車輛撞擊旋轉(zhuǎn)式防撞護(hù)欄仿真分析

俞洪政， 李 琦

(1.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 重慶 400074； 2.招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司， 重慶 400067)

公路橋梁防撞護(hù)欄作為失控車輛的一道生命線，是道路交通安全不可缺少的重要交通安全設(shè)施，主要形式有剛性護(hù)欄和半剛性護(hù)欄[1]。鋼筋混凝土護(hù)欄是最常見的剛性護(hù)欄，自身剛度大，在導(dǎo)出失控車輛時對于車輛和乘員損傷比較大。波形護(hù)欄是典型的半剛性護(hù)欄，國內(nèi)已對其進(jìn)行了大量研究。 而旋轉(zhuǎn)式防撞護(hù)欄作為一種新型的半剛性護(hù)欄，具有優(yōu)異的導(dǎo)向性能和緩沖性能，已有諸多學(xué)者對其性能進(jìn)行了研究。彭桔志等[2]對旋轉(zhuǎn)式防撞護(hù)欄的應(yīng)用和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行了介紹；陳國興等[3]對旋轉(zhuǎn)式護(hù)欄進(jìn)行了實車足尺試驗，得出旋轉(zhuǎn)式護(hù)欄具備沖擊SA級以及SS級護(hù)欄的能力；Sun[4]研究了旋轉(zhuǎn)桶的魯棒性，解決了旋轉(zhuǎn)式護(hù)欄截面參數(shù)不確定的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計問題，實現(xiàn)了新型旋轉(zhuǎn)式護(hù)欄的輕量化。目前相較于波形護(hù)欄，旋轉(zhuǎn)式防撞護(hù)欄的吸能特性研究較少，本文將采用LS-DYNA軟件模擬汽車碰撞旋轉(zhuǎn)式防撞護(hù)欄后，其吸能特性和導(dǎo)向能力與波形梁護(hù)欄進(jìn)行對比，分析旋轉(zhuǎn)式防撞護(hù)欄的導(dǎo)向能力和吸能特性。

1 汽車-護(hù)欄碰撞仿真系統(tǒng)

1.1 護(hù)欄的構(gòu)造

根據(jù)JTG D81—2017《根據(jù)公路交通安全設(shè)施細(xì)則》[5]對公路橋梁護(hù)欄的要求，護(hù)欄防撞等級設(shè)為SB級。旋轉(zhuǎn)式防撞護(hù)欄結(jié)構(gòu)采用DB33/T 888—2013《旋轉(zhuǎn)式防撞護(hù)欄設(shè)置規(guī)范》中的RG-SB-2型構(gòu)造，總體長度為42 m，共設(shè)置21跨，每跨立柱間距為2 m。立柱和橫梁采用Q235鋼材，滾筒采用高強(qiáng)度、抗氧化、彈性好的EVA材料。鋼護(hù)欄選用JTG/T D81—2017《高速公路交通安全設(shè)施設(shè)計及施工技術(shù)規(guī)范》中的SB級波形梁護(hù)欄，長度為40 m，立柱間距為2 m。護(hù)欄結(jié)構(gòu)示意如圖1、圖2所示，有限元模型如圖3、圖4所示。

單位：mm

單位：mm

圖3 旋轉(zhuǎn)式防撞護(hù)欄有限元模型

圖4 波形梁防撞護(hù)欄有限元模型

1.2 汽車有限元模型

根據(jù)JTG B05-01—2013《公路護(hù)欄安全性能評價標(biāo)準(zhǔn)》[6](簡稱《評價標(biāo)準(zhǔn)》)規(guī)定，建立了1.5 t重小汽車模型。本文主要研究護(hù)欄的吸能特性和導(dǎo)向功能，由于汽車在碰撞護(hù)欄的過程中，大部分能量被護(hù)欄吸收，因此將汽車模型進(jìn)行一定的簡化，只建立汽車的外殼，將發(fā)動機(jī)等非重要參數(shù)簡化為質(zhì)量塊。通過對質(zhì)量塊的調(diào)整，以保證車輛的整體質(zhì)量以及重心高度保持不變[7-8]，簡化后的汽車模型如圖5所示。

1.3 模型單元及材料類型

汽車模型所使用的主要單元類型為殼單元，材料類型為MAT24號彈塑性材料模型。發(fā)動機(jī)、油箱等采用實體單元，不考慮其在碰撞過程中的變形作用，因此采用MAT20號剛體材料模型，車輪使用橡膠材料，旋轉(zhuǎn)桶所使用的EVA材料。汽車和護(hù)欄具體材料參數(shù)如表1所示。

表1 汽車護(hù)欄有限元模型各材料本構(gòu)參數(shù)

1.4 碰撞系統(tǒng)的接觸與控制

車輛-護(hù)欄碰撞系統(tǒng)非常繁雜，涉及到汽車各部件之間的連接，汽車與護(hù)欄接觸類型及接觸算法選擇等。車輛位于碰撞區(qū)域的部件采用焊點(diǎn)方式模擬連接，非重要部位采用共節(jié)點(diǎn)及節(jié)點(diǎn)綁定的連接方式。護(hù)欄系統(tǒng)采用螺栓連接的方式[9]。汽車與護(hù)欄之間采用自動面面接觸，汽車、護(hù)欄自身采用自動單面接觸，車輪的轉(zhuǎn)動采用鉸鏈的方式進(jìn)行模擬，采用剛性墻模擬地面，車輪與地面摩擦系數(shù)取0.3[10]。汽車與護(hù)欄碰撞系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 汽車與護(hù)欄碰撞系統(tǒng)

1.5 碰撞條件

采用《評價標(biāo)準(zhǔn)》[6]中SB級護(hù)欄評價標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行汽車與護(hù)欄之間的碰撞條件確定，碰撞參數(shù)如表2所示。

2 護(hù)欄碰撞仿真結(jié)果分析

采用LS-prepost軟件進(jìn)行有限元的后處理分析，從護(hù)欄的吸能量、護(hù)欄的緩沖性能和護(hù)欄的導(dǎo)向功能3個方面對旋轉(zhuǎn)式防撞護(hù)欄進(jìn)行分析[11]。

2.1 汽車-護(hù)欄系統(tǒng)碰撞仿真性能驗證

非線性動力學(xué)中常常用單點(diǎn)高斯積分單元來進(jìn)行分析，此種方法可節(jié)省大量仿真計算時間，但單點(diǎn)積分的方式容易引起沙漏模式。沙漏的出現(xiàn)將使仿真結(jié)果與實際情況出現(xiàn)偏差，降低仿真結(jié)果的可信度，當(dāng)沙漏值的占比超過了10%時認(rèn)為計算的結(jié)果是不可信的[12-15]。汽車-護(hù)欄碰撞系統(tǒng)能量變化如圖7、圖8所示。從圖7、圖8中可以看出，沙漏能占總能量的10%以下，故本文的仿真計算結(jié)果具備一定的可靠性。

表2 車輛碰撞條件

圖7 汽車-旋轉(zhuǎn)式護(hù)欄系統(tǒng)能量變化

圖8 汽車-波形護(hù)欄系統(tǒng)能量變化

2.2 護(hù)欄導(dǎo)向功能

失控汽車在撞擊防撞護(hù)欄時，要求防撞護(hù)欄能正確導(dǎo)出碰撞車輛，不能出現(xiàn)車輛騎跨、翻越以及穿越護(hù)欄的現(xiàn)象。旋轉(zhuǎn)式護(hù)欄導(dǎo)向如圖9所示，汽車碰撞護(hù)欄角度變化時程如圖10所示。從圖9、圖10可見，初始時，汽車與X軸平行，夾角為0°；碰撞開始后，汽車在0.02 s時開始接觸旋轉(zhuǎn)式防撞護(hù)欄，此時汽車與X軸的夾角開始發(fā)生變化，在0.08 s時汽車在護(hù)欄的阻攔下已經(jīng)發(fā)生轉(zhuǎn)向，車輛與護(hù)欄的夾角變?yōu)?5°，在0.18 s時，汽車車身與護(hù)欄接近平行，此時汽車與X軸的夾角為20°，在0.3 s時，車駛離護(hù)欄，駛出角度為16°，且小于汽車與護(hù)欄的初始碰撞角；0.45 s時，汽車與X軸的夾角變?yōu)?0°，說明此時的汽車與護(hù)欄平行。在整個碰撞過程中，汽車未出現(xiàn)騎跨、翻越以及穿越護(hù)欄等現(xiàn)象，說明旋轉(zhuǎn)式護(hù)欄具有良好的導(dǎo)向功能。

圖9 汽車碰撞角度變化時程

(a) 0.02 s

(b) 0.08 s

(c) 0.18 s

(d) 0.3 s

2.3 護(hù)欄緩沖效果

在失控車輛撞擊護(hù)欄時，為了保護(hù)車內(nèi)乘員生命財產(chǎn)安全，要求汽車在撞擊護(hù)欄時，乘員座椅處的X方向加速度與Y方向加速度均應(yīng)小于200 m/s2。由于車輛使用的簡化模型，未建立座椅，不能直接對乘員座椅處的加速度進(jìn)行提取，因此選用車輛重心加速度來代替,重心在Hypermesh里采用不變形的剛體單元，以便采集加速度。用LS-prepost軟件提取的車輛重心X、Y加速度如圖11所示。

圖11 小汽車重心X、Y方向加速度曲線

在碰撞過程中，旋轉(zhuǎn)式護(hù)欄在Y軸上的最大加速度值為125.8 m/s2，在X軸上最大加速度值為169.5 m/s2，均小于規(guī)范中的200 m/s2，滿足規(guī)范要求。

2.4 護(hù)欄動態(tài)變形量

為得到護(hù)欄在碰撞過程中的動態(tài)變形量，在Hypermesh中對護(hù)欄變形量最大處進(jìn)行布點(diǎn)，通過LS-prepost后處理提取出該點(diǎn)護(hù)欄動態(tài)變形量，如圖12所示。從圖12中可見，波形護(hù)欄的最大動態(tài)變形量要明顯高于旋轉(zhuǎn)式護(hù)欄，達(dá)到了273 mm，而旋轉(zhuǎn)式護(hù)欄的最大動態(tài)變形量為168 mm，表明旋轉(zhuǎn)式護(hù)欄比波形護(hù)欄更適用于危險的山區(qū)高速公路。

圖12 護(hù)欄動態(tài)變形量

2.5 護(hù)欄的吸能效果

護(hù)欄的吸能效果也是護(hù)欄的一項重要指標(biāo)。通過LS-prepost軟件可提取出護(hù)欄吸能量，如圖13所示。由圖13可知，小汽車撞擊時，旋轉(zhuǎn)式防撞護(hù)欄的能量吸收量為200 kJ，波形護(hù)欄的能量吸收量為180 kJ，旋轉(zhuǎn)式護(hù)欄的吸能量要高于波形護(hù)欄。說明旋轉(zhuǎn)式防撞護(hù)欄比波形護(hù)欄有更好的能量吸收效果。

圖13 護(hù)欄能量吸收量

3 結(jié)論

本文通過Hypermesh軟件建立了汽車護(hù)欄碰撞仿真系統(tǒng)，利用LS-DYNA軟件進(jìn)行了非線性有限元求解，通過對比分析SB級波形護(hù)欄與旋轉(zhuǎn)式防撞護(hù)欄的緩沖功能、導(dǎo)向功能及吸能特性，得出以下結(jié)論：

1) 仿真碰撞系統(tǒng)的沙漏能占總能量的10%以下，仿真結(jié)果具有可靠性。

2) 在1.5 t小汽車以100 km/h的速度碰撞旋轉(zhuǎn)式護(hù)欄時，無騎跨、翻越以及穿越護(hù)欄的現(xiàn)象，護(hù)欄滿足規(guī)范導(dǎo)向功能要求。

3) 在1.5 t小汽車以100 km/h的速度碰撞旋轉(zhuǎn)式護(hù)欄時，旋轉(zhuǎn)式護(hù)欄X方向、Y方向加速度均在200 m/s2以下，滿足規(guī)范要求。

4) 相同碰撞條件下，旋轉(zhuǎn)式護(hù)欄的變形量明顯小于波形護(hù)欄，說明旋轉(zhuǎn)式護(hù)欄比波形護(hù)欄更適合于危險的山區(qū)路段。