基于ANSYS/LS-DYNA連續(xù)玄武巖纖維材料護欄碰撞吸能分析

朱長華,趙 寶,裴浩楠,劉 迅

(長安大學 公路學院,陜西 西安 710064)

基于ANSYS/LS-DYNA連續(xù)玄武巖纖維材料護欄碰撞吸能分析

朱長華,趙 寶,裴浩楠,劉 迅

(長安大學 公路學院,陜西 西安 710064)

為了解決波形梁鋼護欄在使用過程中出現(xiàn)的使用壽命短,耐腐蝕性能差等問題,結(jié)合國內(nèi)外對纖維增強復(fù)合材料的研究,提出連續(xù)玄武巖纖維材料護欄.利用碰撞分析有限元軟件ANSYS/LS-DYNA模擬小型汽車碰撞護欄過程,分析碰撞過程中連續(xù)玄武巖材料護欄吸能特性,研究結(jié)果表明,連續(xù)玄武巖纖維護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;護欄;ANSYS/LS-DYNA;能量吸收

在我國,高速公路防撞護欄一般為半剛性護欄,即鋼制波形梁護欄,而廣泛應(yīng)用的鋼制波形梁護欄在使用過程中有兩個突出的問題:使用壽命和碰撞性能.鋼制護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,在使用過程中會出現(xiàn)嚴重銹蝕現(xiàn)象.而纖維增強復(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,美國聯(lián)邦公路管理局就提出了玻璃纖維復(fù)合材料護欄研究,他們研究的目標就是尋求一種耐撞性能好,吸能性能好,壽命長的新型材料護欄[1].在國內(nèi),記國慶提出玻璃鋼復(fù)合材料用于道路護欄[2],哈爾濱工業(yè)大學的王鵬對高速公路復(fù)合材料護欄進行了研究[3].而連續(xù)玄武巖纖維具有化學穩(wěn)定性能好,拉伸強度高,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)玄武巖纖維護欄,如果連續(xù)玄武巖纖維能夠應(yīng)用到成品化護欄,就可以擬補鋼制護欄的問題.新型材料用于成品化護欄,除了各項指標應(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模擬車輛碰撞連續(xù)玄武巖纖維護欄[4],并與鋼制波形梁護欄對比,分析連續(xù)玄武巖纖維護欄的碰撞吸能特性.

1 連續(xù)玄武巖纖維護欄

1.1連續(xù)玄武巖纖維簡介

連續(xù)玄武巖纖維是一種典型的高技術(shù)無機纖維結(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,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,纖維材料護欄的質(zhì)量將大大減輕,這也就便于護欄的運輸與安裝,由于玄武巖纖維護欄的彈性模量相比于鋼制護欄要小,故在護欄厚度方面,將玄武巖纖維護欄厚度設(shè)計為6 mm(普通鋼制波形梁護欄厚3 mm).護欄的防阻塊與立柱均采用Q235鋼.國內(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],材料失效準則采用Chang-Chang失效準則.具體參數(shù)如表1.

1.3玄武巖材料護欄設(shè)計

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

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

圖1 護欄立柱斷面圖Fig.1 The cross-section diagram of upright of barrier

圖2 護欄有限元模型Fig.2 The finite element model of barrier

2 建立碰撞仿真系統(tǒng)

為了更加準確的模擬碰撞分析過程,控制沙漏能,并且控制計算時間,在建模過程中需要對單元的類型以及積分算法進行選擇設(shè)定,護欄之間連接的模擬以及接觸條件的定義對仿真性也有著重要的影響

2.1單元類型

在本文仿真模擬過程中,汽車采用ANSYS/LS-DYNA提供的Solid164三維實體單元,采用單點積分算法,這樣處理可以縮短計算時間,并且也可以較好的處理沙漏問題.對于防阻塊,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題[7].

2.2護欄各部分之間的連接

對于護欄,防阻塊,立柱之間的連接,一般有兩種方法進行模擬:一種是共用節(jié)點法,共用節(jié)點法在碰撞過程中兩個部分是不會發(fā)生脫離的,這和實際情況不相符.另一種是節(jié)點約束法,該方法是將兩個部件相對應(yīng)的部分的自由度進行約束.本文采用的是節(jié)點約束法進行模擬.

2.3控制接觸參數(shù)

接觸參數(shù)的控制,對于模型的仿真性有著很大的影響.在接觸問題的處理中,采用的自動面面接觸ASTS類型,立柱與防阻塊之間的靜動摩擦系數(shù)均為0.15.車輛與波形梁護欄之間的靜動摩擦系數(shù)均為0.2.車輛與地面之間的靜、動摩擦系數(shù)為0.6、0.2.

由于本文主要研究波形梁護欄的防撞吸能特性,在碰撞過程中,大部分能量被護欄吸收,故從能量吸收角度上看,可以將汽車近似為剛體處理[8],車輛模型簡化尺寸為3.0 m×1.8 m×1.2 m.采用剛體材料,汽車對護欄的沖擊會變得更大,這對于護欄受力是不利的,但是這對于研究護欄防撞性能來說是有利的,這樣做還可以大大減少計算時間.地面采用剛性墻模擬,車輛初始速度為100 km/h,車重1.5 t.

車輛碰撞仿真系統(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

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,因此,通過波形梁的能量吸收值定量的分析材料碰撞吸能特性.其次,對于高速公路護欄,可以通過波形梁最大動態(tài)變形量來定性的判斷護欄材料吸能效果[9].本文將通過波形梁最大動態(tài)變形量,波形梁能量吸收值來分析新型材料護欄的吸能特性.

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驗證碰撞過程的可靠性

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

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

通過計算可以得到規(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)范給出的計算結(jié)果相差為9.8%.故認為本次汽車碰撞護欄有限元模擬結(jié)果可靠.

4.2波形梁護欄最大動態(tài)變形量

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

圖5 0.25 s時護欄變形圖
Fig.5 Deformation of barrier at 0.25 s

通過圖7可以看出,兩種材料出現(xiàn)最大動態(tài)變形的時間均在0.25 s附近.玄武巖纖維的最大動態(tài)變形量約為82.8 cm,滿足《高速公路護欄安全性能評價標準》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)玄武巖纖維波形護欄與鋼制波形梁護欄的最大動態(tài)變形量相差無幾.說明本次模擬采用的6 mm厚玄武巖纖維材料護欄在受到車輛碰撞時與3 mm厚鋼護欄的吸能情況相當.

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

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

4.3波形梁護欄吸能量

通過LS-DYNA后處理軟件可以提取到某一部件在碰撞過程中的能量吸收值.

通過圖8的對比,可以得出6 mm厚的連續(xù)玄武巖纖維護欄與3 mm鋼制波形護欄在能量吸收方面有著近似的效果,鋼制波形梁護欄在0.5 s時吸收能量約147 kJ,連續(xù)玄武巖纖維護欄吸收能量約138 kJ,整個碰撞系統(tǒng)中總能約568 kJ,波形梁護欄在0.5 s時的能量約占系統(tǒng)總能的25%(未計入防阻塊與立柱吸能),已達到公路交通安全設(shè)施設(shè)計規(guī)范(JTG D81—2006)[10]給定的A、Am防撞等級,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模擬碰撞過程,驗證了6 mm厚的玄武巖纖維材料護欄在小型車輛撞擊下波形梁最大動態(tài)變形滿足規(guī)范要求,并通過與3 mm厚的鋼制護欄各種吸能指標對比,結(jié)果顯示連續(xù)玄武巖纖維護欄的吸能特性稍遜于鋼制波形梁護欄,但也達到了規(guī)范給定的A、Am防撞等級,說明連續(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欄,從能量吸收角度和護欄變形上來看,該材料已經(jīng)能夠滿足規(guī)范要求.另外,玄武巖材料的化學性能穩(wěn)定,耐腐蝕性能好,使用壽命長,這些都是鋼護欄所欠缺的,其在環(huán)境條件惡劣的地方相比于鋼制護欄會有更好的適應(yīng)能力.相信連續(xù)玄武巖纖維在護欄上面的應(yīng)用以后會得到推廣.

[1] BU G K,DAI G L.Leakage characteristics of the glass fabric composite barriers of LNG ships[J].Composite Structures,2008,86(1/2/3):27-36.

[2] 計國慶.玻璃鋼復(fù)合材料應(yīng)用于道路護欄的可行性研究[J].城市道橋與防洪,2006(4):49-50.

JI G Q.Feasibility study of glass fiber reinforced plastic composite applied to road guardrail[J].Journal of City Bridge and Flood Control,2006(4):49-50.

[3] 王鵬.高速公路復(fù)合材料護欄的研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學,2009.

WANG P.Research of composite impact barrier for roads and highways[D].Harbin:Harbin Institute of Technology,2009.

[4] 陳海樹,賴征海,邸建衛(wèi).LS-DYNA在汽車碰撞模擬過程中的應(yīng)用[J].沈陽大學學報,2006,18(4):10-12.

CHEN H S,LAI Z H,DI J W.Application of LS-DYNA in car crash simulation[J].Journal of Shenyang University,2006,18(4):10-12.

[5] 許天成,趙柏冬,俞蕭.C30玄武巖纖維自密實混凝土配制試驗[J].沈陽大學學報(自然科學版),2016,28(3):244-249.

XU T C,ZHAO B D,YU X.Experimental study on mix proportion of C30 basalt fiber reinforced self-compacting concrete[J].Journal of Shenyang University( Natural Science),2016,28(3):244-249.

[6] 黃根來,孫志杰,王明超,等.玄武巖纖維及其復(fù)合材料基本力學性能實驗研究[J].玻璃鋼/復(fù)合材料,2006(1):24-27.

HUANG G L,SUN Z J,WANG M C,et al.Experimental research on mechanical properties of basalt fiber and composites[J].Fiber Reinforced Plastics/Composites,2006(1):24-27.

[7] RAJADURAI J S,CHRISTOPHER T,THANIGAIYARASU G,et al.Finite element analysis with an improved failure criterion for composite wind turbine blades[J].Forschung Im Ingenieurwesen,2008,72(4):193-207.

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

LEI Z B,YANG Z.A Study on the safety in vehicle-guardrail impact[J].Automotive Engineering,2006,28(2):152-158.

[9] 馬琳琳.車體側(cè)面撞擊變形與吸能特性研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學,2008.

MA L L.Research on characteristics of deformation and absorption energy on vehicle side collision[D].Harbin:Harbin Institute of Technology,2008.

[10] 中華人民共和國交通部.公路交通安全設(shè)施設(shè)計細則:JTG/T D81—2006[S].2006.

Ministry of Communications of the People’s Republic of China.Guidelines for design of highway safety facilities:JTG D81—2006[S].2006.

[11] 中華人民共和國交通部.高速公路護欄安全性能評價標準:JTG/T F83-01—2004[S].2004.

Ministry of Communications of the People’s Republic of China.The evaluation specification for highway safety barriers:.JTG/ TF83-01-2004[S].2004.

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

朱長華(1993-),男,河南新鄉(xiāng)人,長安大學碩士研究生.

2095-5456(2017)05-0415-04

U 417.1+2

A

【責任編輯:肖景魁】