Gr-A-4E型護(hù)欄的碰撞仿真分析

張?jiān)啵瑥垞P(yáng)，周大安，徐曉宇

（1.江西應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院汽車學(xué)院，江西 贛州 341000；2.上海杉達(dá)學(xué)院滬東工學(xué)院，上海 201209；3.山東化工職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程系，山東 濰坊 261108）

前言

高速公路是目前交通領(lǐng)域中一個(gè)重要的組成，而且占交通運(yùn)輸?shù)谋戎卦絹碓酱螅?017年交通運(yùn)輸行業(yè)統(tǒng)計(jì)公報(bào)顯示，我國(guó)的高速公路占所有道路的比例是世界第一，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他國(guó)家。波形梁護(hù)欄是高速公路防護(hù)系統(tǒng)的核心組成部件，是車輛在高速公路安全行駛的重要保障。近年來，由于國(guó)內(nèi)物流的迅猛發(fā)展，高速上行駛的貨車比率逐年上升，造成貨車事故率上升，且造成的事故引發(fā)的人身財(cái)產(chǎn)損失較大。故本研究以貨車碰撞波形梁護(hù)欄有限元仿真模擬實(shí)車碰撞試驗(yàn)，分析波形梁護(hù)欄在碰撞過程中發(fā)生的變形情況，并對(duì)波形梁護(hù)欄的安全防護(hù)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)[1]。

1 建立碰撞仿真模型

1.1 有限元模型的建立

高速公路安裝的波形梁護(hù)欄類型絕大多數(shù)是 A級(jí)和 B級(jí)，本文使用的波形梁護(hù)欄為A級(jí)的Gr-A-4E型。根據(jù)護(hù)欄尺寸等相關(guān)設(shè)計(jì)要求，通過三維建模軟件，得出波形梁護(hù)欄的三維立體模型，之后將三維立體模型導(dǎo)入到Hypermesh中，對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得出Gr-A-4E型波形梁護(hù)欄的模擬仿真文件，仿真模型局部視圖如圖1所示。

圖1 Gr-A-4E護(hù)欄仿真模型的局部視圖

貨車的三維模型是市面上常見的10t級(jí)的廂式貨車，由于廂式貨車的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，無法直接建立有限元模型，所以先通過SolidWorks建立貨車的立體結(jié)構(gòu)，再將立體結(jié)構(gòu)文件轉(zhuǎn)換為STP文件類型，之后導(dǎo)入到有限元軟件Hyperworks中，通過模塊Hypermesh對(duì)廂式貨車三維模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分。為了減少網(wǎng)格劃分的工作量，在合理范圍內(nèi)可以對(duì)廂式貨車結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化處理，比如發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)化成一個(gè)方塊剛體，一些對(duì)整車碰撞性能無明顯影響的小部件可以忽略不計(jì)。在前處理模塊hypermesh劃分網(wǎng)格的過程中，既要考慮仿真模型的精度，又要節(jié)約仿真計(jì)算的時(shí)間，所以在碰撞核心區(qū)域網(wǎng)格密，在非核心區(qū)域網(wǎng)格稀。四邊形網(wǎng)格是網(wǎng)格劃分的常見類型，但是三角形網(wǎng)格在網(wǎng)格劃分中也會(huì)出現(xiàn)，但由于三角形網(wǎng)格的仿真計(jì)算容易失真，所以盡量減少三角形單元在整個(gè)網(wǎng)格中的比率，針對(duì)板材殼類型的部件，其單元的相關(guān)要求如表1所示，從表上可知，三角形單元的比率要求小于5%[2]。

表1 板材殼單元質(zhì)量要求

圖2 仿真分析模型

Gr-A-4E型波形梁護(hù)欄有限元模型與廂式貨車有限元模型建立耦合體系，形成一個(gè)整體碰撞仿真模型，如圖2所示，該碰撞仿真模型需要導(dǎo)入LS-DYNA進(jìn)行計(jì)算分析。

1.2 碰撞初始條件

車輛在道路行駛過程中，如果發(fā)生碰撞事故，事故的嚴(yán)重性取決于碰撞時(shí)刻車輛的速度和車輛與護(hù)欄之間的夾角，所以碰撞的速度以及夾角設(shè)置很關(guān)鍵。

碰撞時(shí)的速度以及夾角的設(shè)置需要按照國(guó)家相關(guān)規(guī)范中的要求來，有著很嚴(yán)格的限定條件，通過查詢國(guó)家相關(guān)規(guī)范可知，此次貨車碰撞Gr-A-4E型波形梁護(hù)欄的碰撞初始角設(shè)置為20°，車輛碰撞初始速度設(shè)置為60km/h。

2 波形梁護(hù)欄與貨車的碰撞仿真分析

根據(jù)最新的公路護(hù)欄安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，判斷護(hù)欄的防護(hù)性能的指標(biāo)主要是從護(hù)欄的阻擋功能、緩沖功能和導(dǎo)向功能這三個(gè)方面進(jìn)行分析。通過LS-DYNA仿真軟件計(jì)算得到仿真碰撞結(jié)果，然后用Hyperworks對(duì)Gr-A-4E型波形梁護(hù)欄的三個(gè)安全防護(hù)性能指標(biāo)進(jìn)行分析處理，了解Gr-A-4E波形梁護(hù)欄的防護(hù)性能。

2.1 護(hù)欄阻擋功能分析

貨車在碰撞波形梁護(hù)欄的過程中，護(hù)欄應(yīng)阻擋貨車駛出道路，防止廂式貨車發(fā)生二次碰撞事故，所以合理的護(hù)欄設(shè)置是關(guān)鍵，是道路安全與否的核心要素。從相關(guān)規(guī)范中查詢，護(hù)欄最大變形量為 1400mm，即護(hù)欄變形的最大極限值，超出該范圍的護(hù)欄被認(rèn)定為不安全護(hù)欄。如圖3所示，分別是t=0、92、330、511ms時(shí)貨車碰撞波形梁護(hù)欄的即時(shí)情況，在t=511ms貨車沖出護(hù)欄，護(hù)欄發(fā)生嚴(yán)重變形，由此可見，護(hù)欄無法起到良好的阻擋功能。

圖3 護(hù)欄的變形情況

2.2 護(hù)欄緩沖功能分析

如圖3所示，貨車碰撞波形梁護(hù)欄，波形梁護(hù)欄的立柱絆阻貨車，貨車車體偏離正常的行駛道路。車體碰撞過程中發(fā)生絆阻效應(yīng)會(huì)嚴(yán)重影響車內(nèi)乘員的安全。通過 LS-DYNA軟件的計(jì)算分析，得出碰撞過程中車輛質(zhì)心三個(gè)方向的加速度變化情況，如圖4所示，從三個(gè)坐標(biāo)圖看出質(zhì)心的三向加速度的最大值均在200m/s2以上，是乘員無法承受的加速度，乘員可能從駕駛室越出，造成重大的生命危險(xiǎn)。由此可見，Gr-A-4E型波形梁護(hù)欄的緩沖功能不達(dá)標(biāo)，不能降低車內(nèi)乘員的加速度。

圖4 車體質(zhì)心處X、Y、Z處加速度曲線（cmm/s2，s）

2.3 護(hù)欄導(dǎo)向功能分析

圖5 廂式貨車行駛軌跡

如圖5可知，當(dāng)t=0ms，此時(shí)是仿真模型設(shè)置的貨車與Gr-A-4E型波形梁護(hù)欄碰撞的初始狀態(tài)，到t=33ms時(shí)，貨車開始接觸波形梁護(hù)欄，到t=125ms時(shí)，Gr-A-4E型波形梁護(hù)欄與貨車完全接觸，Gr-A-4E型波形梁護(hù)欄變形量較大，且?guī)截涇嚽白o(hù)板也發(fā)生變形，當(dāng)t=511ms時(shí)，Gr-A-4E型波形梁護(hù)欄各個(gè)部件幾乎脫離，已經(jīng)失去防護(hù)性能，廂式貨車也完全偏離正常的行駛道路，越過波形梁護(hù)欄，極有可能造成廂式貨車發(fā)生二次碰撞事故，造成更大的人身財(cái)產(chǎn)損失。由此可見，Gr-A-4E型波形梁護(hù)欄的導(dǎo)向功能無法達(dá)到安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的要求，無法滿足高速公路防護(hù)安全的要求。

3 結(jié)論

通過Hyperworks等仿真軟件建立Gr-A-4E型波形梁護(hù)欄與廂式貨車碰撞仿真體系，并分析Gr-A-4E型波形梁護(hù)欄的安全防護(hù)性能。由以上仿真模擬分析可知：

（1）Gr-A-4E波形梁護(hù)欄對(duì)貨車無法起到很好的阻擋功能，不能有效的阻擋車輛偏離正常的行駛軌道，需要改進(jìn)其結(jié)構(gòu)。

（2）通過碰撞仿真分析，可以了解廂式貨車結(jié)構(gòu)方面存在的問題，可以對(duì)廂式貨車結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供參考。

（3）通過仿真模擬實(shí)車碰撞分析試驗(yàn)是正確的研究方法，它不僅降低試驗(yàn)成本，且可重復(fù)性強(qiáng)。

由于碰撞仿真試驗(yàn)無法完全代替實(shí)車碰撞試驗(yàn)，所以Gr-A-4E型波形梁護(hù)欄的安全防護(hù)性能是否達(dá)標(biāo)，還需要和實(shí)車碰撞試驗(yàn)做對(duì)比分析。