王曉勇，何江李，朱　彤

(長安大學(xué) 汽車學(xué)院，陜西 西安　710064)

中國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展帶動了交通運(yùn)輸行業(yè)的高速發(fā)展。目前，中國高速公路總里程位居世界第一。同時，汽車保有量和高速公路的增長使得道路交通安全備受關(guān)注。合理的防護(hù)設(shè)施不僅能在汽車發(fā)生碰撞時有效地保護(hù)駕駛?cè)藛T，而且還能防止發(fā)生二次傷害。許多學(xué)者對交通安全防護(hù)設(shè)施的碰撞安全性做了大量的研究，從最初的實車足尺碰撞試驗發(fā)展到現(xiàn)在的計算機(jī)仿真試驗。雷正保[1]等人采用動態(tài)有限元法，研究了山區(qū)公路上混凝土護(hù)欄的碰撞特性，指出了當(dāng)前混凝土護(hù)欄存在的問題。喬希永[2]等人研究了車輛-護(hù)欄碰撞的乘員風(fēng)險評價方法，為中國護(hù)欄相關(guān)試驗研究及開發(fā)提供了借鑒。楊濟(jì)匡[3]等人采用有限元分析方法，研究了高速公路雙波形梁護(hù)欄對客車碰撞的防護(hù)性能，并對護(hù)欄結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)分析。張國勝[4]等人基于歐盟EN1317.2法規(guī)，選用乘用車與半剛性兩波形梁護(hù)欄進(jìn)行了實車碰撞試驗，評估了車輛-護(hù)欄系統(tǒng)的安全性能。Gutowski[5-6]等人采用有限元仿真法，從護(hù)欄的最大偏轉(zhuǎn)和車輛動態(tài)響應(yīng)評估研究了不同高度W型梁護(hù)欄的防護(hù)性能，還研究了用一個雙面護(hù)欄替換2個單面護(hù)欄的可行性。Prochowski[7]研究了不同質(zhì)量和速度的車輛與可拆卸混凝土護(hù)欄的碰撞過程，得出了車輛沖擊能量與護(hù)欄位移的關(guān)系。這些研究表明：對于防護(hù)設(shè)施的研究集中在高速公路上固定護(hù)欄的防撞性能，且集中于波形梁護(hù)欄。對于道路施工或隔離時路旁的臨時防護(hù)設(shè)施性能的研究較少，且缺乏對它們的防護(hù)性能進(jìn)行評價。臨時防護(hù)設(shè)施對于保障施工人員和車輛駕乘人員的安全都具有同樣重要的作用，研究并提高其防護(hù)性能勢在必行。作者擬選用注水防撞墩作為臨時防護(hù)設(shè)施，分別建立波形梁護(hù)欄、混凝土護(hù)欄及臨時防護(hù)設(shè)施3種防護(hù)設(shè)施的有限元模型并進(jìn)行碰撞仿真，分析它們各自的防護(hù)效果，比較它們的防護(hù)能力，并分析各自的模式適應(yīng)性。

1　汽車碰撞實驗基礎(chǔ)

汽車與防護(hù)裝置發(fā)生碰撞時，首先是以一定的角度斜沖向防護(hù)裝置，在碰撞發(fā)生后，防護(hù)裝置與汽車前端一側(cè)接觸，給汽車一定的作用力，碰撞產(chǎn)生的能量由車輛的變形和防護(hù)設(shè)施的變形吸收。同時，防護(hù)設(shè)施具有的導(dǎo)向作用，還會使車輛發(fā)生轉(zhuǎn)向，這個過程中又有一部分碰撞能量轉(zhuǎn)化為車輛轉(zhuǎn)向的能量。之后，車輛會與防護(hù)設(shè)施呈平行狀態(tài)，車輛尾部也會與防護(hù)設(shè)施發(fā)生碰撞。最后，車輛以一定角度駛出。理想的防護(hù)裝置應(yīng)能使車輛在發(fā)生碰撞并轉(zhuǎn)向后回到原車道，這不僅使發(fā)生碰撞的車輛行駛時軌跡可控，而且可以增加安全性能，也不致影響后車的行駛安全。

《高速公路護(hù)欄安全性能評價標(biāo)準(zhǔn)(JTG/T F83-01-2004)》[8]中規(guī)定了護(hù)欄安全性能的評估采用3項基本準(zhǔn)則，這些準(zhǔn)則是從人、車、護(hù)欄三者各自的角度出發(fā)而制定的。

1) 結(jié)構(gòu)完整性

防護(hù)設(shè)施的作用就是承受失控車輛沖擊的能量，保證車輛不會越出防護(hù)設(shè)施而造成更大事故。因此，防護(hù)設(shè)施應(yīng)能有效地阻擋車輛并進(jìn)行引導(dǎo)，避免車輛發(fā)生穿越、騎跨及下穿防護(hù)設(shè)施。同時，要符合標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的最大動態(tài)變形量。最大動態(tài)變形量指的是車輛沖入護(hù)欄的最大位移。護(hù)欄的最大動態(tài)變形量在規(guī)定的指標(biāo)內(nèi)是可以保證安 全的[8]。

2) 乘員風(fēng)險

乘員風(fēng)險用來評價乘員在事故中所受到的傷害程度，根據(jù)碰撞過程中車輛在特定時間長度內(nèi)的平均加、減速度和乘員的速度改變量來確定。護(hù)欄的安全性可采用車輛與護(hù)欄碰撞時的沖擊加速度作為判定指標(biāo)?！陡咚俟纷o(hù)欄安全性能評價標(biāo)準(zhǔn)(JTG/TF83-1-2004)》指出，當(dāng)車體3個方向(橫向、縱向、豎向)沖擊加速度均不超過20g時，車內(nèi)乘員不會受到嚴(yán)重傷害。當(dāng)試驗不具備安裝假人條件時，可以用車體質(zhì)心加速度作為乘員安全性能評價指標(biāo)。

3) 車輛運(yùn)行軌跡

進(jìn)行車輛運(yùn)行軌跡的控制是為了防止車輛在發(fā)生碰撞后進(jìn)入相鄰車道或發(fā)生橫轉(zhuǎn)、絆阻[9]等現(xiàn)象，導(dǎo)致更嚴(yán)重的二次事故[10]。但保證車輛絕對不會駛?cè)胂噜徿嚨朗遣滑F(xiàn)實的，能做的就是提高護(hù)欄的導(dǎo)向性能和緩沖性能。

根據(jù)3項基本準(zhǔn)則，本研究將護(hù)欄的最大動態(tài)變形量和車體的加速度作為評估護(hù)欄安全性能的指標(biāo)，在碰撞發(fā)生后，護(hù)欄的最大變形量小于 1 000 mm 時，可以認(rèn)為安全；在碰撞過程中，車體的加速度小于20g時，可以認(rèn)為安全。

2　仿真碰撞試驗條件及模型參數(shù)

碰撞試驗中最基本的條件是碰撞速度和碰撞角度。碰撞速度是指實際碰撞點前6 m以內(nèi)測定的試驗車輛的實際行駛車速。為了與真實高速公路上汽車和防護(hù)裝置的碰撞更加接近，碰撞車速參考中國高速公路對車速的要求。同時，考慮到通常在發(fā)生此類突發(fā)事故時，駕駛?cè)擞锌赡懿扇【o急制動或轉(zhuǎn)向等措施以減小碰撞速度，依據(jù)中國JTJ074-94規(guī)范，采用設(shè)計車速的80%近似作為碰撞車速[11]。因此，車輛的碰撞速度定為 90 km/h。 碰撞角度是指碰撞發(fā)生時車輛的縱向中心線與護(hù)欄所成的夾角。根據(jù)《高速公路護(hù)欄安全性能評價標(biāo)準(zhǔn)(JTG/T F83-01-2004)》，確定碰撞角度為20°。

仿真試驗中車輛模型選擇轎車模型，防護(hù)設(shè)施選擇波形梁護(hù)欄、混凝土護(hù)欄及注水防撞墩3種形式。通過建立車輛與3類防護(hù)設(shè)施的有限元模型，比較研究不同防護(hù)設(shè)施的防護(hù)效果。轎車模型參數(shù)為：整車長4 380 mm，整車寬1 803 mm，整車高1 420 mm，軸距2 660 m，整備質(zhì)量 1 570 kg。 波形梁護(hù)欄板(如圖1所示)尺寸為：B=310 mm，m=96 mm，H=85 mm，h1=83 mm，h2= 39 mm，E=14 mm，r1=24 mm，r2=24 mm，r3= 10 mm，α=55°，β=55°，θ=10°，t=3。圓柱形立柱尺寸為：長1 850 mm，外徑140 mm，壁厚4.5 mm?；炷磷o(hù)欄尺寸為：頂寬200 mm，底寬430 mm，高810 mm，單件長2 000 mm。注水防撞墩尺寸為：上寬250 mm，下寬480 mm，高 800 mm， 單件長1 500 mm，壁厚5 mm，裝水量250 kg。

圖1　波形梁護(hù)欄示意Fig. 1　The wave beam fence

3　碰撞系統(tǒng)有限元模型的建立

根據(jù)模型參數(shù)，利用SolidWorks和HyperMesh，分別建立碰撞中車輛與防護(hù)設(shè)施的幾何模型和有限元模型，并進(jìn)行前處理。

3.1　車輛有限元模型

根據(jù)車輛各部件在碰撞仿真中的影響程度，為了提高建模效率，減少計算時間，將汽車上不同部分的單元網(wǎng)格尺寸采用不同的標(biāo)準(zhǔn)。在碰撞接觸區(qū)劃分網(wǎng)格時要求比較精細(xì)，而對于碰撞時接觸不到的區(qū)域劃分時可以適當(dāng)加大網(wǎng)格尺寸。轎車車身網(wǎng)格尺寸確定為30 mm，保險杠網(wǎng)格尺寸確定為20 mm。車身網(wǎng)格單元選擇劃分質(zhì)量較好的四邊形單元。建立車輛有限元模型時，共生成45 186個單元，55 207個節(jié)點。在建立模型時，采用1D質(zhì)量單元(表示賦有質(zhì)量值的單節(jié)點，由一個單節(jié)點和一個質(zhì)量值定義。在不考慮結(jié)構(gòu)變形的情況下，用于模擬結(jié)構(gòu)的實際質(zhì)量特性)進(jìn)行配重，使車輛重心不會發(fā)生太大改變，如圖2所示。

圖2　車輛有限元模型Fig. 2　The finite element model of the vehicle

3.2　防護(hù)設(shè)施有限元模型

3.2.1波形梁護(hù)欄模型

波形梁護(hù)欄由波形梁板、防阻塊及圓柱形立柱組成。在碰撞過程中，波形梁板、防阻塊及立柱都會發(fā)生較大的變形來吸收能量，因此，劃分的網(wǎng)格尺寸較為精細(xì)。為了保證計算結(jié)果的精確，本研究確定網(wǎng)格尺寸為20 mm。波形梁護(hù)欄各部分均屬于薄板結(jié)構(gòu)，有限元分析時將其視為殼單元，網(wǎng)格類型選擇劃分質(zhì)量較好的四邊形單元。另外，3個組成部分之間的連接簡化成剛性連接。圓柱形立柱埋于地面以下400 mm處設(shè)置約束，限制其6個方向的自由度，模擬與地面的固定連接。建立的波形梁護(hù)欄各立柱間隔4 m，設(shè)置9跨，共36 m[12]。劃分后的波形梁有限元模型共78 501個單元，如圖3所示。

圖3　波形梁護(hù)欄有限元模型Fig. 3　The finite element model of the wave beam fence

3.2.2混凝土護(hù)欄模型

混凝土護(hù)欄為實體結(jié)構(gòu)，建立有限元模型時，采用實體單元。根據(jù)汽車與防撞墩碰撞時接觸位置不同，將防撞墩按不同區(qū)域分割，并劃分不同的網(wǎng)格。實際中單個混凝土護(hù)欄長度為4 m，中間以鋼筋和混凝土凸塊連接[13]。由于碰撞仿真試驗中防撞墩長度較短，各單個混凝土護(hù)欄之間的連接可以認(rèn)為是剛性的，因此，建立有限元模型時，直接建立一個整體混凝土護(hù)欄。實際中混凝土護(hù)欄與地面是以混凝土連接，可以看成剛性連接，因此，仿真模型中在混凝土護(hù)欄的底部設(shè)置約束，限制底部6個方向的自由度?；炷磷o(hù)欄的長度與波形梁的長度近似，取30 m。通過劃分網(wǎng)格，共生成70 875個節(jié)點和51 375個單元，該模型如圖4所示。

圖4　混凝土護(hù)欄有限元模型Fig. 4　The finite element model of concrete fence

3.3.3臨時防護(hù)設(shè)施模型

臨時防護(hù)設(shè)施采用注水防撞墩，其為空心結(jié)構(gòu)，外殼為高密度聚乙烯塑料，壁厚5 mm。為提高模型效率并簡化計算，對其進(jìn)行幾何清理后，抽取模型中面，使之成為2D殼單元。這樣，在劃分有限元網(wǎng)格時，就可將其看成殼單元了。網(wǎng)格單元均采用四邊形單元。由于注水防撞墩的幾何模型下部為曲面結(jié)構(gòu)，中間還有3個較大的孔，如果采用較大的網(wǎng)格尺寸，會造成較大的弦差和較小的雅克比值。為保證網(wǎng)格的質(zhì)量，注水防撞墩有孔部分網(wǎng)格取20 mm，上部分圓弧過渡區(qū)網(wǎng)格取40 mm，規(guī)則區(qū)域網(wǎng)格尺寸取50 mm。本研究采用的注水防撞墩由20個單件組成，每個注水防撞墩的長度為1.5 m，共30 m。所有注水防撞墩有限元模型共90 080個單元。注水防撞墩本身可以靈活移動，底部不固定，只是各單件之間相互連接，該模型如圖5所示。

4　仿真試驗結(jié)果及分析

利用求解器LS-DYNA計算，可得出不同防護(hù)設(shè)施與車輛的仿真碰撞結(jié)果。

圖5　注水防撞墩有限元模型Fig. 5　The finite element model of the waterinjection anti-collision pier

4.1　車輛與波形梁護(hù)欄的碰撞

車輛與波形梁護(hù)欄碰撞后，護(hù)欄上最大變形量位置的位移曲線和車體Y向加速度曲線分別如圖6，7所示。

圖6　波形梁護(hù)欄的動態(tài)變形量Fig. 6　The dynamic deformation of wave beam fence

圖7　汽車與波形梁護(hù)欄碰撞的Y向加速度Fig. 7　Y-axis acceleration of collisionbetween a car and wave beam fence

從圖6中可以看出，當(dāng)車輛與波形梁護(hù)欄發(fā)生碰撞時，護(hù)欄持續(xù)發(fā)生變形吸收碰撞能量，在160 ms處護(hù)欄的動態(tài)變形量達(dá)到最大，為 837 mm， 小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的1 000 mm，可以認(rèn)為波形梁護(hù)欄能有效地攔阻失控車輛，吸收碰撞能量，引導(dǎo)車輛轉(zhuǎn)向回到原車道。

當(dāng)模擬碰撞車輛無假人模型時，可用車體質(zhì)心的加速度作為乘員風(fēng)險的評估標(biāo)準(zhǔn)。因要研究在車輛行駛方向產(chǎn)生的加速度，故本研究用車體縱向加速度(即Y向加速度)代替質(zhì)心加速度。從圖7中可以看出，當(dāng)時間為25 ms時，車體與護(hù)欄開始發(fā)生接觸；當(dāng)時間在25～170 ms之間時，車輛與波形梁護(hù)欄持續(xù)接觸，車體和護(hù)欄均發(fā)生了變形；當(dāng)時間為170 ms時，車體質(zhì)心的加速度達(dá)到最大，為-0.13 mm/ms2，換算成重力加速度約為13.27g，小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的20g?？梢哉J(rèn)為在車輛與波形梁護(hù)欄發(fā)生碰撞時，護(hù)欄和車體產(chǎn)生的變形吸收了足夠的能量，使得車輛的動能逐漸釋放，車體加速度達(dá)到規(guī)定的安全范圍。

4.2　車輛與混凝土護(hù)欄的碰撞

車輛與混凝土護(hù)欄碰撞后，護(hù)欄上發(fā)生最大變形位置的位移曲線和車體Y向加速度曲線分別如圖8，9所示。

圖8　混凝土護(hù)欄的動態(tài)變形量Fig. 8　The dynamic deformation of concrete guardrail

圖9　車輛與混凝土護(hù)欄碰撞的Y向加速度Fig. 9　Y-direction acceleration of collision betweena vehicle and concrete guardrail

從圖8中可以看出，在此次碰撞過程中，混凝土護(hù)欄的位移為0 m/s。其原因是：混凝土護(hù)欄在有限元模型建立過程中賦予其剛體的屬性，材料本身不會發(fā)生相對位移；另一方面，由于混凝土護(hù)欄建造時，其底部與地面為固定連接，因此，建立有限元模型時，將混凝土護(hù)欄的底部進(jìn)行約束，造成碰撞結(jié)果中混凝土護(hù)欄的位移很小。

從圖9中可以看出，在車輛與混凝土護(hù)欄發(fā)生碰撞接觸后，車體質(zhì)心的加速度迅速增加。其原因是：雖然碰撞時車輛會吸收一部分能量，但由于所設(shè)置的混凝土護(hù)欄為剛體結(jié)構(gòu)，在碰撞過程中不會發(fā)生變形來吸收能量，因此，車體質(zhì)心的加速度相較于波形梁護(hù)欄的要大。另外，由于混凝土護(hù)欄為實體結(jié)構(gòu)，在車輛與護(hù)欄發(fā)生碰撞后，輪胎沿著護(hù)欄側(cè)面爬升提高，在其上滑行一段距離并轉(zhuǎn)向，車輛的一部分動能轉(zhuǎn)化為車輛的勢能，減小了車輛碰撞時行駛方向的加速度峰值。在圖9中，當(dāng)時間為150 ms時，車體質(zhì)心的加速度達(dá)到峰值，為-0.17 mm/ms2，約為17.35g，小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的20g，但比較接近?？梢哉J(rèn)為：混凝土護(hù)欄可以使失控車輛發(fā)生轉(zhuǎn)向，但對于緩沖吸收碰撞能量的效果不明顯。

4.3　車輛與注水防撞墩的碰撞

車輛與注水防撞墩碰撞后，防撞墩上發(fā)生最大變形位置的位移曲線和車體的Y向加速度曲線分別如圖10，11所示。

圖10　注水防撞墩動態(tài)變形量Fig. 10　The dynamic deformation of the water injection anti-collision pier

圖11　車輛與注水防撞墩碰撞Y向加速度Fig. 11　Y-direction acceleration of collision between a vehicle and the anti-collision pier

從圖10中可以看出，當(dāng)車輛與注水防撞墩發(fā)生碰撞時，防撞墩本身發(fā)生塑性變形，吸收了碰撞能量，且由于防撞墩整體與地面無連接，護(hù)欄發(fā)生了一定的位移。在時間為175 ms處，護(hù)欄的動態(tài)變形達(dá)到最大，為548 mm，小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的1 000 mm，可以認(rèn)為注水防撞墩能有效地攔阻失控車輛，吸收碰撞能量。由于防撞墩材料具有彈塑性特征，最大變形點處的變形量會減小，該曲線略有回落。

從圖11中可以看出，車輛與注水防撞墩碰撞時，車體質(zhì)心加速度的總體趨勢是逐漸增加。當(dāng)時間為167 ms時，車體質(zhì)心加速度達(dá)到最大，為-0.14 mm/ms2，約為14.29g，小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的20g。在碰撞過程中，由車體、塑料外殼的變形及內(nèi)部水的緩沖吸收能量，可較為明顯地減小碰撞時產(chǎn)生的加速度。

將不同防護(hù)設(shè)施與車輛碰撞的結(jié)果進(jìn)行對比，見表1。

表1　車輛與防護(hù)設(shè)施碰撞的結(jié)果比較Table 1　Comparison of collision results between vehicle and protective equipment

從表1中可以看出，在汽車與波形梁護(hù)欄發(fā)生碰撞時，其加速度較小，可較好地緩沖碰撞能量。而波形梁護(hù)欄的動態(tài)變形量較大，對于小型車，可阻止其駛出道路，但對于大質(zhì)量的客車或貨車，則有可能不能有效阻止其越出道路[14]。在汽車與混凝土護(hù)欄發(fā)生碰撞時，由于混凝土護(hù)欄本身的剛體強(qiáng)度大，護(hù)欄不會產(chǎn)生明顯的變形，大部分能量是由車與人承受，因此，其碰撞加速度遠(yuǎn)大于波形梁護(hù)欄和注水防撞墩的?；炷磷o(hù)欄的動態(tài)變形量很小，可有效防止失控車輛越出護(hù)欄駛離道路。當(dāng)汽車與注水防撞墩發(fā)生碰撞時所產(chǎn)生的加速度小于其與混凝土護(hù)欄發(fā)生碰撞時所產(chǎn)生的加速度，其碰撞產(chǎn)生的護(hù)欄動態(tài)變形量也小于其與波形梁護(hù)欄發(fā)生碰撞所產(chǎn)生的護(hù)欄動態(tài)變形量。由于注水防撞墩常用于隔離道路，需要靈活移動，因此底部沒有與地面連接，當(dāng)有大型車輛與其發(fā)生碰撞時，可能會發(fā)生較大的位移。

根據(jù)《高速公路護(hù)欄安全性能評價標(biāo)準(zhǔn)(JTG/T F83-01-2004)》中的說明，小型車和大型車在護(hù)欄碰撞中的評估側(cè)重點是不同的。對于小型車，要考察沖擊加速度對乘員的傷害；對于大型車，要考慮避免沖出路外，造成較大事故。因此，通過結(jié)果比較可以看出，波形梁護(hù)欄更適合于小型車，注水防撞墩對小轎車產(chǎn)生的沖擊加速度也較小，而混凝土護(hù)欄在碰撞中不易變形，承受沖擊能力強(qiáng)，可有效防止車輛越出道路，因此，比較適合于大型車輛行駛較多、路側(cè)環(huán)境比較惡劣的路段?；炷磷o(hù)欄與周圍環(huán)境協(xié)調(diào)性較差，視線誘導(dǎo)性差，不利于大規(guī)模使用。同理，注水防撞墩也不如波形梁護(hù)欄。因此，波形梁護(hù)欄在高速公路上得到大規(guī)模應(yīng)用。由于注水防撞墩材質(zhì)為塑料，壽命約5 a，如果大規(guī)模使用會導(dǎo)致成本太高，維護(hù)不便，因此,主要用于施工期間的臨時安全設(shè)施，這對于保障施工人員的安全和降低成本具有較大的意義。另外可根據(jù)道路交通事故統(tǒng)計資料，在事故頻發(fā)的路段進(jìn)行設(shè)置注水防撞墩，與混凝土護(hù)欄混合使用，而不必在全路段布置。

5　結(jié)論

理想的安全防護(hù)設(shè)施不僅能夠在與車輛發(fā)生碰撞時吸收大部分能量，還能夠阻止車輛沖出路外、引導(dǎo)失控車輛轉(zhuǎn)向，返回原車道。本研究通過建立轎車和3種常見的防護(hù)設(shè)施的有限元模型，經(jīng)碰撞仿真，從護(hù)欄最大動態(tài)變形量和車體加速度2個方面比較了3類防護(hù)設(shè)施的防護(hù)效果，得到的結(jié)論為：

1) 波形梁護(hù)欄的能量吸收效果較好，但碰撞時易被破壞，失控車輛有可能沖出路外，目前應(yīng)用范圍很廣。

2) 混凝土護(hù)欄在防止失控車輛越出道路方面效果較好，但其緩沖吸能效果差，可設(shè)置于路側(cè)環(huán)境差的路段。

3) 注水防撞墩在碰撞時產(chǎn)生的沖擊加速度比混凝土護(hù)欄的小，其動態(tài)變形量不是很大。由于移動方便，可廣泛用于需要臨時設(shè)置隔離的路段或施工場合，在某些較為危險的路段也可設(shè)置代替混凝土護(hù)欄。

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