(1)

基于混合元胞自動(dòng)機(jī)的優(yōu)化通過簡(jiǎn)單的循環(huán)運(yùn)算為尋求設(shè)定值提供了一個(gè)方法，此方法是不停地更新設(shè)定值直到得到正確的質(zhì)量結(jié)果.更新規(guī)則如式(2)，第k+1個(gè)循環(huán)的設(shè)定值通過此公式實(shí)現(xiàn).

(2)

3 車輛模型可靠性驗(yàn)證分析

目前在護(hù)欄領(lǐng)域還未涉及相關(guān)耐撞性拓?fù)鋬?yōu)化報(bào)道，關(guān)于該車-護(hù)欄模型的驗(yàn)證，擬借本實(shí)驗(yàn)室所開發(fā)的新型柔性護(hù)欄已有的試驗(yàn)數(shù)據(jù)及試驗(yàn)結(jié)果來間接驗(yàn)證優(yōu)化仿真用模型的正確性[4-5].

1) 定性評(píng)價(jià) 對(duì)于車輛模型的定性評(píng)價(jià)主要是比對(duì)試驗(yàn)與仿真中車輛的運(yùn)行軌跡，圖1，2為仿真試驗(yàn)車輛運(yùn)行狀態(tài).由圖1可知，客車在碰撞進(jìn)程中，沒有翻越、跨騎護(hù)欄，沒有發(fā)生橫轉(zhuǎn)、調(diào)頭、翻車狀況，車輛駛出護(hù)欄后恢復(fù)到正常行駛姿態(tài)；由圖2可知，轎車內(nèi)部座椅、配載等沒有破壞，尾部左側(cè)有輕微刮擦，圖中對(duì)比發(fā)現(xiàn)轎車變形區(qū)域主要集中在前段碰撞吸能區(qū)，乘員艙及后備艙等均變形較微，實(shí)車及仿真條件下車輛的損傷趨勢(shì)趨于一致.所以說客車與轎車行駛姿態(tài)的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致.

圖1 仿真試驗(yàn)車輛運(yùn)行狀態(tài)一(大型客車)

圖2 仿真試驗(yàn)車輛運(yùn)行狀態(tài)二(小汽車)

2) 定量評(píng)價(jià) 針對(duì)轎車有限元模型定量評(píng)價(jià)則集中在對(duì)車體3個(gè)方向最大加速度的對(duì)比上.經(jīng)后期數(shù)據(jù)處理得出試驗(yàn)車輛3個(gè)方向的最終加速度值和加速度曲線.加速度值為：ax=2.27g，ay=1.55g，az=2.48g.仿真中取質(zhì)心位置處相應(yīng)輸出數(shù)據(jù)，經(jīng)濾波處理后得到數(shù)據(jù)為：ax=2.6g，ay=2.19g，az=3.24g，如圖3所示.比對(duì)兩者誤差，均控制在3%以內(nèi).

圖3 仿真試驗(yàn)質(zhì)心三方向加速度曲線

定性及定量?jī)煞矫姹容^結(jié)果表明，客車有限元仿真結(jié)果與實(shí)車碰撞試驗(yàn)結(jié)果趨于一致，從而驗(yàn)證了該優(yōu)化模型的可靠性.

4 護(hù)欄梁板截面拓?fù)鋬?yōu)化分析

拓?fù)鋬?yōu)化用模型區(qū)域分為優(yōu)化區(qū)及非優(yōu)化區(qū)2部分.中央分隔帶護(hù)欄的設(shè)計(jì)保留了半鋼護(hù)欄圓管立柱結(jié)構(gòu)，將護(hù)欄梁板設(shè)定為優(yōu)化設(shè)計(jì)區(qū)域.根據(jù)《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則》中所規(guī)定的“護(hù)欄的任何部分不得侵入公路建筑限界以內(nèi)”要求，綜合中央分隔帶雙護(hù)欄梁板的截面構(gòu)造，將中央分隔帶梁板設(shè)計(jì)區(qū)域定為200 mm(寬度)×500 mm(高度)的矩形區(qū)域，立柱直徑140 mm、厚度4.5 mm、間距設(shè)定為2 m，對(duì)設(shè)計(jì)域?qū)嵤?duì)稱約束及幾何拉伸約束拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，并對(duì)結(jié)果優(yōu)化進(jìn)行分析提取.

4.1 對(duì)稱拉伸約束條件下拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果分析

為確保新型中央分隔帶護(hù)欄在滿足A級(jí)防護(hù)等級(jí)的同時(shí)，亦能最大限度地節(jié)約資源，從輕量化的角度出發(fā)，利用優(yōu)化軟件，可以分析出橫梁在不同質(zhì)量比(0.5,0.4,0.3,0.2)條件下的工況結(jié)果，橫梁云圖中顏色從暖色調(diào)的紅黃到冷色調(diào)的藍(lán)綠分別表示單元密度值從高到低，既是所需要?jiǎng)偠鹊膹拇蟮叫》植?，見圖4.

圖4 不同質(zhì)量比條件下梁板拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果云圖

從圖4可知，對(duì)稱拉伸約束條件下梁板的整體材料去除方式趨于一致，均為在橫向?qū)挾确较虺叽绮蛔?，高度方向依照承力大小而由下向上依次去除材?圖5在質(zhì)量比為0.2迭代18次后最終截面形狀.從優(yōu)化結(jié)果圖中可明顯看出，該結(jié)果表明該型拓?fù)錁?gòu)型已幾乎達(dá)到滿應(yīng)變能密度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則.

圖5 梁板截面構(gòu)形圖

5 中央分隔帶護(hù)欄梁板截面提取優(yōu)化及驗(yàn)證分析

根據(jù)對(duì)稱拉伸約束條件下最終梁板截面構(gòu)型，并結(jié)合中央分隔帶護(hù)欄的實(shí)際應(yīng)用范圍，本文提出了新“倒U”形護(hù)欄梁板截面構(gòu)型(見圖5)，并運(yùn)用仿真分析軟件，初步驗(yàn)證了所提取構(gòu)型的可行性，圖6、圖7為仿真分析中汽車-中央分隔帶護(hù)欄約束系統(tǒng)的仿真模型[6-8].

圖6 小型車輛碰撞護(hù)欄有限元模型

圖7 中型客車碰撞護(hù)欄有限元模型

初始尺寸厚度為4 mm，高度為500 mm，寬度為300 mm，經(jīng)過單因素試驗(yàn)找到了既符合車輛的安全評(píng)價(jià)要求又極大的節(jié)省每米使用的鋼材，即厚度為2 mm，高度為490 mm，寬度為290 mm，此時(shí)為16.95 kg/m<雙波護(hù)欄(厚3 mm)的22.76 kg/m.

仿真結(jié)果表明，護(hù)欄在1.15 s左右達(dá)到最大橫向位移；期間護(hù)欄沒有對(duì)車輛形成“絆阻”現(xiàn)象，護(hù)欄的最大橫向位移約為336.85 mm，明顯小于半剛性護(hù)欄最大動(dòng)態(tài)橫向位移1 m的要求.

轎車在碰撞護(hù)欄的過程中平滑轉(zhuǎn)向，沒有出現(xiàn)在立柱處騎跨和翻越護(hù)欄的現(xiàn)象.圖8所示為碰撞中車輛的各個(gè)方向的加速度圖，可見碰撞中車輛在X方向上的加速度大于其他方向的加速度，轎車質(zhì)心的X,Y,Z3個(gè)方向的最大加速度分別為15.12,5.21,6.12g，顯然車體三方向最大加速度均小于20g.

圖8 轎車各個(gè)方向的加速度

分析結(jié)果表明，在碰撞過程中，近“倒U”形截面護(hù)欄梁板能抵擋試驗(yàn)車輛的沖撞，有效防止碰撞車輛穿越、騎跨護(hù)欄，并能進(jìn)行合理導(dǎo)向，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的A級(jí)防護(hù)能力.因而該新型近“倒U”形截面中央分隔帶護(hù)欄對(duì)10 t客車，1.5 t轎車的防護(hù)效果是比較理想的.

6 結(jié) 論

1) 現(xiàn)有的中央分隔帶雙波護(hù)欄，都是借鑒外國(guó)的成果，在高速公路護(hù)欄結(jié)構(gòu)的研究起步較晚，實(shí)車足尺實(shí)驗(yàn)較少，經(jīng)驗(yàn)欠缺，所以亟需研究一套適合我國(guó)國(guó)情的中央分隔帶護(hù)欄[9].

2) 應(yīng)用基于混合元胞自動(dòng)機(jī)(HCA)算法的耐撞性拓?fù)鋬?yōu)化方法，對(duì)護(hù)欄梁板設(shè)計(jì)域?qū)嵤┝瞬煌r下的拓?fù)鋬?yōu)化分析，得出新型近“倒U”型護(hù)欄梁板[10]拓?fù)錁?gòu)型.

3) 針對(duì)所提取“倒U”型截面的仿真驗(yàn)證分析表明，該型護(hù)欄對(duì)10t客車，1.5t轎車能實(shí)現(xiàn)較佳的A級(jí)防護(hù)能力，并且比現(xiàn)有的中央分隔帶護(hù)欄節(jié)省鋼材.

[1]雷正保，唐 波，劉 蘭,等.車-路-護(hù)欄系統(tǒng)的碰撞安全性[M]．長(zhǎng)沙:國(guó)防科技大學(xué)出版社，2009.

[2]周政權(quán).轎車與高速公路波形護(hù)欄碰撞仿真研究[D]．武漢:武漢理工大學(xué)，2008.

[3]周珍珍.基于混合元胞自動(dòng)機(jī)方法的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化研究[D].武漢:華中科技大學(xué),2009.

[4]雷正保,李麗紅,雷沐羲,等.新型柔性護(hù)欄碰撞安全性仿真分析及實(shí)車驗(yàn)證[J].振動(dòng)與沖擊,2013,32(22):28-31.

[5]雷正保，陳晨晨，李永漢，等.新型柔性護(hù)欄研究[C].2011中國(guó)汽車安全技術(shù)國(guó)際研討會(huì)論文集，2011-08-24-26,北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011:57-61.

[6]雷正保，成海亮.中型貨車追尾安全性分析與試驗(yàn)驗(yàn)證[C].2013中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)第十六屆汽車安全技術(shù)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集2013-08-22-23，杭州：浙江大學(xué)出版社，2013：223-227.

[7]LEI Zhengbao,WANG Rui.The response of collision speed caused by the large bus to new flexible barrier[J].ENGINEERING SCIENCES, 2014(12)：37-42.

[8]雷正保，王 瑞.大客車碰撞新型柔性護(hù)欄的碰撞速度響應(yīng)[J].工程科學(xué)，2014，2(12)：37-42.

[9]LEI Z, PENG Q, LEI M. Crash safety analysis of the eroded semi-rigid barrier[C]，The 2nd International Conference on Transportation Information and Safety(ICTIS 2013)，June 28th-July 1st 2013,Wuhan, China，Paper No:2013-00036.

[10]LEI Z, LI L. Analysis on the crashworthiness of taiwan PVC barrier[C]，The 2nd International Conference on Transportation Information and Safety(ICTIS 2013)，June 28th-July 1st 2013, Wuhan, China，Paper No.: 2013-00049.

Topological Optimization of Central Median Semi-rigid Guardrail

LEI Zhengbao YANG Biao XIAO Linhui

(InstituteofVehicleandMechanicalEngineering，ChangshaUniversityofScienceandTechnology,Changsha410004,China)

According to the basic design size double of wave guardrail, was established the topological region. The beam topological configuration was acquired by several crashworthiness topology optimization analyses in the beam design domain. The crashworthiness verification analysis of new configuration in “Inverted U” type was gained under the simulation software. The analysis results indicated that the beam topological configuration in 0.25 mass fractions was achieved the the results showed a consistent trajectory , body acceleration guardrail safety evaluation and test results calculated after vehicle collision simulation , and met the requirements of the acceptance criteria.

central median semi-rigid barrier; cellular automaton; crashworthiness; topology optimization

2015-03-10

*國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(批準(zhǔn)號(hào)：51175050)

U467.1+4

10.3963/j.issn.2095-3844.2015.03.002

雷正保(1964- )：男，工學(xué)博士，教授，主要研究領(lǐng)域?yàn)槠嚢踩夹g(shù)