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        公路交通中汽車防撞護(hù)欄性能比選及優(yōu)化

        2021-12-16 23:40:32張藍(lán)月鄒鵬
        四川建筑 2021年5期
        關(guān)鍵詞:優(yōu)化

        張藍(lán)月 鄒鵬

        【摘 要】隨著交通運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展,交通安全問題也逐漸突出,公路護(hù)欄是公路交通安全防護(hù)最為常見的措施。文章進(jìn)行了汽車模型的簡化模擬驗證,建立了汽車-護(hù)欄耦合顯示動力學(xué)數(shù)值模型,研究了雙波形梁、雙條形梁、三波形梁、柔性四纜索不同類型的護(hù)欄的防撞性能,得到護(hù)欄在汽車撞擊作用下的變形、耗能效果,結(jié)果表明:半剛性護(hù)欄和柔性護(hù)欄在汽車碰撞過程中變形量在安全范圍內(nèi),柔性護(hù)欄的吸能效果較差,但其單位質(zhì)量耗能率大于半剛性護(hù)欄,且增加耗能器優(yōu)化后的柔性護(hù)欄可實現(xiàn)更高的單位質(zhì)量耗能率和吸能比。

        【關(guān)鍵詞】交通安全; 護(hù)欄; 數(shù)值模擬; 優(yōu)化

        【中圖分類號】U417.1+2【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】B

        隨著我國交通運(yùn)輸體系不斷完善,我國高速公路通車?yán)锍叹邮澜绲谝晃?,由此產(chǎn)生的交通安全問題也愈發(fā)不可忽視。據(jù)統(tǒng)計顯示,在我國每年1/3的高速公路交通事故為車輛與路側(cè)結(jié)構(gòu)的碰撞,且該比例呈逐年上升趨勢[1]。因此在公路上設(shè)置合適的防撞護(hù)欄對特、重大惡性交通事故的防治,具有重大意義。

        護(hù)欄作為高速公路的主要安全設(shè)施,起著吸收汽車撞擊能量、減小汽車碰撞加速度峰值重要作用,另一方面它可以將失控車輛導(dǎo)向正常的行駛方向的關(guān)鍵作用。護(hù)欄按力學(xué)特性可分為:剛性護(hù)欄、半剛性護(hù)欄和柔性護(hù)欄三類[2]。本文從雙波形梁半剛性護(hù)欄入手,利用LS-DYNA有限元軟件進(jìn)行汽車撞擊仿真模擬,分析護(hù)欄在碰撞過程中的最大橫向變形量、撞擊力、吸能情況等動態(tài)力學(xué)響應(yīng);進(jìn)一步對已有幾種形式的護(hù)欄(雙條形梁護(hù)欄[3]、三波形梁護(hù)欄、柔性四纜索護(hù)欄)進(jìn)行汽車撞擊仿真模擬,比選各個護(hù)欄結(jié)構(gòu)的吸能效果;對護(hù)欄形式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,采用增加耗能器的方法,使其材料成本、自重更低的同時,擁有更優(yōu)的吸能效果。

        1 碰撞仿真總體流程

        一個完整的有限元模型需經(jīng)歷前處理、求解和后處理三個過程。為了真實再現(xiàn)汽車撞擊護(hù)欄的動態(tài)過程,更好地反映護(hù)欄的動力力學(xué)特性,采用圖1所示的仿真模擬流程[2]。

        2 汽車有限元模型的建立

        2.1 汽車模型簡化

        按照我國規(guī)范中[3]規(guī)定的初始碰撞條件,在美國碰撞安全分析中心(CCSA)選用了一款符合要求的汽車模型,如圖2所示。為提高計算效率對現(xiàn)有精細(xì)汽車模型進(jìn)行簡化,保留汽車原結(jié)構(gòu)的形狀及布置,將車身簡化為空間框架結(jié)構(gòu),忽略不涉及碰撞的部分車身蒙皮對總體強(qiáng)度和剛度的加強(qiáng)作用;并對車身中的曲梁進(jìn)行以直代曲處理;汽車底盤采用相交鋼板提高整體剛度和車身完整性,前端碰撞區(qū)域考慮實際碰撞情況,采用弧形鋼板模擬;例如發(fā)動機(jī)等質(zhì)量集中處,采用加集中質(zhì)量點(diǎn)的方式保證質(zhì)量分布[5]。簡化后的模型如圖3所示。

        2.2 汽車簡化模型驗證

        對已有汽車模型的簡化,車輛的碰撞性能有可能發(fā)生變化,因此需對簡化后的模型進(jìn)行驗證。驗證的初始條件為:汽

        車正前方60 mm處為剛性墻,賦予轎車初速度90 km/h,使其與剛性墻發(fā)生正面碰撞。如圖4、圖5所示,簡化模型與精細(xì)模型的動力響應(yīng)(變形、能量、速度)等基本一致,可驗證該簡化汽車模型的正確性。

        3 護(hù)欄有限元模型的建立

        本文研究比選的護(hù)欄有四種,包括雙波形梁護(hù)欄、雙條形梁護(hù)欄、三波形梁護(hù)欄、柔性四纜索護(hù)欄,如圖6所示。此處以雙波形梁護(hù)欄為例說明護(hù)欄有限元模型的建立過程,該護(hù)欄由雙波形護(hù)欄板、立柱、防阻塊和地基等幾部分組成[6],護(hù)欄總長20 m,共5跨,包括6根立柱,根據(jù)JTG/T D81-2017《公路交通安全設(shè)施設(shè)計細(xì)則》[7]對各部分進(jìn)行建模。

        3.1 波形梁護(hù)欄板的模擬

        圓柱形立柱外徑為114 mm、厚度為4.5 mm、高1 850 mm,750 mm位于地面上、1 100 mm埋于地基中。其中,防阻塊是波形梁護(hù)欄板與立柱之間的承力部件,可通過自身變形吸收一部分碰撞能量,將護(hù)欄板受到的碰撞沖擊力分散傳遞給多根立柱,使護(hù)欄板受力更均勻,增加護(hù)欄結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度,護(hù)欄整體有限元模型如圖7所示。模型中單元類型采用*SECTION_SHELL四節(jié)點(diǎn)殼單元,選用Belytschko-Tsay單元類型,采用多段線性彈塑性材料模型,具體材料屬性見表1。

        3.2 護(hù)欄各組件的連接

        護(hù)欄板與防阻塊、防阻塊與立柱之間采用焊點(diǎn)(Spotweld)單元來模擬螺栓的連接效果[8]。焊點(diǎn)單元的失效判別準(zhǔn)則為:

        式中:fsn為點(diǎn)焊所能承受的軸向極限拉力,取70 kN;fss為點(diǎn)焊所能承受的軸向極限剪切力,取45 kN;Sn為點(diǎn)焊所能承受的拉力;Ss為點(diǎn)焊所能承受的剪切力;m為法向點(diǎn)焊指數(shù),取值為2;n為剪切點(diǎn)焊指數(shù),取值為2。

        4 汽車-護(hù)欄耦合模型的建立

        模擬的雙波形梁護(hù)欄選用Am防撞等級,因此采用的汽車碰撞初始條件為:初始碰撞速度90 km/h,碰撞角度20 °,沖擊位置為護(hù)欄跨中兩根柱之間的護(hù)欄板中部。如圖8所示。

        模型邊界條件:護(hù)欄立柱固定地面以下部分,車身骨架之間采用剛接,輪胎無滑動、與地面為滾動摩擦。模型接觸關(guān)系:車身骨架的梁柱與護(hù)欄、地面為自動梁-面接觸,耦合模型間其他部件為自動面-面接觸。

        4.1 碰撞模擬結(jié)果分析

        在碰撞仿真過程中,車輛未發(fā)生翻越、下鉆等現(xiàn)象,護(hù)欄結(jié)構(gòu)基本完整,說明護(hù)欄阻擋能力合格[9]。在0.04 s,汽車跟護(hù)欄發(fā)生接觸;0.32 s汽車左前輪與護(hù)欄第三根柱發(fā)生碰撞;0.625 s汽車在撞擊后轉(zhuǎn)變角度離開護(hù)欄,但護(hù)欄未能完全成功將車輛導(dǎo)向正確行駛方向。從圖9中可以看到,第二、第三和四立柱處變形較為嚴(yán)重,在0.23 s時護(hù)欄出現(xiàn)最大變形610 mm(圖10),小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的1 000 mm[4]。

        從圖12(a)中可以看出,隨著碰撞過程的延續(xù),汽車動能在碰撞后急速下降,護(hù)欄產(chǎn)生塑性變形,內(nèi)能增大;由于碰撞中摩擦做功和熱量的耗散,系統(tǒng)的總能量有下降。其中雙波形梁護(hù)欄耗能占總能量的比例為78.77 %,汽車碰撞后加速度橫向和縱向的峰值分別為10.3g、4.34g,均小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的20g[4],說明其緩沖功能合格。

        4.2 各護(hù)欄形式的比選

        選取在我國高速公路應(yīng)用較為廣泛的幾種護(hù)欄形式:雙波形梁護(hù)欄、雙條半剛性護(hù)欄、三波形梁護(hù)欄和柔性四纜索護(hù)欄進(jìn)行吸能效果比選。

        從圖10可知三波形梁護(hù)欄最大橫向變形量最大為636 mm,柔性四纜索護(hù)欄最大橫向變形量最小為400 mm,均小于規(guī)范規(guī)定的1 000 mm。從圖11可以對比幾種護(hù)欄汽車車身的X向(汽車行進(jìn)方向)加速度,發(fā)現(xiàn)雙波形梁護(hù)欄對汽車的緩沖效果最明顯,柔性纜索護(hù)欄對汽車的緩沖效果最差。

        從圖12可知三波形梁護(hù)欄的碰撞吸能比最大為84.45 %,柔性四纜索護(hù)欄的碰撞吸能比最小為56.13 %,可以得出柔性四纜索護(hù)欄的吸能效果最差,三波形梁護(hù)欄的吸能效果最好。

        4.3 護(hù)欄優(yōu)化設(shè)計

        由方案比選可知,柔性四纜索護(hù)欄(圖13)的耗能比率最低,僅為56.13 %,因此針對此方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,在纜索兩端添加耗能器(圖14)提高護(hù)欄的變形能力和緩沖能力。

        在汽車碰撞護(hù)欄過程中,耗能器成功啟動進(jìn)入拉伸段工作,實現(xiàn)了更好的耗能效果。如圖15所示。優(yōu)化后的柔性纜索護(hù)欄變形能力增大,具有更優(yōu)的緩沖能力,且最大變形量492 mm仍小于規(guī)范規(guī)定的1 000 mm,符合要求。優(yōu)化后的柔性纜索護(hù)欄與其他形式的護(hù)欄相比,在相近的吸能比下,其質(zhì)量可減少一半以上。優(yōu)化后的柔性纜索護(hù)欄與其他類型的的沖擊結(jié)果對比如表2所示。

        5 結(jié)論

        結(jié)合上述不同類型護(hù)欄的比選,可得到以下結(jié)論:

        (1)符合規(guī)范的幾種類型的護(hù)欄均能滿足安全防護(hù)要求,變形量在安全范圍之內(nèi)。

        (2)柔性護(hù)欄的橫向變形小于半剛性護(hù)欄,柔性護(hù)欄的吸能效果較差,但其單位質(zhì)量耗能率大于半剛性護(hù)欄,且柔性護(hù)欄可成功將汽車導(dǎo)向至正確行駛方向。

        (3)增加耗能器優(yōu)化設(shè)計后的柔性護(hù)欄單位質(zhì)量耗能率出現(xiàn)了顯著提升,且耗能能力增加了20 %。

        參考文獻(xiàn)

        [1]于學(xué)兵,毛娟娟,劉麗萍.半剛性三波護(hù)欄與客車碰撞的仿真分析[J].汽車科技,2009(3):54-58.

        [2]鄭玉娜.基于車身碰撞安全性的高速公路護(hù)欄的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[D].長沙:湖南大學(xué),2013.

        [3]唐輝.高速公路雙條半剛性護(hù)欄設(shè)計及碰撞仿真研究[D].重慶:重慶交通大學(xué),2011.

        [4]JTG/T FB3-01-2004 高速公路護(hù)欄安全性能評價標(biāo)準(zhǔn)[S].

        [5]毛娟娟.客車與半剛性護(hù)欄碰撞的有限元分析與模擬[D].大連:大連理工大學(xué),2008.

        [6]張鵬,周德源,馮英攀.基于數(shù)值模擬的半剛性護(hù)欄性能優(yōu)化[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報,2008,36(11):1531-1536.

        [7]JTG/T D81-2017.公路交通安全設(shè)施設(shè)計細(xì)則[S].

        [8]雷正保,楊兆.汽車—護(hù)欄碰撞系統(tǒng)的安全性研究[J].汽車工程,2006,28(2):152-158.

        [9]劉建勛,唐輝,張翼峰,等.半剛性雙波護(hù)欄與雙條半剛性護(hù)欄防撞性能仿真對比[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報,2012,31(2):279-282.

        [定稿日期]2021-03-02

        [作者簡介]張藍(lán)月(1995~),女,碩士,研究方向為防護(hù)結(jié)構(gòu)。

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