(1.東北林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150090)

0 引言

近年來，我國高速公路的大量建設(shè)和汽車保有量的迅速增加，交通安全問題已經(jīng)成為高速公路發(fā)展的突出問題和重點(diǎn)問題。而這其中，每年有1/3的死亡事故是發(fā)生于車輛與高速公路中央分隔帶護(hù)欄的碰撞事故，而且往往由于車輛穿越中央分隔帶沖進(jìn)對向車道造成的第二次事故更為重大[1-2]。在中央分隔帶中，往往需要設(shè)置中央分隔帶開口處，用于應(yīng)急開啟，使事故處理車輛和急救搶險車輛緊急通過，但是在其設(shè)計過程中過多的重視了活動性，而在防撞能力方面存在明顯不足[2-4]。近年來，車輛穿越中央分隔帶開口處活動護(hù)欄而發(fā)生重大、特大交通事故屢見不鮮，對高速公路造成嚴(yán)重的安全隱患，護(hù)欄作為被動的交通安全措施，在高速行駛的道路上不能提供足夠的安全保障，那么造成的損失將是無法估量。

目前國內(nèi)常用的插拔式、推拉式和填充式3種中央分隔帶開口處活動護(hù)欄的防護(hù)能力明顯不足[2]。國內(nèi)不少學(xué)者對防撞活動護(hù)欄進(jìn)行了研究。其中范慕輝等[3]設(shè)計提出了一種企口式剛性混凝土活動護(hù)欄具有一定的防撞能力，能有效地阻擋車輛沖向?qū)γ孳嚨?，但剛性混凝土活動護(hù)欄結(jié)構(gòu)對車輛的損傷較大，不能有效緩沖撞擊，難以保障車內(nèi)人員的安全，且混凝土結(jié)構(gòu)施工難度較大；閆書明等[4]開發(fā)了一種鋼管預(yù)應(yīng)力索防撞活動護(hù)欄，該活動護(hù)欄采用鋼管和預(yù)應(yīng)力鋼索組合結(jié)構(gòu)，大幅度提高了其力學(xué)性能且兼具活動性，但其結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，現(xiàn)場安裝麻煩，造成了時間成本的增加。

本文提出了一種新型中央分隔帶易開型防撞活動護(hù)欄，在滿足中央隔離帶活動護(hù)欄開啟和移動便捷性的前提下，具有一定的防撞能力和導(dǎo)向能力，且能有效的緩沖撞擊，減少對車輛的損壞，其結(jié)構(gòu)規(guī)則簡明，安裝方便。為驗證活動護(hù)欄的安全性，對活動護(hù)欄進(jìn)行計算機(jī)碰撞仿真，得到仿真結(jié)果，著重分析車輛在撞擊過程中的運(yùn)動軌跡、加速度，以及護(hù)欄的變形，從而驗證此中央分隔帶活動護(hù)欄的阻擋功能、導(dǎo)向功能、緩沖功能、護(hù)欄最大橫向動態(tài)變形值等項性能指[5-9]。

1 新型中央分隔帶活動護(hù)欄結(jié)構(gòu)設(shè)計

新型中央分隔帶活動護(hù)欄主要應(yīng)用于高速公路、一級公路和城市全封閉環(huán)線道路中央分隔帶活動開口處，滿足A、A m級防撞等級，是一種新型高強(qiáng)度低碳合金鋼中央分隔帶活動護(hù)欄。其高度為790 mm，每節(jié)長度5 000 mm，抗拉強(qiáng)度為670 MPa，方管規(guī)格為50 mm×50 mm×4 mm，節(jié)與節(jié)之間采用雙鋼管立柱連接，這樣既有較強(qiáng)的剛性防撞能力又有中間連接柱產(chǎn)生的柔性緩沖力對碰撞車輛能有效的緩沖撞擊，減少車內(nèi)人員因劇烈碰撞造成的傷害。每節(jié)護(hù)欄都裝有兩對可升降調(diào)節(jié)的萬向輪結(jié)構(gòu)，以保證護(hù)欄的活動性。固定端頭方面，采用直接錨固路面結(jié)構(gòu)上，不需要混凝土基礎(chǔ)，安裝方便(見圖1)。

圖1 新型活動護(hù)欄結(jié)構(gòu)示意圖(單位：mm)

2 汽車-護(hù)欄碰撞仿真有限元模型的建立

2.1 汽車-護(hù)欄力學(xué)模型

汽車與護(hù)欄的碰撞過程中，汽車首先與護(hù)欄成一定角度接觸，以V1速度與護(hù)欄碰撞，在護(hù)欄的阻擋作用下慢慢改變方向，以V2速度沿著護(hù)欄滑行，在護(hù)欄的導(dǎo)向作用下，以較小角度駛離護(hù)欄[10]，圖2為汽車-護(hù)欄的碰撞模型。車輛與護(hù)欄的碰撞是一個極其復(fù)雜的動力學(xué)物理過程，在考慮車輛與護(hù)欄的特性后，對模型作出假設(shè)：

a.車輛碰撞護(hù)欄期間允許車輛變形，但重心不變。

b.護(hù)欄對車輛沒有羈絆作用。

c.車輛改變方向與護(hù)欄平行時車輛的橫向加速度為零。

圖2 汽車與護(hù)欄碰撞模型Figure 2 The collision model between vehicle and barrier

2.2 車輛有限元仿真模型

為確保模擬的準(zhǔn)確性，依據(jù)實際車輛建立了車輛的模型。車輛的大部分零部件采用法向方向3點(diǎn)積分的Belytschko-Tsay殼單元建模；對傳動軸與后橋采用Belytschko-Schwer resultant beam梁單元模擬[11]。車輛各零部件的連接，主要采用焊接連接(SPOTWELD)和剛體連接(RIGID-BODY)[11-13]。對車門、車廂、駕駛室、發(fā)動機(jī)蓋等均使用彈塑性材料*MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY；輪胎、傳動軸使用彈性材料*MAT_ELASTIC；發(fā)動機(jī)、變速器、后橋使用剛體材料MAT_RIGID[12-13]。為達(dá)到試驗標(biāo)準(zhǔn)，需要對皮卡車和貨車的有限元模型進(jìn)行質(zhì)量調(diào)整，調(diào)整后其重心位置基本保持不變，使其總質(zhì)量分別為1.5 t和10 t。其中皮卡車長、寬、高分別為5 654、1 823、1 789 mm，有限元模型的總節(jié)點(diǎn)數(shù)為66 590個，單元數(shù)為60 003個,(見圖3)。貨車長、寬、高分別為8 562、3 764 mm(包含集裝箱寬度)、3 319 mm(包含集裝箱高度)，有限元模型的總結(jié)點(diǎn)數(shù)38 955個、單元數(shù)為36 539個(見圖4)。

圖3 皮卡車有限元模型Figure 3 FEA model of the pick-up

圖4 貨車有限元模型Figure 4 FEA models of the truck

2.3 護(hù)欄有限元仿真模型

活動護(hù)欄仿真試驗段總長為29 m，開口長度為25 m，在CATIA軟件中按照等比例建立活動護(hù)欄的三維幾何模型，之后將其導(dǎo)入到HYPERMESH中進(jìn)行前處理，護(hù)欄結(jié)構(gòu)均采用殼單元進(jìn)行劃分，使用Belytschko-Tsay殼單元算法。對護(hù)欄做出如下約束和簡化：

a.由于只考慮護(hù)欄在靜態(tài)下與車輛的碰撞，因此滑輪模型取消，但在滑輪處需對護(hù)欄約束豎直方向的自由度來模擬滑輪對護(hù)欄的支撐作用。

b.對固定端頭部分施加全約束，使其固定在地面。

c.護(hù)板在實際應(yīng)用中只起到與波形梁護(hù)欄過渡的作用，對碰撞影響不大，所以不予以考慮。

活動護(hù)欄采用如下準(zhǔn)則進(jìn)行劃分：對立柱、固定端頭、單元框架采用10 mm殼單元，單元翹曲角≤15°，單元內(nèi)角≥25°進(jìn)行劃分，其中立柱的殼單元厚度設(shè)為8.5 mm，單元框架的殼單元厚度為4 mm，固定端頭的殼單元厚度為10 mm，活動護(hù)欄有限元模型總計381 844個節(jié)點(diǎn)，殼單元數(shù)為382 612個,活動護(hù)欄采用彈塑性材料*MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY[14]，參數(shù)如下：質(zhì)量密度為7 850 kg/m3，彈性模量為206 GPa，屈服應(yīng)力為630 MPa，泊松比為0.28，失效應(yīng)變?yōu)?.3。圖5為護(hù)欄有限元模型。

圖5 活動護(hù)欄有限元模型Figure 5 FEA model of the movable barrier

2.4 接觸控制

汽車與護(hù)欄碰撞仿真中，其接觸是一個復(fù)雜的過程，建立合理的接觸是非常重要的，如果接觸定義不合理，在后處理中就會出現(xiàn)穿透的現(xiàn)象。本研究將車輛與護(hù)欄之間以及護(hù)欄各部分之間的接觸方式設(shè)置為單面自動接觸(CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE)。車輛與護(hù)欄碰撞的同時勢必會產(chǎn)生摩擦，正確合理的設(shè)置護(hù)欄與車輛、車輪與地面的摩擦力，對碰撞及碰撞后汽車的運(yùn)動姿態(tài)和受力影響很大，摩擦系數(shù)由下式計算[15]：

μc=μd+(μs-μd)e-(DC)(v)

(1)

式中：μc為靜摩擦系數(shù)；μd為動摩擦系數(shù)；DC為指數(shù)衰減系數(shù)；v為接觸面間的相對速度。

為了正確模擬車輛與地面之間的接觸，利用*LOAD_BODY_Z對系統(tǒng)施加重力加速度[16]，對地面假設(shè)為剛性。本文定義了如下4個接觸，即：

a.將地面設(shè)為剛性，用*RIGIDWALL_PLANAR定義護(hù)欄與路面之間的接觸，摩擦系數(shù)取為0.2。

b.采用*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE定義護(hù)欄連接段、鋼管立柱、護(hù)板之間的接觸，靜摩擦系數(shù)取為0.23，動摩擦系數(shù)取為0.25，指數(shù)衰減系數(shù)設(shè)為0.01。

c.采用*RIGIDWALL_PLANAR定義輪胎與路面的接觸，摩擦系數(shù)取為0.9。

d.采用*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE定義車輛的自身接觸，靜摩擦系數(shù)取為0.2，動摩擦系數(shù)取為0.1，指數(shù)衰減系數(shù)設(shè)為0.01。

2.5 沙漏控制

沙漏模式也就是零能模式，零能模式就是指有變形，但是不消耗能量。顯然是一種偽變形模式，若不加以控制，計算模型會變得不穩(wěn)定，并且計算出來的結(jié)果也是沒有多大意義。因此需要采用適當(dāng)?shù)脑O(shè)置來進(jìn)行控制。通過*CONTROL_HOURGLASS來對總體附加剛度或粘性阻尼和沙漏能系數(shù)進(jìn)行設(shè)置，其中沙漏能系數(shù)(QH)設(shè)為0.10，總體附加剛度或粘性阻尼(IHQ)設(shè)為1[17]。

2.6 時間步長控制

LS-DYNA采用的顯式中心差分法是有條件穩(wěn)定的[16]，只有當(dāng):

(2)

式中：Δt為時間步；Δtcrit為臨界時間步；ωmax為有限元網(wǎng)格的最大自然角頻率。

求解才穩(wěn)定。針對殼單元，其時間步的計算公式為：

(3)

其中，Ls為單元特征長度;C為聲音在該材料中的傳播速度，公式如下：

(4)

式中：E為楊氏模量；v為泊松比；ρ為特定質(zhì)量密度。

由以上兩公式可知，時間步的大小與單元最小特征長度成正比，與密度開根號成正比。LS-DYNA在計算時間步時檢查所有單元，而整 個有限元模型的計算時間步長為最小尺寸單元的時間步長,當(dāng)模型的質(zhì)量不好時尤其是有很多小單元存在，此時計算時間會成倍的增加，為減小計算量，需要主動控制LS-DYNA時間步長。所以就需要對計算模型進(jìn)行質(zhì)量縮放，但要保證其質(zhì)量增加百分比小于5%[18]，本文的時間步長設(shè)為-8.000e-7s。

3 碰撞條件和評價標(biāo)準(zhǔn)

活動護(hù)欄作為中央分隔帶的一部分,在兼有活動性的基礎(chǔ)上,防撞等級也應(yīng)與中央分隔帶其他部分護(hù)欄保持一致，本文進(jìn)行碰撞仿真的護(hù)欄防撞等級為Am級，碰撞條件見表1。

表1 碰撞條件Table 1 Impact conditions車型質(zhì)量/t碰撞速度/(km·h-1)碰撞角度/(°)碰撞能量/kJ小汽車1.510020162.4中型卡車106020160

護(hù)欄防撞性能評價標(biāo)準(zhǔn)主要包括車輛行駛軌跡、護(hù)欄防護(hù)導(dǎo)向、護(hù)欄動態(tài)變形、車輛三個方向加速度[6-7]。碰撞后車輛應(yīng)保持正常行駛姿態(tài)，不發(fā)生橫轉(zhuǎn)、掉頭等現(xiàn)象。護(hù)欄能有效阻擋車輛穿越、翻越、騎跨、下穿活動護(hù)欄并對車輛進(jìn)行導(dǎo)向，碰撞后車輛駛出角度小于碰撞角度60%?；顒幼o(hù)欄的最大變形量不大于1.5 m。對于碰撞后車輛的3個方向加速度10 ms間隔平均值的最大值都小于等于20g。

4 碰撞仿真結(jié)果分析

4.1 皮卡車碰撞易開型防撞活動護(hù)欄

圖6為1.5 t皮卡車以100 km/h的時速從側(cè)面20°角撞擊護(hù)欄的運(yùn)動軌跡。通過LS-PrePost后處理中，汽車與活動護(hù)欄碰撞的動畫可觀察到，在運(yùn)動過程中，皮卡車與活動護(hù)欄碰撞前期，以皮卡車左后輪為側(cè)翻點(diǎn)，皮卡車略有升高趨勢，在重力與活動護(hù)欄的導(dǎo)向作用下，皮卡車行駛姿態(tài)得到調(diào)整。皮卡車在0.5 s時駛出活動護(hù)欄后恢復(fù)到正常行駛狀態(tài)，皮卡車駛出角度約為8.2°，小于評定標(biāo)準(zhǔn)中碰撞角度60%，并且車輛未發(fā)生橫轉(zhuǎn)、掉頭、翻車狀況；皮卡車車身左前側(cè)和車廂左側(cè)因變形吸收能量凹陷外，各部件沒有脫落現(xiàn)象。

(a) 0.1 s

(b) 0.3 s

(c) 0.5 s

圖7為通過LS-PrePost后處理得到活動護(hù)欄的最大動態(tài)橫向位移，在0.243 s時最大動態(tài)橫向位移為0.853 m，且護(hù)欄并未有較大損壞，符合評定標(biāo)準(zhǔn)中活動護(hù)欄最大變形量不大于1.5 m。

圖7 活動護(hù)欄最大動態(tài)橫向位移Figure 7 The maximum dynamic lateral displacement of the movable barrier

圖8為皮卡車重心位置三方向加速度曲線，車輛X，Y，Z方向的最大加速度分別為8.1g，7.8g，6.5g，遠(yuǎn)小于評定標(biāo)準(zhǔn)的20g。

圖8 皮卡車重心位置X，Y，Z方向加速度曲線Figure 8 Acceleration curves of X, Y, Z three direction of pick-up at gravity center

分析結(jié)果表明，皮卡車沒有穿越、騎跨、下穿活動護(hù)欄，活動護(hù)欄導(dǎo)向性能良好，各性能指標(biāo)均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，有效保障了乘員安全，對皮卡車的防護(hù)達(dá)到了預(yù)期效果。

4.2 貨車碰撞易開型防撞活動護(hù)欄

圖9為10 t貨車以60 km/h的時速從側(cè)面20°角撞擊活動護(hù)欄的運(yùn)動軌跡。通過LS-PrePost后處理的貨車與護(hù)欄碰撞動畫可觀察到，在0.4 s時貨箱重心向左側(cè)偏移；在0.5 s時貨車以左后輪為側(cè)翻點(diǎn)，貨車右側(cè)抬高傾斜，貨箱偏移更為明顯；0.6 s時在活動護(hù)欄的導(dǎo)向與阻擋作用下，貨車行駛方向得到改善，貨箱偏移停止，貨車行駛姿態(tài)正常；貨車于1 s時駛出活動護(hù)欄，駛出角度約為9.8°，小于碰撞角度60%。

(a)0.2 s (b)0.4 s

(c)0.6 s (d)0.8 s

圖10為活動護(hù)欄的最大動態(tài)橫向位移，在0.406 s時得到最大動態(tài)橫向位移為0.894 m，遠(yuǎn)小于評定標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定值1.5 m。

圖10 活動護(hù)欄最大動態(tài)橫向位移Figure 10 The maximum dynamic lateral displacement of the movable barrier

圖11為貨車重心位置3個方向加速度曲線圖，車輛X,Y,Z方向加速度分別為4.27g、2.60g、2.15g,均小于20g。

圖11 貨車重心位置X，Y，Z方向加速度曲線Figure 11 Acceleration curves of X,Y,Z three direction of fruck at gravity center

由仿真結(jié)果看出，易開型防撞活動護(hù)欄各項指標(biāo)均滿足評價標(biāo)準(zhǔn)，對貨車的阻擋和導(dǎo)向的效果也都較為理想。

4.3 皮卡車與貨車碰撞仿真對比分析

在分析了皮卡車與貨車碰撞仿真的加速度與護(hù)欄最大橫向位移的基礎(chǔ)上，再對兩種車型從車輛零部件脫落現(xiàn)象、護(hù)欄損壞程度、行駛軌跡分別進(jìn)行對比分析，分析結(jié)果如表2、圖12所示。

表2 皮卡車與貨車碰撞仿真對比分析Table 2 Comparative analysis of impact simulation between pickup and truck車型車輛零部件脫落現(xiàn)象護(hù)欄損壞程度行駛軌跡皮卡車沒有發(fā)生部件脫落現(xiàn)象。左前側(cè)位置因與活動護(hù)欄為主要接觸位置都存在變形,其中皮卡車在活動護(hù)欄的導(dǎo)向作用下,車輛改變行駛軌跡,導(dǎo)致車廂位置與活動發(fā)生碰撞,使車廂位置變形凹陷活動護(hù)欄損壞程度小,各部件未有變形在碰撞前期以左后輪為側(cè)翻點(diǎn)向左傾斜;碰撞后期在活動護(hù)欄的導(dǎo)向作用下行駛姿態(tài)得到改善,行駛方向恢復(fù)正常,最終駛出活動護(hù)欄貨車沒有發(fā)生部件脫落現(xiàn)象。貨車貨箱因位置高于護(hù)欄,所以在貨車運(yùn)動后期并未發(fā)生碰撞活動護(hù)欄單元框架方形接頭板處有受損,方形管梁也有不同程度受損,但沒有斷裂的現(xiàn)象。圖12為活動護(hù)欄受損情況碰撞前期以左后輪為側(cè)翻點(diǎn)向左傾斜,貨車質(zhì)量較大,所以傾斜更為明顯;碰撞后期在活動護(hù)欄的導(dǎo)向作用下行駛姿態(tài)得到改善,行駛方向恢復(fù)正常,最終駛出活動護(hù)欄

圖12 活動護(hù)欄損壞Figure 12 Damage of movable barrier

5 結(jié)論

新型中央分隔帶易開型防撞活動護(hù)欄在兼有移動靈活、方便開啟和安裝方便等特點(diǎn)，還能滿足Am防撞等級的要求，且在設(shè)計中加入中間連接柱緩解撞擊，減少因為護(hù)欄剛性過強(qiáng)使乘員受到傷害。基于hypermesh和ls-dyna平臺，對新型中央分隔帶易開型防撞活動護(hù)欄根據(jù)規(guī)定的碰撞條件進(jìn)行有限元碰撞仿真，依據(jù)現(xiàn)行的評價標(biāo)準(zhǔn)對仿真結(jié)果進(jìn)行分析，從4個方面驗證了新型中央分隔帶易開型防撞活動護(hù)欄的安全特性。

a.新型中央分隔帶活動護(hù)欄對兩種不同類型的車均具有較強(qiáng)的阻擋和導(dǎo)向能力。

b.兩次仿真碰撞中護(hù)欄的最大動態(tài)橫向變形量均不大于規(guī)定值1.5 m，符合規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。

c.碰撞后車輛的X、Y、Z方向的重心加速度值均小于規(guī)定的20g，說明新型中央分隔帶易開型防撞活動護(hù)欄還對車輛乘員有較好的保護(hù)。

d.在碰撞過程后，皮卡車與貨車均只是部分位置變形，并且未存在部件脫落現(xiàn)象，表明新型中央分隔帶易開型防撞活動護(hù)欄能減少對車輛的損壞。