戴金鋼，劉 軍*，高博麟

(1.寧波大學(xué) 機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院，浙江 寧波 315211;2.中國(guó)汽車技術(shù)研究中心，天津 300300)

0 引言

隨著我國(guó)公路里程量的擴(kuò)展和汽車保有量的不斷快速上升，公路交通的事故問(wèn)題日益凸顯，特別在中西部情形更加嚴(yán)峻，一則，由于經(jīng)濟(jì)落后等原因，車輛本身狀況不容樂(lè)觀。二則，中西部的地形復(fù)雜，多彎道和陡坡。彎道是公路的特殊路段，也是交通事故的高發(fā)路段，針對(duì)彎道護(hù)欄設(shè)計(jì)一般只會(huì)對(duì)道路單位長(zhǎng)度增加立柱的數(shù)量來(lái)增加護(hù)欄整體的強(qiáng)度，其做法大都來(lái)源于經(jīng)驗(yàn)，缺乏深入細(xì)致的分析。

《公路安全保障工程實(shí)施技術(shù)指南》［1］將急轉(zhuǎn)彎道路段定義為設(shè)計(jì)速度小于60 km/h，北京工業(yè)大學(xué)在研究1 000 余個(gè)半徑介于60 m～600 m 彎道路段后，發(fā)現(xiàn)平曲線半徑小于60 m 時(shí)，速度存在突變現(xiàn)象，認(rèn)為小于60 m 的平曲線半徑為急彎［2］。

當(dāng)車輛駛?cè)爰睆澛范螘r(shí)，司機(jī)因?qū)β窙r不熟悉而車速過(guò)快，車輛極易發(fā)生轉(zhuǎn)向不足或轉(zhuǎn)向失控，沖向外側(cè)或內(nèi)側(cè)護(hù)欄，輕者車輛損壞，重者車輛則可能沖出路面，造成重大事故。在雨、雪、霧等能見(jiàn)度不利氣象條件下，這種情況更為嚴(yán)重。

與直線路段車輛與護(hù)欄事故相比較，急彎路段內(nèi)的失控車輛與護(hù)欄的碰撞角要遠(yuǎn)大于《公路安全設(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則》［3］規(guī)定的20°，以碰撞角θ=25°為例，根據(jù)動(dòng)能定理E=m(v×sinθ)2/2，其碰撞能量是碰撞角θ=20°碰撞能量的1.53 倍。假如直線段護(hù)欄采用碰撞能量為160 kJ 的A 級(jí)半剛性護(hù)欄，則彎道內(nèi)護(hù)欄需要采用碰撞能量為160×1.53≈240 kJ 的護(hù)欄，這個(gè)能量等級(jí)遠(yuǎn)大于A 級(jí)護(hù)欄的碰撞能量，采用加密立柱方案顯然存在護(hù)欄防護(hù)能力不足缺陷，失控車輛可能沖出路外［4］。

因此，本研究對(duì)公路彎道路段的護(hù)欄裝置設(shè)計(jì)進(jìn)行理論及仿真研究。

1 模型參數(shù)確定

本研究借鑒北京工業(yè)大學(xué)的研究成果將急轉(zhuǎn)彎道定義為半徑小于60 m 的彎道。

1.1 傳統(tǒng)彎道半剛性護(hù)欄模型仿真

1.1.1 傳統(tǒng)彎道半剛性護(hù)欄模型參數(shù)

北京深華科交通工程有限公司的王康臣等［5］對(duì)波形梁各結(jié)構(gòu)構(gòu)件和整體性能進(jìn)行了分析，通過(guò)對(duì)同等截面積的圓管形、H 形柱截面形式的立柱進(jìn)行有限元?jiǎng)恿ε鲎卜治?，得到了H 立柱的抗彎慣性矩最大，抗扭慣性矩與圓柱接近，綜合效果最佳;立柱基礎(chǔ)選擇常見(jiàn)的樁基礎(chǔ)，防阻塊選取普通的六角形防阻塊。因此本文采取其結(jié)論，利用HyperWork 軟件建立的小車建立同等結(jié)構(gòu)的彎道波形梁防護(hù)欄模型如圖1 所示。

圖1 車與護(hù)欄碰撞CAE 模型示意圖

本研究所使用的小車模型為福特公司生產(chǎn)的Taurus，整車參數(shù)如表1 所示。該模型來(lái)源于美國(guó)國(guó)家碰撞分析中心(NCAC)，Taurus 經(jīng)過(guò)仿真與實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果對(duì)標(biāo)，其模型結(jié)構(gòu)與材料與實(shí)車基本相同，因此，可以保證車輛模型的精確性［6］。

表1 Taurus 主要參數(shù)

防護(hù)欄波形梁、H 型立柱、防阻塊皆采用* MAT 24 彈塑性材料，ρ=7.865×103kg/m3，彈性模量E=2.0× 105MPa，泊松比u=0.27，屈服應(yīng)力σs=310 MPa，剪切模量G=763 MPa。

接觸設(shè)置:汽車-防護(hù)欄碰撞模型中，對(duì)其主要的5 對(duì)接觸進(jìn)行設(shè)置，詳細(xì)介紹如表2 所示。

表2 接觸定義

汽車-護(hù)欄碰撞模型由于不考慮埋入土層的混凝土被碰撞情況，簡(jiǎn)化其接觸定義，僅對(duì)地基施加底部固定約束。

模型的建立雖然經(jīng)過(guò)了簡(jiǎn)化，但各項(xiàng)材料的類別定義和主要接觸、約束、參數(shù)的設(shè)置與實(shí)際工況相符，符合行業(yè)的普遍做法［7-8］。

1.1.2 數(shù)值模擬

在數(shù)值模擬中采用的兩種典型工況:

(1)小車相對(duì)彎道護(hù)欄以25°碰撞角、80 km/h 縱向速度撞擊護(hù)欄(碰撞角為車輛縱軸線與其延長(zhǎng)線與護(hù)欄相交點(diǎn)的切線之間的夾角)。

(2)小車相對(duì)彎道護(hù)欄以25°碰撞角、100 km/h 縱向速度撞擊護(hù)欄。

評(píng)價(jià)指標(biāo)參照《高速公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》［9］，從車輛行駛軌跡、車輛質(zhì)心加速度、系統(tǒng)能量以及車輛損傷形態(tài)4個(gè)方面來(lái)系統(tǒng)研究護(hù)欄在碰撞中的阻擋、緩沖及導(dǎo)向作用。

(1)車輛運(yùn)行軌跡

防護(hù)欄導(dǎo)向功能是指碰撞車輛向行車方向順利導(dǎo)出并恢復(fù)運(yùn)行狀態(tài)的能力，其最好的評(píng)價(jià)指標(biāo)是車輛運(yùn)行軌跡。

小車分別以25°的角度(小車縱向平面與護(hù)欄碰撞點(diǎn)處的切平面間的夾角)和不同速度撞擊護(hù)欄的空間軌跡圖如圖2 所示。由圖2 所示，普通護(hù)欄在碰撞過(guò)程中阻絆了小車，且H 形立柱發(fā)生了倒伏，護(hù)欄立柱與地面的最大夾角小于60°。最終小車鉆入在普通護(hù)欄。

圖2 車輛與護(hù)欄碰撞軌跡圖

(2)乘員加速度

當(dāng)車輛與護(hù)欄相撞并被護(hù)欄擋住后，車輛與乘員均會(huì)受到?jīng)_擊加速度的作用。當(dāng)沖擊加速度達(dá)到一定程度后，人體就會(huì)受到相應(yīng)程度的傷害。一般進(jìn)行乘員安全評(píng)價(jià)時(shí)，主要考慮在碰撞過(guò)程中乘員所受沖擊加速度持續(xù)時(shí)間為10 ms 時(shí)，其最大瞬時(shí)加速度，一般要求其小于20g，越小越好。

乘員加速度曲線如圖3 所示，兩個(gè)工況下普通護(hù)欄的X，Y 方向及和合成加速度的峰值均超過(guò)20g，表明在碰撞過(guò)程中，乘員受到劇烈沖擊，造成人員和車輛被傷害。小車以80 km/h相撞后200 ms 左右，縱向減速度上升至300 m/s2(約為33g)，然后下降。

圖3 乘員加速度曲線

(3)系統(tǒng)能量

系統(tǒng)能量變化如圖4 所示，傳統(tǒng)護(hù)欄在撞擊過(guò)程中，車輛動(dòng)能逐漸減小并轉(zhuǎn)化為護(hù)欄和車輛的內(nèi)能。A 工況動(dòng)能轉(zhuǎn)化內(nèi)能的比率為72.8%，B 工況為76.7%，表明碰撞能量大部分由波形梁和立柱及車輛變形所吸收，這一點(diǎn)也可以從護(hù)欄車輛發(fā)生劇烈變形看出，車輛-傳統(tǒng)護(hù)欄損傷形態(tài)如圖5 所示。

圖4 系統(tǒng)能量變化

圖5 車輛-傳統(tǒng)護(hù)欄損傷形態(tài)

(4)車輛—護(hù)欄損傷形態(tài)

截圖均取自撞擊力最大的時(shí)刻(A 工況0.074 s，B 工況為0.11 s，X 方向的位移最大值為143 mm，在0.075 s 處)。

兩個(gè)工況同時(shí)存在輪罩、翼子板及前防撞梁被完全壓潰，其A、B 柱變形顯著，工況A 中有兩根立柱與地面的夾角超過(guò)45°，且車前局部擠壓變形劇烈，而工況B 右前輪因擠壓變形而失效，右側(cè)車門從中部折彎，并向外打開(kāi)，同時(shí)有多根立柱與地面的夾角超過(guò)60°。

(5)橫縱向速度分析

傳統(tǒng)護(hù)欄:以80 km/h 速度、碰撞角度為25°，相撞后220 ms，速度降到最低(約為10 km/h)，然后基本保持速度不變，傳統(tǒng)彎道護(hù)欄碰撞速度與時(shí)間曲線如圖6 所示。

圖6 傳統(tǒng)彎道護(hù)欄碰撞速度與時(shí)間曲線

1.2 帶防撞圈裝置的彎道半剛性護(hù)欄模型

根據(jù)傳統(tǒng)半剛性護(hù)欄在彎道碰撞事故仿真中出現(xiàn)的車輛與護(hù)欄損害過(guò)大的不足情況，本研究提出一種帶有柔性防撞(剛-柔-剛組合結(jié)構(gòu))的護(hù)欄裝置。近幾年來(lái)，在橋梁防撞領(lǐng)域出現(xiàn)了一種新型的柔性防撞裝置，其中寧波大學(xué)力學(xué)與材料研究中心為浙江象山港跨海大橋設(shè)計(jì)的柔性防撞裝置如圖7 所示。它的防撞理念是:一方面防撞裝置吸收部分碰撞能量，另一方面防撞裝置改變船舶的航向，使船舶帶走大部分動(dòng)能，從而大大降低了船舶的撞擊力。這種柔性防護(hù)結(jié)構(gòu)通常可以得到較好的防撞緩沖效果，對(duì)碰撞雙方都能起到保護(hù)作用，并且它的造價(jià)也相對(duì)較低。2011年在寧波象山白墩港大橋主橋墩實(shí)船撞擊實(shí)驗(yàn)中得以驗(yàn)證其有效性，如圖7(c)、7(d)所示。

圖7 浙江象山港跨海大橋新型柔性防撞裝置

本研究將該種結(jié)構(gòu)裝置應(yīng)用到高速護(hù)欄中，設(shè)計(jì)出一種新型的緩沖防護(hù)欄。該裝置為外層剛構(gòu)件、中間柔性單元(防撞圈)和內(nèi)層剛構(gòu)件組成的三層結(jié)構(gòu)如圖8(a)所示。受車輛高速撞擊處的外層構(gòu)件不會(huì)產(chǎn)生大的局部變形，其基本上能保持整體剛性移動(dòng)，因而能帶動(dòng)位于其內(nèi)側(cè)的柔性防撞圈變形，柔性防撞圈的變形又為外剛圍提供了移動(dòng)空間。同時(shí)，柔性防撞圈又能起到隔阻強(qiáng)沖擊波、減小撞擊力、緩沖(延長(zhǎng)低載荷下撞擊過(guò)程時(shí)間)等多效果。尤其是延長(zhǎng)較低載荷下撞擊過(guò)程時(shí)間和阻止防撞護(hù)欄外層鋼構(gòu)較大移動(dòng)，可使車輛有時(shí)間和空間轉(zhuǎn)向，使車輛能沿防撞護(hù)欄外側(cè)滑走，從而帶走車的大部分動(dòng)能，大幅降低車-護(hù)欄撞擊過(guò)程中的碰撞力，減小因過(guò)度反彈進(jìn)入另外車道發(fā)生二次碰撞事故的概率，從而盡最大可能地保護(hù)失控車輛和乘員的安全。

圖8 新型緩沖防護(hù)欄

當(dāng)車輛撞到防護(hù)欄裝置上時(shí)，防護(hù)欄需要提供很好的柔性(即保證外鋼圍能夠產(chǎn)生足夠的位移)，這種柔性由防撞圈提供。防撞圈一般由鋼絲繩圈或者橡膠圈構(gòu)成，防撞圈仿真示意圖如圖8(b)所示。單個(gè)防撞圈的試驗(yàn)與理論模型的力—位移曲線［10-11］如圖9 所示。其中試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)自于防撞圈的壓縮試驗(yàn)，理論模型采用ZWT 模型［12］。應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系式為:

轉(zhuǎn)化為實(shí)際計(jì)算中需要的力—位移關(guān)系(力F、位移Δu、彈簧系數(shù)K、加載速度v(τ))為:

在沖擊載荷下則與式(2)相對(duì)應(yīng)地化為:

圖9 直徑400 mm 防撞圈壓縮力—位移實(shí)驗(yàn)與理論曲線

在恒定的加載速度下，式(2)可化為:

在恒定卸載速度下，則化為:

式(5)中的材料參數(shù)可由與柔性防撞圈實(shí)測(cè)的力-位移試驗(yàn)曲線進(jìn)行擬合確定。由于雙層橫梁之間的防撞圈表現(xiàn)出足夠的柔性，車輛推著外側(cè)橫梁運(yùn)動(dòng)。由防撞圈的力學(xué)特性所示:在碰撞的初期，外側(cè)橫梁后退時(shí)產(chǎn)生的力較小(防撞圈的力—位移曲線有一個(gè)較大的低應(yīng)力平臺(tái));撞擊后期，當(dāng)外側(cè)橫梁后退一定距離后，防撞圈被壓實(shí)(防撞圈為空心)，作用力會(huì)加大(圖9 中防撞圈二次彈性階段)。由此可知撞擊力能長(zhǎng)時(shí)間保持在較低作用力下，使事故車輛有足夠的時(shí)間和空間改變其行駛方向，且車輛的部分動(dòng)能可保留在車輛上，繼續(xù)沿外側(cè)橫梁側(cè)向前滑動(dòng)。這種設(shè)計(jì)既可緩沖撞擊過(guò)程，防止二次事故的發(fā)生。

為了實(shí)現(xiàn)防撞圈的數(shù)值模擬，本研究采用4條粘彈性彈簧來(lái)實(shí)現(xiàn)與防撞圈相似的力-位移關(guān)系，如圖8(b)所示。

2 仿真結(jié)果分析

2.1 車輛運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析

2.1.1 運(yùn)行軌跡分析

車輛與新型柔性緩沖裝置防護(hù)欄碰撞軌跡圖如圖10 所示。小車分別以25°的角度(小車縱向平面與護(hù)欄碰撞點(diǎn)處的切平面間的夾角)和不同速度撞擊護(hù)欄的空間軌跡圖，新型柔性緩沖裝置防護(hù)欄可以有效的防止車輛沖出路外，并且可以使車子貼著護(hù)欄外側(cè)前進(jìn)，并最終擺正車頭，回到正常行駛方向。

圖10 車輛與新型柔性緩沖裝置防護(hù)欄碰撞軌跡圖

2.1.2 橫縱向速度分析

新型柔性緩沖裝置防護(hù)欄碰撞速度與時(shí)間曲線如圖11 所示。小車以80 km/h 相撞后250 ms 后，縱向速度降至51.6 km/h，然后保持不變，速度下降約來(lái)初始速度的64.5%;小車以100 km/h 相撞后350 ms 后，縱向速度降至39 km/h，然后保持不變，速度下降約為初始速度的39%說(shuō)明小車在碰撞過(guò)程能量損耗小，當(dāng)碰撞結(jié)束后，仍能以相對(duì)較大的速度回到原來(lái)車道行駛。

圖11 新型柔性緩沖裝置防護(hù)欄碰撞速度與時(shí)間曲線

2.1.3 乘員加速度分析

新型柔性緩沖裝置防護(hù)欄的加速度與時(shí)間曲線如圖12 所示:小車以80 km/h相撞后從25 ms～170 ms間，橫、縱向減速度在5g 左右波動(dòng)，最大和分別為8.8g和10g;100 km/h 相撞后從20 ms～250 ms間，橫、縱向減速度在8g 左右波動(dòng)，最大減速度分別為13g和15.5g表明小車處于穩(wěn)定減速狀態(tài)。

圖12 柔性護(hù)欄撞擊護(hù)欄的加速度與時(shí)間曲線

2.2 碰撞過(guò)程能量轉(zhuǎn)化分析

能量-時(shí)間曲線如圖13 所示。由圖13 可知:在新型柔性防護(hù)欄作用下，參與交換并最終轉(zhuǎn)化為小車與裝置內(nèi)能的動(dòng)能遠(yuǎn)小于車輛的總動(dòng)能。隨著車輛總動(dòng)能的增加，轉(zhuǎn)化的比例越來(lái)越小，在100 km/h 的速度碰撞時(shí)，轉(zhuǎn)化比例僅為初始總動(dòng)能的15.3%，而80 km/h的速度碰撞時(shí)轉(zhuǎn)化比例為44.4%。

圖13 柔性護(hù)欄撞擊護(hù)欄的能量與時(shí)間曲線

2.3 碰撞過(guò)程中力與損害的分析

傳統(tǒng)半剛性護(hù)欄和裝有緩沖裝置的柔性護(hù)欄在A、B 工況下最大接觸力與時(shí)間曲線分別如圖14(a)、14(b)所示。從圖14(a)可知:在碰撞過(guò)程中車輛對(duì)護(hù)欄撞擊力劇烈波動(dòng)，其最大值為70 kN，但從如圖15所示的損傷示意圖可以看到車前部件局部劇烈變形，防撞梁最大變形量達(dá)到143 mm，說(shuō)明在小車與傳統(tǒng)護(hù)欄碰撞過(guò)程中，局部受力和變形均非常大;而圖14(b)中裝有緩沖裝置的柔性護(hù)欄以80 km/h 速度(左)和100 km/h 的速度(右)撞擊護(hù)欄的最大接觸力與時(shí)間曲線接觸力變化平緩，但承受接觸力的能力得到了極大地提升，約為普通護(hù)欄承載能力的580%。而且A、B 工況車輛的輪罩、翼子板等均顯著變形，但防撞梁無(wú)變化，右前車門與護(hù)欄有輕微擠壓變形現(xiàn)象，無(wú)立柱與地面的夾角小于60°，防撞梁最大變形量?jī)H為20 mm，防護(hù)效果良好。

圖14 接觸力與時(shí)間曲線

圖15 損傷示意圖

3 結(jié)束語(yǔ)

研究結(jié)果表明:

(1)在急彎(R=60 m)處，小車撞向護(hù)欄的工況下，按直道半鋼性波形梁護(hù)欄設(shè)計(jì)的護(hù)欄不能滿足要求，車輛易發(fā)生小車穿越或鉆入危險(xiǎn)事故。

(2)安裝在彎道處的新型柔性緩沖裝置防護(hù)欄可以有效地將以大角度碰撞護(hù)欄的車輛攔在道路內(nèi)，并且使車輛貼著外側(cè)橫梁前進(jìn)，并最終擺正方向。

(3)在車輛與護(hù)欄碰撞接觸過(guò)程中，柔性護(hù)欄在70%時(shí)間內(nèi)維持一個(gè)穩(wěn)定的應(yīng)力水平，使車輛保持最初姿態(tài)，并且有足夠的時(shí)間回到正常的行駛車道。

(4)在車輛與柔性護(hù)欄碰撞接觸過(guò)程中，小車動(dòng)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的比例低，最高為35.3%，小于小車傳統(tǒng)護(hù)欄相撞轉(zhuǎn)化比例76.7%，并且小車還能以較大速度駛離防護(hù)欄，回到正常行駛車道，防止出現(xiàn)第二次事故。

(5)在車輛與柔性護(hù)欄碰撞接觸過(guò)程中，小車防撞梁的最大變形僅約為車輛與傳統(tǒng)護(hù)欄相撞變形的14%，極大地分散了對(duì)車輛和乘員的沖擊力和減小了車輛的損傷，即降低了財(cái)產(chǎn)的損失。

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