基于ABAQUS有限元仿真的車(chē)輛碰撞護(hù)欄動(dòng)力響應(yīng)

劉唐志, 張翔, 劉通, 劉星良

(重慶交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院, 重慶 400074)

據(jù)統(tǒng)計(jì),中國(guó)高速公路上近30%的道路交通事故與汽車(chē)碰撞護(hù)欄有關(guān),由此造成的惡性交通事故比例占高速公路交通事故的62%以上,有將近1/3的人員死亡事故發(fā)生在車(chē)輛與路側(cè)護(hù)欄碰撞中[1]。波形梁護(hù)欄作為最常見(jiàn)的道路交通防護(hù)設(shè)施,能有效地防止交通事故的發(fā)生,如何提升波形梁護(hù)欄防護(hù)能力成為當(dāng)前研究的熱題。

1962年,美國(guó)便開(kāi)展車(chē)輛碰撞護(hù)欄實(shí)車(chē)試驗(yàn),并發(fā)布首個(gè)車(chē)輛碰撞護(hù)欄足尺試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),此法要求實(shí)驗(yàn)設(shè)備精度高,但準(zhǔn)備周期長(zhǎng)、成本高、可重復(fù)性差。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)能模擬不同條件下的實(shí)際碰撞情況,處理復(fù)雜模型和邊界條件,且仿真精度在誤差范圍內(nèi),是目前主流的車(chē)輛護(hù)欄碰撞研究方法。

學(xué)者們基于ABAQUS、Dyna、HyperView等有限元仿真軟件對(duì)車(chē)輛碰撞護(hù)欄動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行仿真研究。Yao等[2]、Atahan[3]利用LS-DYNA構(gòu)建車(chē)輛護(hù)欄碰撞仿真模型,分析車(chē)輛碰撞過(guò)程中護(hù)欄的安全防護(hù)性能,并通過(guò)實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)驗(yàn)證仿真模型可靠性。Rnek等[4]對(duì)嵌入土壤的立柱進(jìn)行了一系列現(xiàn)場(chǎng)沖擊試驗(yàn),以確定3種不同土壤條件的最佳立柱埋置深度。Ozcanan等[5]以S235JR、S275JR和S355JR級(jí)鋼為護(hù)欄材料,使用仿真碰撞試驗(yàn)構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)和約束條件,采用代理模型RBF探尋護(hù)欄最優(yōu)材料屬性。張淑寶[6]將組裝式鋼構(gòu)件與原有混凝土護(hù)欄進(jìn)行連接,提出分離式混凝土護(hù)欄,經(jīng)實(shí)車(chē)碰撞與仿真測(cè)試驗(yàn)證,護(hù)欄防護(hù)等級(jí)達(dá)到SAm級(jí)。崔洪軍等[7]、李文勇等[8]、王維利等[9]基于LS-DYNA、HyperMesh等有限元仿真軟件從車(chē)輛平均速度、車(chē)輛加速度、車(chē)輛導(dǎo)向出口角度等多個(gè)指標(biāo),研究護(hù)欄防護(hù)能力的可靠性指標(biāo)。李霞等[10]對(duì)路側(cè)A級(jí)護(hù)欄進(jìn)行升級(jí)改造,分別為增加立柱埋深、在立柱中澆筑混凝土、梁板上方增加橫隔梁,利用 LS-DYNA建立了車(chē)輛-護(hù)欄碰撞仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?對(duì)3種形式的波形梁護(hù)欄的防撞性能進(jìn)行了驗(yàn)證。荊坤等[11]結(jié)合實(shí)車(chē)試驗(yàn)和計(jì)算機(jī)仿真方法,研究梁板尺寸、立柱幾何形狀等因素對(duì)車(chē)輛加速度的影響關(guān)系。崔洪軍[12]為使活動(dòng)護(hù)欄兼具強(qiáng)防護(hù)能力與高靈活性能,在混凝土護(hù)欄內(nèi)部設(shè)計(jì)一套移動(dòng)裝置,利用有限元軟件對(duì)裝置各部分進(jìn)行受力模擬計(jì)算,通過(guò)實(shí)車(chē)實(shí)驗(yàn)與仿真測(cè)試驗(yàn)證了新型活動(dòng)護(hù)欄的可靠性。韓海峰等[13]認(rèn)為車(chē)輛碰撞角度與碰撞速度隨道路線型的變化而變化,開(kāi)展了基于UC-win/Road的駕駛模擬試驗(yàn)與有限元仿真,考慮碰撞角度、硬路肩寬度與曲線曲率對(duì)碰撞角度速度的影響,確定基于實(shí)驗(yàn)車(chē)輛的85%分位的碰撞能量,提出將其作為護(hù)欄碰撞的防護(hù)能量。劉航等[14]提出了雙層雙波型梁護(hù)欄的改造形式,保持原有護(hù)欄不變的基礎(chǔ)上,在原有立柱內(nèi)內(nèi)嵌立柱,新增一塊加強(qiáng)型防阻塊進(jìn)行連接,改造后護(hù)欄滿足SB級(jí)防護(hù)水平。焦馳宇等[15]提出一種新型鋁合金防撞護(hù)欄替代傳統(tǒng)型鋼護(hù)欄,通過(guò)增大螺栓直徑與法蘭盤(pán)厚度,鋁合金護(hù)欄安全性良好。唐俊義等[16]提出裝配式的倒U形截面形式的橋梁人車(chē)隔離防撞護(hù)欄。研究指出,倒U形截面形式可大幅增加護(hù)欄橫向剛度,提升傳統(tǒng)護(hù)欄防撞性能。

當(dāng)前研究多關(guān)注于新型結(jié)構(gòu)與舊護(hù)欄改造提升防護(hù)能力,缺乏針對(duì)不同車(chē)型碰撞的護(hù)欄響應(yīng)規(guī)律分析研究。此外,護(hù)欄安全評(píng)價(jià)中的車(chē)輛碰撞條件較為單一,無(wú)法體現(xiàn)碰撞隨機(jī)性。因此,現(xiàn)首先建立多車(chē)型的車(chē)輛-護(hù)欄有限元仿真碰撞模型,隨后選取護(hù)欄防護(hù)能力最弱位置及立柱作為碰撞點(diǎn)位,基于加速度、最大變形量及應(yīng)力評(píng)價(jià)指標(biāo),分析護(hù)欄在不同位置碰撞的防護(hù)響應(yīng)規(guī)律及閾值,為路側(cè)護(hù)欄安裝設(shè)計(jì)及智慧護(hù)欄感知系統(tǒng)研發(fā)提供依據(jù)。

1 有限元模型建立

1.1 護(hù)欄模型

波形梁護(hù)欄是高速公路上使用最為廣泛的道路安全設(shè)施,護(hù)欄由波形梁板、立柱、防阻塊、緊固件構(gòu)成,以國(guó)內(nèi)常用的國(guó)內(nèi)二級(jí)、三級(jí)、四級(jí)道路常用的3 mm厚波形梁護(hù)欄為研究對(duì)象。根據(jù)《公路波形梁鋼護(hù)欄》(JTT 281—2007)三級(jí)防護(hù)護(hù)欄等級(jí)要求設(shè)置波形護(hù)欄整體模型,單個(gè)波形梁板采用BB01標(biāo)準(zhǔn)欄板建立3D仿真模型如圖1所示,波形形狀為圓弧形,欄板詳細(xì)尺寸如表1所示。立柱截面尺寸Φ140 mm×4.5 mm,總高度2 150 mm,其中1 400 mm埋于地下,750 mm立于地上。防阻塊尺寸178 mm×200 mm×3 mm,托架300 mm×70 mm×4.5 mm,半徑R=57 mm[17]。

表1 BB欄板尺寸Table 1 BB guardrail size

圖1 波形梁護(hù)欄模型Fig.1 Waveform beam guardrail model

參照《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T D81—2017),設(shè)置波形護(hù)欄總長(zhǎng)72 m,立柱間距設(shè)置2 000 mm,由18張護(hù)欄構(gòu)成[18]。立柱底部1/4處施加全約束以模擬土壤對(duì)立柱的約束作用,護(hù)欄各部件之間連接使用Tie單元模擬護(hù)欄與螺栓之間的鏈接。材料參數(shù):護(hù)欄采用Q235鋼彈塑性材料參數(shù),其密度、彈性模量、泊松比、屈服強(qiáng)度及極限強(qiáng)度如表2所示。

表2 材料參數(shù)Table 2 Material properties

1.2 車(chē)輛模型

汽車(chē)整車(chē)模型包括很多零部件模型,一般由駕駛室、車(chē)架、發(fā)動(dòng)機(jī)、貨柜、傳動(dòng)系、制動(dòng)系、驅(qū)動(dòng)橋、輪胎、前后懸架等子系統(tǒng)組成。建立完整的整車(chē)模型工作量巨大,計(jì)算處理復(fù)雜,耗時(shí)久。研究主要針對(duì)護(hù)欄碰撞響應(yīng)進(jìn)行分析,對(duì)汽車(chē)內(nèi)部部件不關(guān)注,因此對(duì)車(chē)輛模型進(jìn)行簡(jiǎn)化,減少計(jì)算處理時(shí)間。

根據(jù)《公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(JTGB 05-01—2013)防護(hù)等級(jí)三級(jí)護(hù)欄中規(guī)定的試驗(yàn)車(chē)輛類型,選取1.5 t小型客車(chē)、10 t中型客車(chē)、10 t中型貨車(chē)3種車(chē)輛[19]。小型客車(chē)的幾何尺寸4 600 mm×1 770 mm×1 370 mm,模型單元數(shù)49 707個(gè)。中型客車(chē)的幾何尺寸為8 090 mm×2 440 mm×3 035 mm,模型單元數(shù)72 991個(gè)。中型貨車(chē)的幾何尺寸為7 460 mm×2 290 mm×3 100 mm,模型單元數(shù)79 351個(gè)(表3)。由于車(chē)輛構(gòu)架大多由金屬板件沖壓而成,單元類型均設(shè)置為薄殼單元,適用于計(jì)算大變形、大位移的情況。在hypermesh中完成對(duì)車(chē)輛模型的幾何建模,導(dǎo)入ABAQUS中,3種車(chē)型的幾何模型如圖2所示。

圖2 車(chē)輛有限元模型Fig.2 Vehicle finite element model

選擇面面接觸和自接觸兩種方式模擬車(chē)輛護(hù)欄自身及二者之間的接觸情況,靜摩擦因數(shù)和動(dòng)摩擦因數(shù)均設(shè)置為0.15,地面與輪胎的摩擦系數(shù)設(shè)置為0.2。

2 多工況實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)《公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(JTGB 05-01—2013)中試驗(yàn)要求規(guī)定,半剛性護(hù)欄設(shè)置不得小于70 m。因此,護(hù)欄模型由18張護(hù)攔板連接而成,每張護(hù)欄板長(zhǎng)4 320 mm。將第一張護(hù)攔板中間位置定義為1號(hào)節(jié)點(diǎn),從左至右按照1～18號(hào)依次排序,選取11～13號(hào)護(hù)攔板位置進(jìn)行碰撞試驗(yàn),設(shè)置2個(gè)碰撞初始接觸點(diǎn),分別是護(hù)欄波形梁跨中位置、波形護(hù)欄立柱位置,結(jié)合表4可看出各工況的初始碰撞位置,如圖3所示。

表4 數(shù)值仿真模擬工況Table 4 Numerical simulation conditions

圖3 碰撞節(jié)點(diǎn)示意圖Fig.3 Collision node diagram

依據(jù)《公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》A級(jí)防護(hù)護(hù)欄實(shí)車(chē)試驗(yàn)要求規(guī)定,將試驗(yàn)碰撞角度設(shè)定為20°,碰撞速度分別為100 km/h和60 km/h,碰撞點(diǎn)設(shè)置在沿行車(chē)方向護(hù)欄跨中1/3長(zhǎng)度處。為貼近車(chē)輛實(shí)際碰撞的隨機(jī)情況,增設(shè)一處碰撞位置,即立柱位置,此處剛度最大且明顯區(qū)別與其他碰撞位置,分析護(hù)欄在多種車(chē)型多碰撞位置下的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律,豐富路側(cè)空間護(hù)欄安裝和設(shè)計(jì)參考依據(jù)。根據(jù)初始碰撞條件共設(shè)計(jì)6個(gè)數(shù)值仿真模擬工況,如表4所示。

3 仿真數(shù)據(jù)結(jié)果與分析

通過(guò)ABAQUS軟件進(jìn)行車(chē)輛與護(hù)欄及傳感器節(jié)點(diǎn)的碰撞仿真分析,選擇加速度、位移、應(yīng)力3項(xiàng)常規(guī)指標(biāo)作為有限元仿真分析輸出數(shù)據(jù)指標(biāo),分析多車(chē)型不同碰撞位置下車(chē)輛碰撞動(dòng)力響應(yīng)變化情況,X1、Y1、Z1工況表示3種車(chē)型與波形梁跨中位置相撞,X2、Y2、Z2表示3種車(chē)型與護(hù)欄立柱位置相撞,并分別得到不同輸出指標(biāo)的時(shí)程曲線及響應(yīng)特點(diǎn)和規(guī)律。由于車(chē)輛與護(hù)欄存在30°碰撞角度,將數(shù)據(jù)按Xsin30°+Ycos30°輸出碰撞行進(jìn)方向曲線及按Ysin30°+Xcos30°輸出垂直護(hù)欄方向曲線,處理后輸出各節(jié)點(diǎn)位置綜合加速度曲線及位移曲線。

3.1 加速度時(shí)程曲線

沖擊加速度是護(hù)欄感知車(chē)輛碰撞的關(guān)鍵采集參數(shù)之一。圖4(a)、圖4(b)分別為1.5 t小型客車(chē)以20°傾角、100 km/h速度撞擊護(hù)欄跨中位置及立柱位置時(shí),護(hù)欄沿路側(cè)方向(Y向)的沖擊加速度變化曲線。

圖4 小型客車(chē)加速度曲線Fig.4 Impact acceleration curve of mini-car

從圖4(a)中可看出,X1工況小型客車(chē)撞擊12號(hào)節(jié)點(diǎn)(波形梁跨中位置),剛碰撞時(shí)加速度值便迅速增大至最大值,前后節(jié)點(diǎn)(11號(hào)、13號(hào)節(jié)點(diǎn))的加速度均在短暫延遲后(t=0.005 s)開(kāi)始波動(dòng)變化。隨碰撞持續(xù),3個(gè)節(jié)點(diǎn)的加速度曲線均呈震蕩變化趨勢(shì),符合客觀規(guī)律。X1工況下3處節(jié)點(diǎn)護(hù)欄所受沖擊加速度值均未超過(guò)常規(guī)沖擊加速度測(cè)量上限。從圖4(b)中可知,X2工況小型客車(chē)撞擊立柱位置(12號(hào)鋼管),剛碰撞時(shí)加速度值便迅速增加且變化劇烈,且6倍于X1工況最大加速度值。前節(jié)點(diǎn)(11號(hào)節(jié)點(diǎn))加速度遠(yuǎn)大于后節(jié)點(diǎn)(12號(hào)節(jié)點(diǎn)),符合客觀規(guī)律。而11號(hào)節(jié)點(diǎn)和12號(hào)鋼管位置護(hù)欄所受沖擊加速度均超過(guò)常規(guī)沖擊加速度測(cè)量上限,會(huì)造成護(hù)欄事故檢測(cè)傳感設(shè)備損壞,更換成本較高。

可見(jiàn),在1.5 t小型客車(chē)兩種碰撞位置下,護(hù)欄的最大加速度值均位于碰撞接觸位置,撞擊鋼管位置的工況加速度值遠(yuǎn)大于撞擊波形梁跨中位置工況。撞擊立柱位置最大加速度值為跨中位置的6倍多,立柱位置前節(jié)點(diǎn)最大加速度值為跨中位置的3倍左右,后節(jié)點(diǎn)位置的加速度變化與碰撞位置無(wú)明顯相關(guān)性?？蓪?duì)護(hù)欄前中后3處節(jié)點(diǎn)處加速度值大小進(jìn)行綜合比較,進(jìn)而判斷車(chē)輛撞擊護(hù)欄位置。相較而言,護(hù)欄防護(hù)效果對(duì)車(chē)輛撞擊立柱位置的情況較差,需管理人員進(jìn)一步判斷現(xiàn)場(chǎng)情況,以及時(shí)做出針對(duì)性決策。

圖5(a)、圖5(b)分別為10 t中型客車(chē)以20°傾角、60 km/h速度撞擊護(hù)欄跨中位置及立柱位置時(shí),護(hù)欄沿路側(cè)方向(Y向)的沖擊加速度變化曲線。

由圖5(a)可知,Y1工況3處節(jié)點(diǎn)的加速度均無(wú)明顯波動(dòng),護(hù)欄加速度響應(yīng)較小,無(wú)特別劇烈的沖擊。11號(hào)節(jié)點(diǎn)處t=0.30 s時(shí)護(hù)欄加速度突增至最大值,說(shuō)明車(chē)輛在11號(hào)節(jié)點(diǎn)處發(fā)生絆組。Y2工況車(chē)輛與護(hù)欄立柱位置相撞后,3處節(jié)點(diǎn)的加速度發(fā)生明顯變化。t=0.255 s時(shí)11號(hào)節(jié)點(diǎn)的加速度突增達(dá)到最大值,說(shuō)明車(chē)輛在11號(hào)節(jié)點(diǎn)處發(fā)生絆組。

與1.5 t小型客車(chē)相比,10 t中型客車(chē)不同撞擊位置碰撞情況中均發(fā)生絆組,沖擊加速度值均超過(guò)常規(guī)加速度測(cè)量計(jì)的范圍。當(dāng)撞擊節(jié)點(diǎn)位于波形梁中間位置時(shí),波形護(hù)欄對(duì)小型客車(chē)與中型客車(chē)防護(hù)性能好,加速度曲線波動(dòng)相對(duì)平緩。當(dāng)碰撞節(jié)點(diǎn)位于立柱位置時(shí),碰撞前后節(jié)點(diǎn)護(hù)欄沖擊加速度峰值出現(xiàn)時(shí)間提前,且最大加速度值遠(yuǎn)高于Y1工況。

同樣地,圖6(a)、圖6(b)分別為10 t中型貨車(chē)以20°傾角、60 km/h速度撞擊護(hù)欄跨中位置及立柱位置時(shí),護(hù)欄沿路側(cè)方向(Y向)的沖擊加速度變化曲線。

由圖6(a)可知,Z1工況車(chē)輛與護(hù)欄跨中位置相撞后,3處節(jié)點(diǎn)的加速度值均在常規(guī)測(cè)量計(jì)的測(cè)量范圍內(nèi)波動(dòng)。11號(hào)節(jié)點(diǎn)在0.325 s加速度陡增至最大值,說(shuō)明此時(shí)車(chē)輛發(fā)生了絆組,護(hù)欄所受沖擊加速度值遠(yuǎn)大于正常接觸時(shí),差異最大相差10倍。從圖6(b)可以看出,中型貨車(chē)撞擊護(hù)欄立柱位置時(shí),與Z1工況相比,Z2工況下的加速度波動(dòng)變化更劇烈,碰撞點(diǎn)的沖擊加速度在剛接觸時(shí)就達(dá)到最大值,隨后不斷震蕩收斂。11號(hào)節(jié)點(diǎn)與12號(hào)節(jié)點(diǎn)均無(wú)較大的波動(dòng)變化。

中型貨車(chē)碰撞位置不同沖擊加速度有較大區(qū)別,對(duì)車(chē)輛防護(hù)性能差異明顯,峰值加速度相差2倍左右。撞擊立柱位置處護(hù)欄加速度值較大,在碰撞接觸時(shí)就達(dá)到最大值,前后節(jié)點(diǎn)加速度無(wú)明顯波動(dòng)變化,表明車(chē)輛接觸形梁位置在碰撞開(kāi)始階段吸收了絕大部分能量,存在波形梁變形嚴(yán)重等問(wèn)題,護(hù)欄對(duì)大型車(chē)防護(hù)性差。

3.2 位移時(shí)程曲線

設(shè)置護(hù)欄主要是阻擋車(chē)輛并導(dǎo)正其行駛方向,禁止車(chē)輛任何形式的穿越、翻越、騎跨、下穿護(hù)欄。但是道路路側(cè)空間有限,因此護(hù)欄最大橫向位移是護(hù)欄安全評(píng)價(jià)的主要標(biāo)準(zhǔn)之一。圖7(a)、圖7(b)分別為1.5 t小型客車(chē)碰撞護(hù)欄跨中位置及立柱位置的位移時(shí)程響應(yīng)曲線。

圖7 小型汽車(chē)位移曲線Fig.7 Displacement curve of mini-car

X1工況下12號(hào)節(jié)點(diǎn)(碰撞點(diǎn))處的位移逐漸增大,最大位移達(dá)0.4 m,11號(hào)節(jié)點(diǎn)(前節(jié)點(diǎn))處位移開(kāi)始增大,最大變形量達(dá)到0.5 m,超過(guò)碰撞點(diǎn)處最大位移值。X2工況下3處節(jié)點(diǎn)均在碰撞開(kāi)始時(shí)出現(xiàn)明顯位移變化,前節(jié)點(diǎn)處最大位移0.7 m,碰撞點(diǎn)處最大位移0.4 m,說(shuō)明該工況下護(hù)欄變形量大。綜合比較而言,1.5 t小車(chē)撞擊波形梁護(hù)欄,當(dāng)撞擊位置為立柱位置時(shí),波形梁護(hù)欄整體變形量更大,前節(jié)點(diǎn)位移超過(guò)一般路肩范圍0.5 m,具有一定的危險(xiǎn)潛在性,但基本滿足車(chē)輛防護(hù)效果。

此外,圖8(a)、圖8(b)分別為10 t中型客車(chē)碰撞護(hù)欄跨中位置及立柱位置的位移時(shí)程響應(yīng)曲線。

圖8 中型客車(chē)位移曲線Fig.8 Displacement curve of medium bus

從圖8中可以看出,Y1工況碰撞點(diǎn)處的位移最先增加至最大位移0.6 m,隨著碰撞過(guò)程持續(xù),前節(jié)點(diǎn)處最大位移達(dá)1.2 m,變形量大于1 m不滿足規(guī)范安全評(píng)價(jià)要求,說(shuō)明護(hù)欄對(duì)中型客車(chē)防撞性能較差。Y2工況下12號(hào)節(jié)點(diǎn)處的位移較小,最大位移為0.3 m,而前節(jié)點(diǎn)處最大位移達(dá)0.8 m。相較于Y1工況,Y2工況下的護(hù)欄變形量降低,說(shuō)明A級(jí)波形梁護(hù)欄剛性較弱,10 t客車(chē)撞擊波形梁跨中位置時(shí)具有沖出路外可能性。立柱位置護(hù)欄剛性較強(qiáng),變形量小,由車(chē)輛自身吸收多數(shù)碰撞能量,對(duì)乘員具有一定危險(xiǎn)性。

同理,圖9(a)、圖9(b)分別為10 t中型貨車(chē)碰撞護(hù)欄跨中位置及立柱位置的位移時(shí)程響應(yīng)曲線。

圖9 中型貨車(chē)位移曲線Fig.9 Displacement curve of medium truck

Z1工況11號(hào)節(jié)點(diǎn)護(hù)欄最大位移達(dá)1.345 m,超過(guò)護(hù)欄安全評(píng)價(jià)要求1 m范圍,說(shuō)明該護(hù)欄防撞性能不合格。Z2工況車(chē)輛撞擊12號(hào)鋼管位置,11號(hào)節(jié)點(diǎn)護(hù)欄最大位移0.668 m,12號(hào)鋼管位置最大位移達(dá)0.31 m,12號(hào)節(jié)點(diǎn)位移0.186 m。綜合而言,相比X1工況,護(hù)欄位移變形量均降低50%,說(shuō)明碰撞過(guò)程中車(chē)輛吸收了大部分撞擊能量。

綜上可知,不同車(chē)型與碰撞位置不同導(dǎo)致位移變形圖分布特征明顯,1.5 t車(chē)型撞擊下護(hù)欄最大位移為0.7 m,10 t車(chē)型最大位移均超過(guò)1 m,最高達(dá)1.35 m,10 t車(chē)型不同碰撞位置引起的最大位移相差50%。

3.3 應(yīng)力時(shí)程曲線

護(hù)欄應(yīng)有效阻擋和導(dǎo)向車(chē)輛并自身不發(fā)生斷裂或破壞,通過(guò)護(hù)欄的彈性、塑性變形有效阻止車(chē)輛沖出路外,所以車(chē)輛碰撞過(guò)程中護(hù)欄應(yīng)力強(qiáng)度應(yīng)小于材料的極限強(qiáng)度。圖10為1.5 t小型客車(chē)撞擊波形梁跨中位置及立柱位置護(hù)欄所有節(jié)點(diǎn)應(yīng)力變化情況。

圖10 小型客車(chē)應(yīng)力曲線Fig.10 Stress curve of mini-car

X1工況下11、12、13號(hào)節(jié)點(diǎn)處的最大應(yīng)力分別為224、212、95.7 MPa。12號(hào)碰撞節(jié)點(diǎn)應(yīng)力最先達(dá)到224 MPa,接近護(hù)欄材料Q235鋼的屈服強(qiáng)度235 MPa,3處節(jié)點(diǎn)均為超過(guò)護(hù)欄屈服強(qiáng)度,護(hù)欄處于彈性變形階段,變形后可恢復(fù);X2工況下,11號(hào)節(jié)點(diǎn)、12號(hào)節(jié)點(diǎn)最大值分別為247 MPa和66.8 MPa。11號(hào)節(jié)點(diǎn)在t=0.17 s時(shí)應(yīng)力接近屈服強(qiáng)度,節(jié)點(diǎn)處應(yīng)力在200～250 MPa波動(dòng)持續(xù)了0.1 s,最高達(dá)247 MPa超過(guò)材料屈服極限,在0.1 s的時(shí)間內(nèi)材料發(fā)生了塑性變形,此階段應(yīng)力的增加可導(dǎo)致較大的變形。與X1工況相比較,X2工況波形梁板受到應(yīng)力更大,最大應(yīng)力超過(guò)護(hù)欄屈服強(qiáng)度,發(fā)生了塑性變形。

同理,圖11(a)、圖11(b)分別為10 t中型客車(chē)碰撞護(hù)欄跨中位置及立柱位置的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力變化情況。

圖11 中型客車(chē)應(yīng)力曲線Fig.11 Stress curve of medium bus

Y1工況下11號(hào)、12號(hào)、13號(hào)節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)力分別為329.1、182.1、68.6 MPa。11號(hào)節(jié)點(diǎn)處應(yīng)力剛碰撞時(shí)均處于200 MPa內(nèi),在t=0.33 s時(shí)應(yīng)力才超過(guò)屈服強(qiáng)度,僅持續(xù)0.02s左右,此時(shí)發(fā)生了塑性變形,最大值接近護(hù)欄材料的破壞強(qiáng)度,較小應(yīng)力的增長(zhǎng)可能產(chǎn)生較大的變形量,具有高風(fēng)險(xiǎn)性;Y2工況下,11號(hào)、12號(hào)節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)力分別為221.9 MPa與100 MPa。所有節(jié)點(diǎn)均處于彈性變形階段。

圖12(a)、圖12(b)分別為10 t中型貨車(chē)碰撞護(hù)欄跨中位置及立柱位置的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力變化情況。

圖12 中型貨車(chē)應(yīng)力曲線Fig.12 Stress curve of medium truck

Z1工況下,11號(hào)、12號(hào)、13號(hào)節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)力分別為328.3、215、77.1 MPa。11號(hào)節(jié)點(diǎn)在t=0.25 s后,最大應(yīng)力在200～300 MPa波動(dòng),超過(guò)護(hù)欄材料屈服強(qiáng)度,在該區(qū)間內(nèi)持續(xù)了0.1 s,此時(shí)波形梁板處于塑性變形階段,該階段應(yīng)力的增加可導(dǎo)致較大的變形,從位移變形圖中亦得到驗(yàn)證,在0.1 s時(shí)間內(nèi)最大變形量接近1 m,具有較高風(fēng)險(xiǎn)性;Z2工況下,11號(hào)、12號(hào)最大應(yīng)力分別為221.9 MPa與193.6 MPa,所有節(jié)點(diǎn)應(yīng)力均小于屈服強(qiáng)度內(nèi),處于彈性變形階段,護(hù)欄防護(hù)性滿足要求。

結(jié)合上述6種工況的應(yīng)力變形曲線可以看出,不同噸重車(chē)型與撞擊位置對(duì)應(yīng)力變化曲線有明顯影響。其中,撞擊點(diǎn)位于立柱位置時(shí),各車(chē)型撞擊下波形梁應(yīng)力情況均不超過(guò)屈服強(qiáng)度,處于彈性變形階段,護(hù)欄防護(hù)性好。當(dāng)撞擊點(diǎn)位于波形梁跨中部分時(shí),10 t車(chē)型撞擊下波形梁應(yīng)力均超過(guò)屈服強(qiáng)度,達(dá)到塑性變形階段,結(jié)合位移變化曲線圖觀察可以看出,10 t車(chē)輛在碰撞過(guò)程末尾均出現(xiàn)較大程度的位移增加,即由于波形梁應(yīng)力過(guò)大而導(dǎo)致,表明A級(jí)波形梁護(hù)欄對(duì)10 t重型車(chē)輛防護(hù)性差。

4 結(jié)論

經(jīng)分析,不同車(chē)型撞擊下護(hù)欄沖擊加速度響應(yīng)具有明顯差異,10 t車(chē)型撞擊下護(hù)欄所受的最大沖擊加速度顯著高于1.5 t小客車(chē),可通過(guò)護(hù)欄加速度值判別碰撞事故車(chē)輛類型及危險(xiǎn)程度。除1.5 t小客車(chē)外,10 t車(chē)型碰撞護(hù)欄所受沖擊加速度值均超過(guò)常規(guī)傳感器測(cè)量上限,易造成常規(guī)加速度計(jì)高額的更換與維護(hù)成本,因此當(dāng)前主流護(hù)欄事故檢測(cè)技術(shù)應(yīng)選擇高額加速度值傳感器。

在10 t車(chē)型不同碰撞位置撞擊下,護(hù)欄的最大橫向動(dòng)態(tài)位移相差達(dá)50%。當(dāng)護(hù)欄位于鄰水臨崖等危險(xiǎn)路段路側(cè)時(shí),應(yīng)以波形梁跨中處為碰撞位置,考慮最嚴(yán)重的護(hù)欄變形情況。當(dāng)路側(cè)凈向空間較大時(shí),應(yīng)以立柱為碰撞位置進(jìn)行實(shí)驗(yàn),考慮乘員最嚴(yán)重加速度值。

1.5 t車(chē)型撞擊下護(hù)欄最大位移為0.7 m,10 t車(chē)型最大位移均超過(guò)1 m,最高達(dá)1.35 m。在進(jìn)行護(hù)欄安裝設(shè)計(jì)時(shí),小型車(chē)輛通行較多路段,路側(cè)最邊緣至護(hù)欄空間留有0.5～1 m即可滿足安全導(dǎo)出需求。當(dāng)大型車(chē)輛通行比例較高時(shí),路側(cè)外邊緣至護(hù)欄空間應(yīng)留有1～1.5 m安全距離,以保證車(chē)輛安全導(dǎo)出。

1.5 t車(chē)型撞擊下碰撞點(diǎn)處護(hù)欄應(yīng)力最大值247 MPa,接近護(hù)欄材料屈服應(yīng)力,護(hù)欄材料基本仍處于彈性形變階段,護(hù)欄仍具有較高安全防護(hù)性,碰撞后可僅維修碰撞點(diǎn)處護(hù)欄。在10 t車(chē)型撞擊下最大應(yīng)力為329 MPa,碰撞點(diǎn)及前方處護(hù)欄材料均達(dá)到塑性變形階段甚至接近斷裂狀態(tài),A級(jí)護(hù)欄對(duì)貨車(chē)防護(hù)性能較差,護(hù)欄經(jīng)10 t車(chē)型碰撞后需及時(shí)更換或維修碰撞點(diǎn)及前方一跨護(hù)欄,保證護(hù)欄處于完整防護(hù)能力水平。

研究?jī)H以1.5 t小車(chē)車(chē)型和10 t客車(chē)、貨車(chē)車(chē)型為研究對(duì)象,未來(lái)可考慮重型車(chē)輛和運(yùn)動(dòng)型多用途汽車(chē)(sport utility vehicle,SUV)車(chē)型,進(jìn)一步研究車(chē)型與碰撞位置對(duì)護(hù)欄的動(dòng)力響應(yīng)特性。