朱長(zhǎng)華,趙 寶,裴浩楠,劉 迅

(長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院,陜西 西安 710064)

基于ANSYS/LS-DYNA連續(xù)玄武巖纖維材料護(hù)欄碰撞吸能分析

朱長(zhǎng)華,趙 寶,裴浩楠,劉 迅

(長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院,陜西 西安 710064)

為了解決波形梁鋼護(hù)欄在使用過(guò)程中出現(xiàn)的使用壽命短,耐腐蝕性能差等問(wèn)題,結(jié)合國(guó)內(nèi)外對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的研究,提出連續(xù)玄武巖纖維材料護(hù)欄.利用碰撞分析有限元軟件ANSYS/LS-DYNA模擬小型汽車(chē)碰撞護(hù)欄過(guò)程,分析碰撞過(guò)程中連續(xù)玄武巖材料護(hù)欄吸能特性,研究結(jié)果表明,連續(xù)玄武巖纖維護(hù)欄在變形與吸能方面能夠滿足規(guī)范要求.

連續(xù)玄武巖纖維;護(hù)欄;ANSYS/LS-DYNA;能量吸收

在我國(guó),高速公路防撞護(hù)欄一般為半剛性護(hù)欄,即鋼制波形梁護(hù)欄,而廣泛應(yīng)用的鋼制波形梁護(hù)欄在使用過(guò)程中有兩個(gè)突出的問(wèn)題:使用壽命和碰撞性能.鋼制護(hù)欄在一般的天氣條件下,平均使用壽命大約為15年,但是在酸雨、鹽霧現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)的南方,在使用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重銹蝕現(xiàn)象.而纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有良好的抗腐蝕性和耐久性,彈性模量相比于鋼材也較小.在1990年,美國(guó)聯(lián)邦公路管理局就提出了玻璃纖維復(fù)合材料護(hù)欄研究,他們研究的目標(biāo)就是尋求一種耐撞性能好,吸能性能好,壽命長(zhǎng)的新型材料護(hù)欄[1].在國(guó)內(nèi),記國(guó)慶提出玻璃鋼復(fù)合材料用于道路護(hù)欄[2],哈爾濱工業(yè)大學(xué)的王鵬對(duì)高速公路復(fù)合材料護(hù)欄進(jìn)行了研究[3].而連續(xù)玄武巖纖維具有化學(xué)穩(wěn)定性能好,拉伸強(qiáng)度高,耐疲勞性能好,耐腐蝕性能好,并且連續(xù)玄武巖纖維彈性模量是鋼材的一半左右,利用其優(yōu)良的特性,提出連續(xù)玄武巖纖維護(hù)欄,如果連續(xù)玄武巖纖維能夠應(yīng)用到成品化護(hù)欄,就可以擬補(bǔ)鋼制護(hù)欄的問(wèn)題.新型材料用于成品化護(hù)欄,除了各項(xiàng)指標(biāo)應(yīng)滿足規(guī)范要求以后,材料也應(yīng)該有著良好的吸能特性.本文將利用ANSYS/LS-DYNA模擬車(chē)輛碰撞連續(xù)玄武巖纖維護(hù)欄[4],并與鋼制波形梁護(hù)欄對(duì)比,分析連續(xù)玄武巖纖維護(hù)欄的碰撞吸能特性.

1 連續(xù)玄武巖纖維護(hù)欄

1.1連續(xù)玄武巖纖維簡(jiǎn)介

連續(xù)玄武巖纖維是一種典型的高技術(shù)無(wú)機(jī)纖維結(jié)構(gòu)和功能材料,也是一種典型的能源節(jié)約、環(huán)境友好型的純天然綠色纖維,其耐酸耐堿[5],抗紫外線性能強(qiáng),有很好的耐環(huán)境腐蝕性能.

1.2連續(xù)玄武巖材料參數(shù)

連續(xù)玄武巖纖維的密度約是鋼材的1/3,故同等尺寸下,纖維材料護(hù)欄的質(zhì)量將大大減輕,這也就便于護(hù)欄的運(yùn)輸與安裝,由于玄武巖纖維護(hù)欄的彈性模量相比于鋼制護(hù)欄要小,故在護(hù)欄厚度方面,將玄武巖纖維護(hù)欄厚度設(shè)計(jì)為6 mm(普通鋼制波形梁護(hù)欄厚3 mm).護(hù)欄的防阻塊與立柱均采用Q235鋼.國(guó)內(nèi)廠商生產(chǎn)的玄武巖纖維彈性模量一般在80～110 GPa之間,本次模擬選取的是100 GPa,材料密度選取為2.65 g/cm3[5-6],材料失效準(zhǔn)則采用Chang-Chang失效準(zhǔn)則.具體參數(shù)如表1.

1.3玄武巖材料護(hù)欄設(shè)計(jì)

玄武巖纖維護(hù)欄的設(shè)計(jì)應(yīng)用的是《高速公路安全設(shè)施設(shè)計(jì)及施工規(guī)范》中的雙波波形梁護(hù)欄,防阻塊為A型防阻塊,圓形立柱.本文護(hù)欄設(shè)計(jì)采用5跨每跨4 m的設(shè)計(jì).基本尺寸圖見(jiàn)圖1,有限元模型圖見(jiàn)圖2.

表1 材料基本參數(shù)Table 1 Material parameters

圖1 護(hù)欄立柱斷面圖Fig.1 The cross-section diagram of upright of barrier

圖2 護(hù)欄有限元模型Fig.2 The finite element model of barrier

2 建立碰撞仿真系統(tǒng)

為了更加準(zhǔn)確的模擬碰撞分析過(guò)程,控制沙漏能,并且控制計(jì)算時(shí)間,在建模過(guò)程中需要對(duì)單元的類(lèi)型以及積分算法進(jìn)行選擇設(shè)定,護(hù)欄之間連接的模擬以及接觸條件的定義對(duì)仿真性也有著重要的影響

2.1單元類(lèi)型

在本文仿真模擬過(guò)程中,汽車(chē)采用ANSYS/LS-DYNA提供的Solid164三維實(shí)體單元,采用單點(diǎn)積分算法,這樣處理可以縮短計(jì)算時(shí)間,并且也可以較好的處理沙漏問(wèn)題.對(duì)于防阻塊,立柱與波形梁,都是采用shell163薄殼單元,采用Belytschko-Wong-Chiang殼單元算法,該算法適用于處理大變形問(wèn)題[7].

2.2護(hù)欄各部分之間的連接

對(duì)于護(hù)欄,防阻塊,立柱之間的連接,一般有兩種方法進(jìn)行模擬:一種是共用節(jié)點(diǎn)法,共用節(jié)點(diǎn)法在碰撞過(guò)程中兩個(gè)部分是不會(huì)發(fā)生脫離的,這和實(shí)際情況不相符.另一種是節(jié)點(diǎn)約束法,該方法是將兩個(gè)部件相對(duì)應(yīng)的部分的自由度進(jìn)行約束.本文采用的是節(jié)點(diǎn)約束法進(jìn)行模擬.

2.3控制接觸參數(shù)

接觸參數(shù)的控制,對(duì)于模型的仿真性有著很大的影響.在接觸問(wèn)題的處理中,采用的自動(dòng)面面接觸ASTS類(lèi)型,立柱與防阻塊之間的靜動(dòng)摩擦系數(shù)均為0.15.車(chē)輛與波形梁護(hù)欄之間的靜動(dòng)摩擦系數(shù)均為0.2.車(chē)輛與地面之間的靜、動(dòng)摩擦系數(shù)為0.6、0.2.

由于本文主要研究波形梁護(hù)欄的防撞吸能特性,在碰撞過(guò)程中,大部分能量被護(hù)欄吸收,故從能量吸收角度上看,可以將汽車(chē)近似為剛體處理[8],車(chē)輛模型簡(jiǎn)化尺寸為3.0 m×1.8 m×1.2 m.采用剛體材料,汽車(chē)對(duì)護(hù)欄的沖擊會(huì)變得更大,這對(duì)于護(hù)欄受力是不利的,但是這對(duì)于研究護(hù)欄防撞性能來(lái)說(shuō)是有利的,這樣做還可以大大減少計(jì)算時(shí)間.地面采用剛性墻模擬,車(chē)輛初始速度為100 km/h,車(chē)重1.5 t.

車(chē)輛碰撞仿真系統(tǒng)模型如圖3.

圖3 碰撞系統(tǒng)Fig.3 Collision system

3 碰撞吸能分析指標(biāo)

本次模擬是基于ANSYS/LS-DYNA的碰撞仿真模擬,波形梁能量吸收值是最直觀的指標(biāo),因此,通過(guò)波形梁的能量吸收值定量的分析材料碰撞吸能特性.其次,對(duì)于高速公路護(hù)欄,可以通過(guò)波形梁最大動(dòng)態(tài)變形量來(lái)定性的判斷護(hù)欄材料吸能效果[9].本文將通過(guò)波形梁最大動(dòng)態(tài)變形量,波形梁能量吸收值來(lái)分析新型材料護(hù)欄的吸能特性.

圖4 分析流程圖Fig.4 Flow chart of the analysis

4 仿真模擬結(jié)果分析

4.1驗(yàn)證碰撞過(guò)程的可靠性

《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范JTG D81—2006》[10]給出了護(hù)欄碰撞最大橫向力[10]:

式中:F橫為車(chē)輛作用下護(hù)欄最大橫向力,kN;m為車(chē)輛質(zhì)量,kg;v1為車(chē)輛碰撞速度,m·s-1;θ為車(chē)輛碰撞角度(°);C為車(chē)輛重心距前保險(xiǎn)杠的距離,m;b為車(chē)輛寬度,m;Z為護(hù)欄橫向變形,m.

通過(guò)計(jì)算可以得到規(guī)范要求的碰撞力為8.37×104kN,有限元模型中的最大碰撞力為9.28×104kN,與規(guī)范給出的計(jì)算結(jié)果相差為9.8%.故認(rèn)為本次汽車(chē)碰撞護(hù)欄有限元模擬結(jié)果可靠.

4.2波形梁護(hù)欄最大動(dòng)態(tài)變形量

LS-DYNA后處理軟件無(wú)法直接提取波形梁護(hù)欄的最大動(dòng)態(tài)變形量,本文通過(guò)選取護(hù)欄上變形量較大的多個(gè)節(jié)點(diǎn),選取4#立柱位置處波紋板上多個(gè)節(jié)點(diǎn),圖5中A點(diǎn)附近,繪制垂直于護(hù)欄方向(X方向)的變形圖,以此形成一個(gè)動(dòng)態(tài)變形量包絡(luò)圖,通過(guò)該圖,可以判斷出波形梁護(hù)欄的最大動(dòng)態(tài)變形量.如圖6所示.

圖5 0.25 s時(shí)護(hù)欄變形圖
Fig.5 Deformation of barrier at 0.25 s

通過(guò)圖7可以看出,兩種材料出現(xiàn)最大動(dòng)態(tài)變形的時(shí)間均在0.25 s附近.玄武巖纖維的最大動(dòng)態(tài)變形量約為82.8 cm,滿足《高速公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》JTG/T F83-01—2004規(guī)范規(guī)定的小于100 cm的要求[11].根據(jù)圖5,可以看到連續(xù)玄武巖纖維波形護(hù)欄與鋼制波形梁護(hù)欄的最大動(dòng)態(tài)變形量相差無(wú)幾.說(shuō)明本次模擬采用的6 mm厚玄武巖纖維材料護(hù)欄在受到車(chē)輛碰撞時(shí)與3 mm厚鋼護(hù)欄的吸能情況相當(dāng).

圖6 玄武巖纖維護(hù)欄最大動(dòng)態(tài)變形圖Fig.6 Maximum dynamic deformation diagram of CBF barrier

圖7 兩種材料變形對(duì)比圖Fig.7 Deformation contrast of two kinds of materials

4.3波形梁護(hù)欄吸能量

通過(guò)LS-DYNA后處理軟件可以提取到某一部件在碰撞過(guò)程中的能量吸收值.

通過(guò)圖8的對(duì)比,可以得出6 mm厚的連續(xù)玄武巖纖維護(hù)欄與3 mm鋼制波形護(hù)欄在能量吸收方面有著近似的效果,鋼制波形梁護(hù)欄在0.5 s時(shí)吸收能量約147 kJ,連續(xù)玄武巖纖維護(hù)欄吸收能量約138 kJ,整個(gè)碰撞系統(tǒng)中總能約568 kJ,波形梁護(hù)欄在0.5 s時(shí)的能量約占系統(tǒng)總能的25%(未計(jì)入防阻塊與立柱吸能),已達(dá)到公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范(JTG D81—2006)[10]給定的A、Am防撞等級(jí),表明連續(xù)玄武巖纖維防撞吸能性能良好.

圖8 兩種材料吸能對(duì)比圖Fig.8 Energy absorption of two kinds of materials

5 結(jié)論與展望

本文利用LS-DYNA模擬碰撞過(guò)程,驗(yàn)證了6 mm厚的玄武巖纖維材料護(hù)欄在小型車(chē)輛撞擊下波形梁最大動(dòng)態(tài)變形滿足規(guī)范要求,并通過(guò)與3 mm厚的鋼制護(hù)欄各種吸能指標(biāo)對(duì)比,結(jié)果顯示連續(xù)玄武巖纖維護(hù)欄的吸能特性稍遜于鋼制波形梁護(hù)欄,但也達(dá)到了規(guī)范給定的A、Am防撞等級(jí),說(shuō)明連續(xù)玄武巖纖維防撞吸能性能良好.連續(xù)玄武巖纖維用于成品化護(hù)欄,從能量吸收角度和護(hù)欄變形上來(lái)看,該材料已經(jīng)能夠滿足規(guī)范要求.另外,玄武巖材料的化學(xué)性能穩(wěn)定,耐腐蝕性能好,使用壽命長(zhǎng),這些都是鋼護(hù)欄所欠缺的,其在環(huán)境條件惡劣的地方相比于鋼制護(hù)欄會(huì)有更好的適應(yīng)能力.相信連續(xù)玄武巖纖維在護(hù)欄上面的應(yīng)用以后會(huì)得到推廣.

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EnergyAbsorptionAnalysisofCBFBarrierBasedonLS-DYNA

ZhuChanghua,ZhaoBao,PeiHaonan,LiuXun

(School of Highway,Chang’an University,Xi’an 710064,China)

In order to solve the problem of short service life,poor corrosion resistance and other problems in the use of corrugated steelbarrier,combined with domestic and foreign research on fiber reinforced composites,a continuous basalt fibrous material barrier is proposed.The finite element analysis software ANSYS/LS-DYNA is used to simulate the collision process of the small car guardrail collision,the energy absorption characteristics of the continuous basalt material barrier during the collision process are analyzed.The results show that the continuous basalt fiber barrier can meet the requirements of deformation and energy absorption.

continuous basalt fiber;barrier;ANSYS/LS-DYNA;energy absorption

2017-06-27

朱長(zhǎng)華(1993-),男,河南新鄉(xiāng)人,長(zhǎng)安大學(xué)碩士研究生.

2095-5456(2017)05-0415-04

U 417.1+2

A

【責(zé)任編輯:肖景魁】