高速公路中央分隔帶易開型防撞活動護欄碰撞仿真

(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欄的碰撞事故，而且往往由于車輛穿越中央分隔帶沖進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欄的防護能力明顯不足[2]。國內(nèi)不少學(xué)者對防撞活動護欄進行了研究。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欄具有一定的防撞能力，能有效地阻擋車輛沖向?qū)γ孳嚨溃珓傂曰炷粱顒幼o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)力索防撞活動護欄，該活動護欄采用鋼管和預(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欄，在滿足中央隔離帶活動護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。為驗證活動護欄的安全性，對活動護欄進行計算機碰撞仿真，得到仿真結(jié)果，著重分析車輛在撞擊過程中的運動軌跡、加速度，以及護欄的變形，從而驗證此中央分隔帶活動護欄的阻擋功能、導(dǎo)向功能、緩沖功能、護欄最大橫向動態(tài)變形值等項性能指[5-9]。

1 新型中央分隔帶活動護欄結(jié)構(gòu)設(shè)計

新型中央分隔帶活動護欄主要應(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，是一種新型高強度低碳合金鋼中央分隔帶活動護欄。其高度為790 mm，每節(jié)長度5 000 mm，抗拉強度為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 新型活動護欄結(jié)構(gòu)示意圖(單位：mm)

2 汽車-護欄碰撞仿真有限元模型的建立

2.1 汽車-護欄力學(xué)模型

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

a.車輛碰撞護欄期間允許車輛變形，但重心不變。

b.護欄對車輛沒有羈絆作用。

c.車輛改變方向與護欄平行時車輛的橫向加速度為零。

圖2 汽車與護欄碰撞模型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、變速器、后橋使用剛體材料MAT_RIGID[12-13]。為達到試驗標(biāo)準(zhǔn)，需要對皮卡車和貨車的有限元模型進行質(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 護欄有限元仿真模型

活動護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欄的三維幾何模型，之后將其導(dǎo)入到HYPERMESH中進行前處理，護欄結(jié)構(gòu)均采用殼單元進行劃分，使用Belytschko-Tsay殼單元算法。對護欄做出如下約束和簡化：

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

b.對固定端頭部分施加全約束，使其固定在地面。

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

活動護欄采用如下準(zhǔn)則進行劃分：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，活動護欄有限元模型總計381 844個節(jié)點，殼單元數(shù)為382 612個,活動護欄采用彈塑性材料*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為護欄有限元模型。

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

2.4 接觸控制

汽車與護欄碰撞仿真中，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。本研究將車輛與護欄之間以及護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)。車輛與護欄碰撞的同時勢必會產(chǎn)生摩擦，正確合理的設(shè)置護欄與車輛、車輪與地面的摩擦力，對碰撞及碰撞后汽車的運動姿態(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定義護欄連接段、鋼管立柱、護板之間的接觸，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欄保持一致，本文進行碰撞仿真的護欄防撞等級為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

護欄防撞性能評價標(biāo)準(zhǔn)主要包括車輛行駛軌跡、護欄防護導(dǎo)向、護欄動態(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。護欄能有效阻擋車輛穿越、翻越、騎跨、下穿活動護欄并對車輛進行導(dǎo)向，碰撞后車輛駛出角度小于碰撞角度60%?；顒幼o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°角撞擊護欄的運動軌跡。通過LS-PrePost后處理中，汽車與活動護欄碰撞的動畫可觀察到，在運動過程中，皮卡車與活動護欄碰撞前期，以皮卡車左后輪為側(cè)翻點，皮卡車略有升高趨勢，在重力與活動護欄的導(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，且護欄并未有較大損壞，符合評定標(biāo)準(zhǔn)中活動護欄最大變形量不大于1.5 m。

圖7 活動護欄最大動態(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、下穿活動護欄，活動護欄導(dǎo)向性能良好，各性能指標(biāo)均達到標(biāo)準(zhǔn)，有效保障了乘員安全，對皮卡車的防護達到了預(yù)期效果。

4.2 貨車碰撞易開型防撞活動護欄

圖9為10 t貨車以60 km/h的時速從側(cè)面20°角撞擊活動護欄的運動軌跡。通過LS-PrePost后處理的貨車與護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，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，遠小于評定標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定值1.5 m。

圖10 活動護欄最大動態(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、護欄損壞程度、行駛軌跡分別進行對比分析，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)位置因與活動護欄為主要接觸位置都存在變形,其中皮卡車在活動護欄的導(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)翻點向左傾斜;碰撞后期在活動護欄的導(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欄,所以在貨車運動后期并未發(fā)生碰撞活動護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為活動護欄受損情況碰撞前期以左后輪為側(cè)翻點向左傾斜,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,最終駛出活動護欄

圖12 活動護欄損壞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欄在兼有移動靈活、方便開啟和安裝方便等特點，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，減少因為護欄剛性過強使乘員受到傷害?；趆ypermesh和ls-dyna平臺，對新型中央分隔帶易開型防撞活動護欄根據(jù)規(guī)定的碰撞條件進行有限元碰撞仿真，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欄的安全特性。

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

b.兩次仿真碰撞中護欄的最大動態(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欄還對車輛乘員有較好的保護。

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欄能減少對車輛的損壞。