裴大軍1，張望鵬2,鄧 寶，龔 帥，楊福宇，亢寒晶，閆書明

(1.湖北武穴長江公路大橋有限公司，湖北 黃岡 435499; 2.湖南省交通科學(xué)研究院有限公司，湖南 長沙 410015 3.北京華路安交通科技有限公司，北京 100070)

0 引言

在對(duì)車輛碰撞護(hù)欄進(jìn)行全尺寸碰撞試驗(yàn)分析時(shí)，車輛碰撞參數(shù)的變化對(duì)于試驗(yàn)結(jié)果會(huì)產(chǎn)生直接的影響。由于在撞擊試驗(yàn)組織過程中，上述參數(shù)的設(shè)定難以避免會(huì)出現(xiàn)誤差，因此研究安全性能評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)碰撞參數(shù)的敏感性問題是必要的。其結(jié)果為科學(xué)合理地制定碰撞參數(shù)誤差范圍提供重要的數(shù)據(jù)支撐。

采用試驗(yàn)的方法對(duì)防撞護(hù)欄敏感性問題進(jìn)行研究，需要耗費(fèi)大量的人力物力，因此大量采用試驗(yàn)的做法不切合實(shí)際。由于車輛碰撞防撞護(hù)欄為動(dòng)力學(xué)過程[1]，采用顯式動(dòng)力學(xué)有限元方法對(duì)其進(jìn)行仿真研究，成為另一種重要的技術(shù)手段。該方法與驗(yàn)證性試驗(yàn)相結(jié)合可以保證仿真模擬的可靠性[1-6]。

本文通過全尺寸試驗(yàn)對(duì)有限元仿真進(jìn)行了校正，使其精度滿足要求[1-6]。并以此為基礎(chǔ)對(duì)安全性能指標(biāo)相對(duì)碰撞參數(shù)的敏感程度進(jìn)行系統(tǒng)分析。

1 防撞護(hù)欄敏感性分析

防撞護(hù)欄敏感性分析是指碰撞參數(shù)的變化對(duì)安全性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響分析。其中碰撞參數(shù)包含試驗(yàn)車輛的質(zhì)量、撞擊速度及撞擊角度[7]，安全性能評(píng)價(jià)指標(biāo)包括車輛行駛姿態(tài)、緩沖性能指標(biāo)、護(hù)欄最大動(dòng)態(tài)變形量等。防撞護(hù)欄敏感性分析分為單因素敏感性分析和多因素敏感性分析[8]，為了找出關(guān)鍵的敏感性影響因素，本文采用單因素敏感性分析方法。

在防撞護(hù)欄敏感性分析中，常用的評(píng)價(jià)指標(biāo)為敏感度系數(shù)。該系數(shù)的定義為安全評(píng)價(jià)指標(biāo)變化率對(duì)碰撞參數(shù)變化率的比值，其計(jì)算公式如式(1)所示。通過計(jì)算敏感度系數(shù)找出敏感因素，為合理確定碰撞參數(shù)誤差范圍奠定一定基礎(chǔ)[9]。

(1)

式中：E為安全性能評(píng)價(jià)指標(biāo)A對(duì)于碰撞參數(shù)I的敏感度系數(shù)；ΔI/I為碰撞參數(shù)I的變化率；ΔA/A為碰撞參數(shù)I發(fā)生ΔI變化時(shí)，安全評(píng)價(jià)指標(biāo)A的相應(yīng)變化率[9]。E絕對(duì)值較大者，表明安全評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)該碰撞參數(shù)較為敏感[9]。

2 研究對(duì)象

2.1 防撞護(hù)欄

為了通過敏感性分析達(dá)到合理確定碰撞參數(shù)誤差范圍的目的，以金屬梁柱防撞護(hù)欄為研究對(duì)象，圖1給出該護(hù)欄的示意圖。圖中護(hù)欄立柱間距為2m，立柱翼緣板厚12 mm，腹板厚10 mm。橫梁1、2的截面尺寸為160×120×8 (mm)；橫梁3、4：160×120×4 (mm)。立柱底板厚度為40 mm。

圖1 金屬梁柱式護(hù)欄示意圖(單位：mm)Figure 1 Sketch of a steel beam-column barrier(Unit:mm)

2.2 車輛

防撞護(hù)欄碰撞試驗(yàn)所用試驗(yàn)車輛分為小型客車和大型車輛(包含大客車、大貨車及拖頭車)兩類。采用不同類型車輛進(jìn)行的碰撞試驗(yàn)，其結(jié)果的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不同。對(duì)采用小型客車進(jìn)行的試驗(yàn)，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是通過測試車內(nèi)乘員的安全保護(hù)及車輛碰撞后的運(yùn)行軌跡來評(píng)判護(hù)欄的防撞性能[10]。而大型車輛則是通過碰撞過程中護(hù)欄的最大動(dòng)態(tài)位移量及碰撞后車輛的運(yùn)行軌跡等評(píng)判護(hù)欄的防撞性能[10]。采用后者作為碰撞車輛，能更為直接地反應(yīng)出護(hù)欄對(duì)碰撞參數(shù)的敏感性。因此仿真選取的碰撞車輛為大型車輛。

3 有限元模型的建立

3.1 防撞護(hù)欄有限元模型

根據(jù)防撞護(hù)欄設(shè)計(jì)圖建立有限元模型，其模型如圖2所示。在模型建立過程中，考慮了沖擊過程中，護(hù)欄與路基的相互作用，因此在沖擊作用影響較大區(qū)域建立了鋼筋混凝土路基。其中鋼筋采用梁單元模擬；混凝土采用實(shí)體單元模擬，保證碰撞區(qū)域單元尺寸約為30 mm。二者通過*constrained_lagrange_in_solid關(guān)鍵字進(jìn)行耦合，以達(dá)到共同受力的目的[2，5，7]。型鋼采用殼單元模擬；單元類型以四邊形殼單元為主?？刂扑倪呅螁卧N屈度小于15°，長寬比小于4，最大角小于135°，最小角大于45°，嚴(yán)格控制三角形單元數(shù)量在5%以內(nèi)，將最小特征長度控制在8 mm以上，保證計(jì)算精度和效率[1-6]。

圖2 金屬梁柱式護(hù)欄Figure 2 FE model of steel beam-column barrier

3.2 車輛有限元模型

圖3給出了模擬所用大客車有限元模型。由于車身結(jié)構(gòu)主要由薄壁金屬件構(gòu)成，因此采用殼單元模擬。為了保證精度，車身殼單元形狀采用與模擬金屬護(hù)欄殼單元相同的控制標(biāo)準(zhǔn)。車身主要材料為0.8～2.0 mm的低碳鋼，發(fā)動(dòng)機(jī)采用剛體材料。輪胎為橡膠材料，車輛胎壓均為0.25 MPa。

圖3 大客車有限元模型Figure 3 FE model of bus

3.3 模型驗(yàn)證

采用全尺寸碰撞試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)車輛碰撞護(hù)欄數(shù)值模型進(jìn)行驗(yàn)證。

如圖4所示，護(hù)欄結(jié)構(gòu)殘余變形的仿真結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本一致[1]：護(hù)欄整體結(jié)構(gòu)沒有損壞，碰撞區(qū)域局部有劃痕及凹陷，護(hù)欄主要部件沒有脫落。

(a)試驗(yàn)

(b)仿真圖4 大客車碰撞后護(hù)欄的變形損壞Figure 4 Barrier distortion and shatter after bus impact

圖5為大客車碰撞護(hù)欄過程行駛軌跡的仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，可見仿真模擬準(zhǔn)確再現(xiàn)了實(shí)車碰撞過程：車輛碰撞護(hù)欄后駛出角度和行駛姿態(tài)(恢復(fù)正常)吻合[1]。

如圖6、圖7所示，護(hù)欄工作寬度的試驗(yàn)結(jié)果為0.88 m，仿真結(jié)果為0.62 m，兩者數(shù)據(jù)有所出入，經(jīng)分析，仿真模型中沒有設(shè)置反光鏡，而試驗(yàn)中將反光鏡作為車體的一部分計(jì)入工作寬度中。若不考慮反光鏡影響因素，工作寬度的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本相吻合[1]，誤差不超過10%。

(a)試驗(yàn)

(b)仿真圖5 大客車碰撞護(hù)欄過程的行駛軌跡Figure 5 Tracking of bus impact

圖6 大客車碰撞的護(hù)欄工作寬度試驗(yàn)測試(W=0.88 m)Figure 6 Barrier working width testingduring bus impact(W=0.88 m)

圖7 大客車碰撞的護(hù)欄工作寬度仿真結(jié)果Figure 7 FE Result of barrier working width during bus impact

根據(jù)對(duì)比分析，可知仿真結(jié)果與全尺寸碰撞試驗(yàn)結(jié)果一致，驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性與可靠性，為應(yīng)用仿真模擬技術(shù)手段開展護(hù)欄碰撞過程中的最大動(dòng)態(tài)變形量敏感性分析奠定基礎(chǔ)[9]。

4 敏感性分析

4.1 碰撞參數(shù)

在碰撞試驗(yàn)中，大型客車的碰撞參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值為車輛質(zhì)量18 t、撞擊速度80 km/h、撞擊角度20°，為了對(duì)防撞護(hù)欄進(jìn)行敏感性分析，需要對(duì)上述參數(shù)分別進(jìn)行調(diào)整，而后進(jìn)行數(shù)值模擬。調(diào)整幅度為標(biāo)準(zhǔn)值的10%。表1給出了敏感性分析對(duì)應(yīng)的碰撞參數(shù)值。

表1 碰撞參數(shù)表Table1 Impactparametertable碰撞參數(shù)車輛質(zhì)量/t撞擊速度/(km·h-1)撞擊角度/(°)標(biāo)準(zhǔn)值188020標(biāo)準(zhǔn)值增加10%19.89822標(biāo)準(zhǔn)值降低10%16.26218

4.2 敏感度分析

圖8反映了不同質(zhì)量車輛撞擊防撞護(hù)欄過程中，護(hù)欄出現(xiàn)最大動(dòng)態(tài)變形量節(jié)點(diǎn)的位移時(shí)程曲線。各曲線第一個(gè)峰值出現(xiàn)在車頭與護(hù)欄碰撞過程中，第二個(gè)峰值出現(xiàn)在車尾與護(hù)欄碰撞過程中。從圖8中可知，各工況下護(hù)欄最大動(dòng)態(tài)變形量分別為232.7 mm(16.2 t)、244.3 mm(18 t)及249.1 mm(19.6 t)。說明車輛質(zhì)量愈大，碰撞過程中防撞護(hù)欄的最大動(dòng)態(tài)變形量愈大，反之則愈小。

圖8 不同車輛質(zhì)量、防撞護(hù)欄位移時(shí)程曲線Figure 8 Barrier displacement time-history curves under different weight condition

表2為不同質(zhì)量、最大動(dòng)態(tài)變形量敏感性分析表。可見車輛質(zhì)量上升10%，護(hù)欄的最大動(dòng)態(tài)變形量增加了1.96%，敏感度系數(shù)為0.196；車輛質(zhì)量下降10%，護(hù)欄最大動(dòng)態(tài)變形量減小了4.75%，敏感度系數(shù)為-0.475。護(hù)欄最大動(dòng)態(tài)變形量對(duì)車輛質(zhì)量的敏感系數(shù)平均值為0.336。

表2 不同質(zhì)量、最大動(dòng)態(tài)變形量敏感性分析表Table2 Maximumdynamicdeformationsensitivityanalysista-blefordifferentmasscondition碰撞參數(shù)I評(píng)價(jià)指標(biāo)A敏感度系數(shù)E質(zhì)量/t變化率/%最大動(dòng)態(tài)變形量/mm變化率/%A變化率/I變化率18—244.3——19.610249.11.960.19616.2-10232.7-4.75-0.475

圖9反映了不同撞擊速度工況下，護(hù)欄出現(xiàn)最大動(dòng)態(tài)變形量節(jié)點(diǎn)的位移時(shí)程曲線。由圖9可知：撞擊速度分別為72、80、88 km/h時(shí)，防撞護(hù)欄最大動(dòng)態(tài)變形量分別是300.8，244.3、198.3 mm。該數(shù)據(jù)表明撞擊速度愈大，碰撞過程中護(hù)欄的動(dòng)態(tài)變形量愈大，反之則愈小。

圖9 不同撞擊速度、防撞護(hù)欄位移時(shí)程曲線Figure 9 Barrier displacement time-history curves under different velocity condition

表3為不同撞擊速度、最大動(dòng)態(tài)變形量敏感性分析表。可見速度上升10%，最大動(dòng)態(tài)變形量增加23.1%，敏感度系數(shù)為2.31；撞擊角度下降10%，最大動(dòng)態(tài)變形量減小18.3%，敏感度系數(shù)為-1.88；護(hù)欄最大動(dòng)態(tài)變形量對(duì)于撞擊速度的平均敏感度系數(shù)為2.10。

表3 不同速度、最大動(dòng)態(tài)變形量敏感性分析表Table3 Maximumdynamicdeformationsensitivityanalysista-blefordifferentvelocitycondition碰撞參數(shù)I評(píng)價(jià)指標(biāo)A敏感度系數(shù)E速度/(km·h-1)變化率/%最大動(dòng)態(tài)變形量/mm變化率/%A變化率/I變化率80—244.3——8810300.823.12.3172-10198.3-18.8-1.88

圖10反映了不同撞擊角度工況下，護(hù)欄出現(xiàn)最大動(dòng)態(tài)變形量節(jié)點(diǎn)的位移時(shí)程曲線。由圖10可知：

圖10 不同撞擊角度、防撞護(hù)欄位移時(shí)程曲線Figure 10 Barrier displacement time-history curves under different collision angle condition

撞擊角度分別為18°、20°、22°時(shí)，防撞護(hù)欄最大動(dòng)態(tài)變形量分別為265.5、244.3、223.6 mm。該數(shù)據(jù)表明撞擊角度愈大，碰撞過程中護(hù)欄的動(dòng)態(tài)變形量愈大，反之則愈小。

表4為不同撞擊角度、最大動(dòng)態(tài)變形量敏感性分析表?？梢娮矒艚嵌壬仙?0%，最大動(dòng)態(tài)變形量增加8.67%，敏感度系數(shù)為0.867；撞擊角度下降10%，最大動(dòng)態(tài)變形量減小-8.47%，敏感度系數(shù)為-0.847；護(hù)欄最大動(dòng)態(tài)變形量對(duì)于撞擊角度的平均敏感度系數(shù)為0.854。

表4 不同角度、最大動(dòng)態(tài)變形量敏感性分析表Table4 Maximumdynamicdeformationsensitivityanalysista-blefordifferentcollisionanglecondition碰撞參數(shù)Ⅰ評(píng)價(jià)指標(biāo)A敏感度系數(shù)E角度/(°)變化率/%最大動(dòng)態(tài)變形量/mm變化率/%A變化率/I變化率20—244.3——2210265.58.670.86718-10223.6-8.47-0.847

綜上分析，護(hù)欄最大動(dòng)態(tài)變形量對(duì)于車輛質(zhì)量、撞擊速度、撞擊角度三者的平均敏感度系數(shù)分別為0.336、2.10和0.854，可見防撞護(hù)欄最大動(dòng)態(tài)變形量受撞擊速度改變的影響最大，其次是撞擊角度，最后為車輛質(zhì)量。

5 結(jié)論

通過數(shù)值模擬，分析了防撞護(hù)欄最大動(dòng)態(tài)變形量對(duì)車輛質(zhì)量、撞擊速度及撞擊角度改變的敏感程度。在分析過程中，以平均敏感度系數(shù)作為評(píng)價(jià)敏感度的標(biāo)準(zhǔn)。仿真計(jì)算分析表明，撞擊速度是影響防撞護(hù)欄最大動(dòng)態(tài)變形量的最敏感因素。分析結(jié)果為制定碰撞試驗(yàn)誤差范圍提供了有益依據(jù)[10]，具有一定指導(dǎo)作用。