工程力學(xué)專業(yè)論文稿正文

1、第一章 緒論1.1 引言隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，各種現(xiàn)代化的交通設(shè)施，如高速公路、城市立交、高架道路在交通運(yùn)輸中所起的作用日益增強(qiáng)，而交通運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展也導(dǎo)致了交通事故的急劇上升，交通安全己經(jīng)成為一個(gè)世界性的大難題。我國(guó)高速公路與普通干線相比，交通事故大量增加，而且呈現(xiàn)逐年上升的趨勢(shì)。可見，我國(guó)的高速公路并未成為安全之路。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在我國(guó)的交通事故中，普通公路上有45%。高速公路上有30%是車輛越出路外造成的，且由此造成的特、重大惡性交通事故占該類事故總數(shù)的比例達(dá)62%以上。因此，在公路上設(shè)置合適的防撞護(hù)欄對(duì)交通事故的防治尤其是對(duì)特、重大惡性交通事故的防治具有相當(dāng)重要的意義。護(hù)欄作為高等級(jí)公路上最重要的

2、安全設(shè)施之一,能夠阻止車輛沖出公路或闖入對(duì)向行駛車道, 具有減少事故損失、保證行車安全的功能, 對(duì)于提高司乘人員的安全感與舒適性, 提高公路運(yùn)輸?shù)慕?jīng)濟(jì)性與社會(huì)效益是不可或缺的。有限元數(shù)值分析的方法在此特指利用業(yè)己存在的大家普遍接受的大型有限元非線性分析軟件進(jìn)行護(hù)欄車輛碰撞的分析。該種方法不但具備一般計(jì)算機(jī)仿真試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)，而且該類軟件往往都具有強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)前后處理功能，可以模擬汽車一半剛性護(hù)欄碰撞過(guò)程中的大量非線性因素，便于進(jìn)行數(shù)值分析。同時(shí)，通用有限元分析軟件一般也都支持二次開發(fā)，可以在相應(yīng)程序的基礎(chǔ)上快速實(shí)現(xiàn)使用者的各種特殊考慮，節(jié)省大量不必要的基礎(chǔ)性勞動(dòng)。1.2 課題研究的背景和意義汽

3、車碰撞防撞護(hù)欄是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程(接觸面不規(guī)則、碰撞力作用點(diǎn)滑行、碰撞掃描中護(hù)欄參與作用的質(zhì)量不斷變化、汽車機(jī)構(gòu)在碰撞中轉(zhuǎn)向和剛度的不穩(wěn)定性等)。1994年，我國(guó)交通部頒布了高速公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)施工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(jtj074-94)作為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)交通安全設(shè)施的設(shè)計(jì)和施工有重要的指導(dǎo)意義，但由于系統(tǒng)試驗(yàn)缺乏，參考的多為西方國(guó)家50年代的試驗(yàn)結(jié)果，在很多方面套用了歐、美、日本80年代規(guī)范的數(shù)據(jù)，特別是在目前被廣泛使用的混凝土墻式護(hù)欄方面，從計(jì)算模式、結(jié)構(gòu)計(jì)算公式乃至大量構(gòu)造規(guī)定都未明確，有些理論已經(jīng)陳舊，缺少使用情況的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，在設(shè)計(jì)條件、碰撞荷載確定、護(hù)欄結(jié)構(gòu)計(jì)算等方面之間缺乏聯(lián)系。路側(cè)事故在公

4、路事故中占了大約30 %的比例,就是說(shuō),每3人死亡事故中,就有1人死于車輛駛離道路的事故。這個(gè)數(shù)據(jù)說(shuō)明了路側(cè)環(huán)境在傷亡和嚴(yán)重事故中起了很重要的作用。美國(guó)的路側(cè)護(hù)欄設(shè)計(jì)認(rèn)為: 如果路側(cè)凈區(qū)寬度超過(guò)一定值, 就不必設(shè)置路側(cè)護(hù)欄了。實(shí)際上由于公路用地及工程費(fèi)用的原因, 大多數(shù)很難滿足其路側(cè)凈區(qū)的要求, 必須設(shè)置路側(cè)護(hù)欄以防護(hù)車輛駛出道路碰撞路側(cè)障礙物。本文就汽車碰撞混凝土防撞護(hù)欄的汽車碰撞力計(jì)算、護(hù)欄內(nèi)力分析及碰撞響應(yīng)的數(shù)值模擬進(jìn)行研究，為新型防撞護(hù)欄的設(shè)計(jì)提供了重要的理論依據(jù)。1.3 護(hù)欄在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用及研究概況剛開始建造高速公路時(shí)，護(hù)欄只是起一種分隔帶的作用。隨著高速公路和高架道路的大量興建和使

5、用，人們逐漸認(rèn)識(shí)到它對(duì)交通安全所起到的重要作用。現(xiàn)在，防撞護(hù)欄己成為高等級(jí)公路及大型橋梁必不可少的安全設(shè)施，七十年代，日本公布了防護(hù)柵設(shè)置綱要，對(duì)防撞護(hù)欄的設(shè)置原則、方式和設(shè)計(jì)條件做出規(guī)定。美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)等也根據(jù)自己國(guó)家的國(guó)情制定了相應(yīng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn).如美國(guó)國(guó)家公路和交通局的高速公路路邊設(shè)計(jì)指南、歐洲設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)等。我國(guó)最早開始修建的高速公路是臺(tái)灣的南北高速公路(高雄基隆)，全長(zhǎng)373公里，1978年竣工。大陸修建高速公路僅有十幾年的歷史。八十年代中期，第一條高速公路滬嘉高速公路開通，接著沈(陽(yáng))大(連)、廣(州)佛(山)、(北)京(天)津唐(山)、翠(莊)松(江)、(北)京石(家莊)、濟(jì)(南)青(

6、島)等高速公路相繼開通.而最近幾年，高速公路的發(fā)展更是突飛猛進(jìn)，縱橫交錯(cuò)的高速公路網(wǎng)己經(jīng)遍布全國(guó)，我國(guó)已經(jīng)進(jìn)人建設(shè)高等級(jí)公路的新時(shí)代.在已建成的高等級(jí)公路、城市快速路以及大型橋梁上，鋼筋混凝土防撞護(hù)欄大量使用，但由于我國(guó)當(dāng)時(shí)尚無(wú)防撞護(hù)欄設(shè)計(jì)規(guī)程，故其設(shè)計(jì)基本上是套用國(guó)外規(guī)范，且各地所套用的規(guī)范不盡一致?，F(xiàn)行高速公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)及施工技術(shù)規(guī)范(jgj074-94)，無(wú)疑對(duì)防撞護(hù)欄設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)作用，但這本規(guī)范所依據(jù)的資料多是引自國(guó)外，尚缺少我國(guó)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究數(shù)據(jù)，有不少規(guī)定尚有待進(jìn)一步實(shí)踐驗(yàn)證。1.3.1 研究方法國(guó)外三，四十年代就已對(duì)護(hù)欄有了專門性研究，西方國(guó)家對(duì)護(hù)欄系統(tǒng)研究和大規(guī)模應(yīng)用始于5

7、0年代，此后交通事故死亡率呈逐年下降趨勢(shì)。近期，由于汽車工業(yè)的發(fā)展，車輛向高速化，車型向兩極化發(fā)展，新材料，新工藝的出現(xiàn)，陳舊的護(hù)欄理論已經(jīng)不能適應(yīng)新時(shí)代的要求，因而歐美、日本等國(guó)在八十年代至今又有了新的研究熱點(diǎn)，對(duì)護(hù)欄性能、計(jì)算分析、構(gòu)造措施都有新的定義。汽車碰撞護(hù)欄是個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，目前，各國(guó)主要采用以下三種研究手段:1 實(shí)車足尺碰撞實(shí)驗(yàn)實(shí)車足尺撞擊試驗(yàn)是用實(shí)際汽車沖撞護(hù)欄來(lái)模擬交通事故的一種研究方法。它可以得到汽車在撞擊過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)軌跡和運(yùn)動(dòng)姿態(tài)、汽車與護(hù)欄的變形和損傷特征以及碰撞沖擊力的數(shù)值等真實(shí)可信的技術(shù)參數(shù)，從而為安全可靠的護(hù)欄結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證其它研究方法所得結(jié)果的可靠性提供了科學(xué)的

8、依據(jù)?，F(xiàn)在，各國(guó)都把系統(tǒng)的實(shí)車撞擊試驗(yàn)作為對(duì)護(hù)欄研究的基本前提。1962年，美國(guó)西部研究所進(jìn)行了一次40001b重的小汽車以25度角、60km/h的速度碰撞鋼制護(hù)欄的試驗(yàn).此后歐、美各國(guó)進(jìn)行了大量的碰撞實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為碰撞中初始條件(汽車質(zhì)量、碰撞速度、碰撞角度)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響很大。清華大學(xué)于1992年就擁有了汽車碰撞實(shí)驗(yàn)研究的能力，隨后，中國(guó)汽車技術(shù)研究中心建立了一套國(guó)內(nèi)最龐大的汽車碰撞實(shí)驗(yàn)裝置。同時(shí)，交通部公路交通試驗(yàn)場(chǎng)、國(guó)家汽車質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心、湖南大學(xué)等單位也建立了各具特色的汽車碰撞實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。我國(guó)進(jìn)行的四次足尺試驗(yàn):1997年7月，羅曼自卸車(空車，重8噸)以30度角、50km/h的速度兩次

9、沖擊纜索護(hù)欄，以供合(肥)寧(南京)公路護(hù)欄設(shè)計(jì)作依據(jù)，1992-1993年，交通部公路研究所在北京，海南做了兩次共27輛實(shí)車沖擊鋼制波形梁護(hù)欄的實(shí)驗(yàn)，研究鋼制波形梁護(hù)欄的防撞性能，以編制相關(guān)部頒標(biāo)準(zhǔn)；1994年，上海市同濟(jì)大學(xué)實(shí)施了2輛實(shí)車沖擊混凝土墻式護(hù)欄的實(shí)驗(yàn)，為設(shè)計(jì)上海市內(nèi)環(huán)線高架橋護(hù)欄提供依據(jù)， 2001年北京深華達(dá)交通工程有限公司在開發(fā)橋梁混凝土防撞護(hù)欄時(shí)進(jìn)行了8組實(shí)車碰撞實(shí)驗(yàn)。由于實(shí)車足尺碰撞實(shí)驗(yàn)耗費(fèi)高，每一次碰撞實(shí)驗(yàn)需要耗資約20萬(wàn)元以上，而且不能重復(fù)性操作，因此在我國(guó)足尺實(shí)驗(yàn)應(yīng)用并不廣泛.計(jì)算機(jī)仿真模擬試驗(yàn)已經(jīng)被世界各國(guó)廣泛應(yīng)用于護(hù)欄研究領(lǐng)域，且取得了長(zhǎng)足進(jìn)展，成為一種經(jīng)濟(jì)有

10、效的實(shí)驗(yàn)手段。2 縮尺模型試驗(yàn)縮尺模型試驗(yàn)具有試驗(yàn)成本低、試驗(yàn)過(guò)程易于控制、變換參數(shù)容易、可采用多組試件反復(fù)進(jìn)行等眾多優(yōu)點(diǎn)，是對(duì)護(hù)欄進(jìn)行沖擊特性、撞擊剛度、能量吸收能力等物理力學(xué)特性研究的一種經(jīng)濟(jì)有效的試驗(yàn)方法。當(dāng)然因?yàn)閹缀纬叨?、材料特性和邊界條件等的不同，其結(jié)果并不完全可靠，仍需要足尺模型的檢驗(yàn)，一般被計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)所取代。3 計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)有限元數(shù)值分析的方法一種有效而又快速經(jīng)濟(jì)的研究方法。國(guó)外已將這類軟件大量運(yùn)用于半剛性護(hù)欄的受力特征、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、護(hù)欄新材料的開發(fā)、護(hù)欄結(jié)構(gòu)形式的選擇等諸多方面，取得了良好的技術(shù)效果和經(jīng)濟(jì)效益，ansys有限元數(shù)值分析軟件便是其中之一。計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)可模擬不

11、同車型、不同初始條件的碰撞全過(guò)程，從而節(jié)省大量經(jīng)費(fèi)，目前護(hù)欄研究一般用其進(jìn)行初步理論分析，再輔以實(shí)車實(shí)驗(yàn)來(lái)完成驗(yàn)證工作。表1-1美國(guó)研究機(jī)構(gòu)開發(fā)的計(jì)算機(jī)仿真程序仿真程序名開發(fā)機(jī)構(gòu)適用對(duì)象模型hvosmcalspan簡(jiǎn)單車輛，剛性護(hù)欄三維固體元測(cè)量barrier vuniv.of.cal簡(jiǎn)單車輛，剛性護(hù)欄二維有限元程序ravensco沖擊車輛后車輛的位移三維剛體元rav2swrirav的改進(jìn)型，考慮沖擊過(guò)程中荷載的動(dòng)態(tài)變換三維剛體元barrier vrvaensco三維元車輛，二維元彈性護(hù)欄相互作用三維剛車輛二維元護(hù)欄barrier vensco三維元車輛，二維元彈性護(hù)欄相互作用二維剛車輛二維元

12、護(hù)欄guardiitri帶減震器的簡(jiǎn)單車輛的詳細(xì)模型，彈性或剛性護(hù)欄三維有限元車輛護(hù)欄crunchiitri列車車輛，彈性或剛性護(hù)欄三維有限元tigerswri簡(jiǎn)單車輛沖撞后運(yùn)動(dòng)三維元六自由度車輛二維元護(hù)欄usinuniv.of.cinn三維元分隔帶，沖撞后成員響應(yīng)復(fù)數(shù)剛體分解程序rometheus2univ.of.mic二維元，行車沖撞后響應(yīng)mrrbsmhsri crashvictim simmulaterhsri三維元分隔帶，沖撞后成員響應(yīng)mrrbsmcrashtti二維元車輛沖撞模型車輛我國(guó)對(duì)防撞護(hù)欄的理論研究起步較晚，到目前為止基本上都是運(yùn)用動(dòng)力學(xué)知識(shí)，通過(guò)簡(jiǎn)化碰撞過(guò)程來(lái)建立仿真模型和

13、動(dòng)力方程進(jìn)行數(shù)值模擬，而且由于缺少系統(tǒng)的實(shí)車碰撞試驗(yàn)作依托，理論上還有很多問(wèn)題尚未解決.交通部在七五期間曾立項(xiàng)對(duì)“鋼制波形梁的防撞性能”進(jìn)行研究(限于當(dāng)時(shí)條件，未做過(guò)試驗(yàn))以及交通部?jī)纱螌?shí)車碰撞試驗(yàn)，基本上填補(bǔ)了我國(guó)在這方面的空白，文獻(xiàn)研究了不同類型的半剛性護(hù)欄，給出了模擬汽車碰撞半剛性護(hù)欄波形梁過(guò)程的數(shù)值方法，由于混凝土護(hù)欄屬于剛性護(hù)欄，其作用機(jī)理與半剛性護(hù)欄有著根本的不同，并不適用于混凝土護(hù)欄。同濟(jì)大學(xué)周德源、錢江和高云批教授也采用ansys程序，建立了東海大橋的單跨橋完整計(jì)算模型和跨中局部橋段計(jì)一算模型，進(jìn)行了汽車與平剛性護(hù)欄撞擊的彈性靜力分析、非線性靜力分析和動(dòng)力響應(yīng)分析，研究了護(hù)欄與

14、汽車撞擊的瞬時(shí)特性。1993年，同濟(jì)大學(xué)結(jié)構(gòu)工程學(xué)院的張譽(yù)教授及其領(lǐng)導(dǎo)的課題組開展了汽車撞擊鋼筋混凝土護(hù)欄的計(jì)算機(jī)仿真研究，在他們的研究中鋼筋混凝土護(hù)欄被視為彈性變形體，并將汽車簡(jiǎn)化為一個(gè)簡(jiǎn)單的彈簧質(zhì)量系統(tǒng)，利用機(jī)械振動(dòng)學(xué)方法及多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法，計(jì)算出碰撞過(guò)程中汽車對(duì)護(hù)欄的碰撞力，但方程中一些參數(shù)(包括汽車局部剛度k2系數(shù))的選取完全引用國(guó)外50年代的經(jīng)驗(yàn)值，所得結(jié)果誤差較大，只是與它們的一組實(shí)驗(yàn)值接近。1.3.2 護(hù)欄分類與設(shè)計(jì)護(hù)欄分類安全護(hù)欄的形式按剛度的不同可分為柔性護(hù)欄、半剛性護(hù)欄和剛性護(hù)欄。1) 柔性護(hù)欄一般指纜索護(hù)欄,是一種以多根施加了預(yù)應(yīng)力的纜索固定于支柱上的結(jié)構(gòu),完全依靠纜索

15、的拉應(yīng)力來(lái)抵抗車輛碰撞,形式美觀,行駛時(shí)沒(méi)有壓迫感,但視線誘導(dǎo)較差,造價(jià)較高,一般不用。2) 半剛性護(hù)欄一般指梁式護(hù)欄,是一種用支柱固定的梁式結(jié)構(gòu),依靠護(hù)欄的彎曲變形和張拉力來(lái)抵抗車輛的碰撞。梁式護(hù)欄有許多種,應(yīng)用最廣泛的為波形梁護(hù)欄。具有一定的剛性和韌性,損壞后容易更換,能誘導(dǎo)視線,外形美觀。3) 剛性護(hù)欄一般指鋼筋混凝土墻式護(hù)欄,是一種具有一定斷面形狀的鋼筋混凝土墻式結(jié)構(gòu),依靠汽車爬高、變形和摩擦來(lái)吸收碰撞能量。這種護(hù)欄安全性高,能有效防止二次事故,本身不易損壞,維修費(fèi)用低,但對(duì)車輛行駛有壓迫感,對(duì)車輛損壞較嚴(yán)重。與其它形式的護(hù)欄相比，混凝土護(hù)欄的保養(yǎng)成本最低。因?yàn)榻煌ㄊ鹿仕鸬幕炷磷o(hù)

16、欄結(jié)構(gòu)損壞很小，主要為表面擦傷，只有個(gè)別情況為頂部斷裂，因此其維修成本也較低，與金屬護(hù)欄相比，維修成本為1比13，而且事故率小，因此具有極大的優(yōu)越性。設(shè)計(jì)條件高速公路上的安全護(hù)欄既要阻止高速行駛的車輛越出路外,或穿越中央分隔帶闖入對(duì)向車道,還要能誘導(dǎo)駕駛員的視線,使車輛回到正常行駛方向,并將事故中惡性程度降低到最小?？傊?高速公路安全護(hù)欄是減少交通事故和降低事故惡性程度的有效措施,但在不該設(shè)置護(hù)欄的地方設(shè)置護(hù)欄,反而成為新的障礙物,增加了事故危險(xiǎn)。因此,對(duì)安全護(hù)欄的設(shè)計(jì)首先要掌握護(hù)欄的特點(diǎn),結(jié)合高速公路的交通條件,在滿足護(hù)欄基本功能的前提下,選用合適的護(hù)欄形式,并采取合理的設(shè)置原則。護(hù)欄形式選

17、擇最理想的護(hù)欄形式是既滿足功能需要又成本最低,而且美觀大方,并能誘導(dǎo)行車視線。纜索護(hù)欄適合有不均勻下沉、積雪、長(zhǎng)直線、有特殊美觀要求的路段；鋼筋混凝土護(hù)欄適合特別危險(xiǎn)的跨河大橋、懸崖等路段；波形護(hù)欄有更大的適用性,基本上適合所有路段,特別是小半徑彎道和需要誘導(dǎo)視線的路段。根據(jù)規(guī)范要求和湖南省多條高速公路安全護(hù)欄設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),一般路段路側(cè)采用波形梁護(hù)欄,個(gè)別特別困難危險(xiǎn)路段采用混凝土護(hù)欄。截面形式 鋼筋混凝土剛性防撞護(hù)欄，其截面形狀和幾何尺寸對(duì)充分發(fā)揮防撞護(hù)欄的作用有著至關(guān)重要的作用。隨著經(jīng)驗(yàn)的積累，護(hù)欄的截面形式不斷改進(jìn)。美國(guó)最初采用的是一片垂直的墻體(圖1-1)，它能有效地防止事故車輛翻越護(hù)欄，

18、但這種形式的護(hù)欄使事故車輛與護(hù)欄相撞時(shí)的減加速度過(guò)大，對(duì)乘員和車輛的危害較大。日本和前蘇聯(lián)還采用過(guò)圖1-2和圖1-3所示截面的鋼筋混凝土護(hù)欄。圖1-1 圖1-2 圖1-3但是這些截面都存在著與圖1-1截面相似的缺點(diǎn)。1955年，美國(guó)新澤西州開始尋求一種混凝土安全型護(hù)欄，并建成了20英里以上的護(hù)欄，其外型如圖1-4所示，這種外型的護(hù)欄現(xiàn)在被稱為“nj型”(新澤西州型)。在這種“安全外形”中，事故車輛最初撞擊底部75mm高的直立側(cè)面上，如果這種初步的阻力被克服，則護(hù)欄會(huì)爬上550的斜面。當(dāng)撞擊的角度小，車速低時(shí)，由于車輪的升高而吸收了碰撞能量，當(dāng)車速高和沖撞角度大時(shí)，這種能量吸收幾乎不起什么作用，

19、護(hù)欄主要靠其上部幾乎垂直的側(cè)面完成汽車的改向和減速，并讓事故車退回車道，與護(hù)欄平行行駛。1967年在加里佛尼亞所做的試驗(yàn)表明這種護(hù)欄設(shè)計(jì)能有效地使小于10度角撞擊護(hù)欄的中型轎車改變方向，并且汽車不受或受到極輕微的損傷，而護(hù)欄則不受損傷，但當(dāng)以103公里/小時(shí)的撞擊速度和25度角的撞擊角度進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，汽車的損傷是嚴(yán)重的，其程度與以同樣的速度、同樣的角度進(jìn)行試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)梁式護(hù)欄相似。這種形式的護(hù)欄在英、美、澳、法、意、德等國(guó)得到了推廣。在此基礎(chǔ)上，美國(guó)又提出了“f型”(florida型，即新澤西州改進(jìn)型)截面的護(hù)欄(圖1-5)。另外常用的截面形式還有“gm型”(圖1-6)(通用汽車公司型)。 圖1-

20、4（nj型） 圖1-5（f型） 圖1-6（gm型）國(guó)內(nèi)京石、沈大高速公路及北京、天津、廣州等城市已大量使用nj 型混凝土護(hù)欄。通過(guò)效果調(diào)查及理論分析, 表明在中國(guó)道路交通條件下,nj 型和f型混凝土護(hù)欄的使用效果比較好。通用汽車型即gm型護(hù)欄，從地面到坡度轉(zhuǎn)折點(diǎn)的距離是330mm，這個(gè)較高的距離對(duì)二十世紀(jì)七十年代的小汽車有明顯的抬升。在沖擊試驗(yàn)中，這些小汽車撞擊gm型護(hù)欄后，變得不穩(wěn)定，想要翻倒，結(jié)果gm型被停止使用。在進(jìn)行參數(shù)研究（參數(shù)的系統(tǒng)性變化）過(guò)程中，對(duì)不同斷面形狀的結(jié)構(gòu)，按a到f標(biāo)號(hào)，計(jì)算機(jī)模擬發(fā)現(xiàn)標(biāo)號(hào)為g的結(jié)構(gòu)明顯好于nj型。一系列真實(shí)的沖擊試驗(yàn)也證實(shí)了這個(gè)結(jié)果，因此圖形f的結(jié)構(gòu)被

21、稱作f型。雖然f型性能優(yōu)于nj型，但它并不被廣泛應(yīng)用。這是因?yàn)橹菡畬?duì)nj型很滿意，而且nj型也能滿足沖擊試驗(yàn)的要求。另外，承包商也不想改變，因?yàn)橥a(chǎn)nj型相比，f型在斷面上比nj型有大得多的投資。如圖所示，nj型和f型斜面的坡度相同，主要不同在于坡度轉(zhuǎn)折點(diǎn)的位置。f型為180mm，比nj型少75mm。較低的坡度轉(zhuǎn)折點(diǎn)能夠顯著地降低對(duì)汽車的抬升量，從而大大地提高了混凝土護(hù)欄的性能。混凝土護(hù)欄根據(jù)設(shè)計(jì)要求可不配或少配鋼筋, 預(yù)制件一般因吊裝所需, 要配少量鋼筋；就地澆注者, 一般不配, 但如需提高強(qiáng)度可配少量鋼筋。護(hù)欄基礎(chǔ)是保證護(hù)攔壽命, 充分發(fā)揮其作用的重要組成部分, 其與護(hù)攔連接采用兩種方

22、式:( 1) 護(hù)欄嵌鎖在基礎(chǔ)中；(2) 通過(guò)傳力鋼筋與基礎(chǔ)相連。混凝土護(hù)欄的防撞機(jī)理車輛與混凝土護(hù)欄的碰撞是一個(gè)很復(fù)雜的過(guò)程,現(xiàn)在以最常用的新澤西護(hù)欄為例來(lái)進(jìn)行說(shuō)明。車輛與護(hù)欄接觸時(shí), 保險(xiǎn)杠與護(hù)欄接觸而受壓, 護(hù)欄的上坡面擠壓保險(xiǎn)杠使之變形, 產(chǎn)生向上的提升力, 另外下坡面擠壓汽車的懸架系統(tǒng)也會(huì)使之提升, 從而將汽車的動(dòng)能部分轉(zhuǎn)化為勢(shì)能。在這個(gè)過(guò)程中, 由剛體的動(dòng)量矩定理, 車體后部向護(hù)欄靠近, 使車體導(dǎo)向。然后車平行護(hù)欄后沿護(hù)欄滑行, 再以一定角度脫離護(hù)欄。如果保險(xiǎn)杠強(qiáng)度相對(duì)較弱，在任何抬升發(fā)生前，前端開始撞擊；當(dāng)車輪與護(hù)欄幾乎平行時(shí)，車輪碰撞較低斜面，大部分的附加抬升量是由低斜面壓迫前伸

23、出部分引起的。如果護(hù)欄斜面粗糙，輪側(cè)摩擦力產(chǎn)生另外的提升，所以應(yīng)避免外露集料和初步表面修整。與鋼護(hù)欄主要由護(hù)欄自身吸收碰撞能量不同, 它通過(guò)能量的轉(zhuǎn)換達(dá)到減小汽車損害的目的, 這種護(hù)欄允許車輛在下部斜面向上爬升而減少了車輛的損壞, 同時(shí)護(hù)欄維修的工作量小, 因此得以廣泛使用。就安全性能而言，高為1070mm的f 型護(hù)欄是當(dāng)前最好型式的混凝土護(hù)欄。1.4 本文研究的主要內(nèi)容本文針對(duì)混凝土護(hù)欄研究?jī)?nèi)容包括以下兩個(gè)方面：理論碰撞力的計(jì)算；計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)。1. 正面碰撞理論：將汽車簡(jiǎn)化為質(zhì)量彈簧單自由度模型分析，給出變形量與加速度計(jì)算式。2. 偽靜力法計(jì)算：我國(guó)采用的傳統(tǒng)計(jì)算方法，給出沖擊力的計(jì)算式。

24、3. 汽車撞擊分析：采用ansys計(jì)算機(jī)模擬汽車沖撞剛性墻的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。4. 護(hù)欄受沖擊力響應(yīng)：ansys瞬態(tài)分析方法，得出護(hù)欄受沖擊響應(yīng)的一些重要數(shù)據(jù)。第二章 理論碰撞力計(jì)算2.1 汽車對(duì)固定端壁的正面碰撞理論國(guó)內(nèi)外對(duì)于汽車碰撞問(wèn)題大都集中在正面碰撞的研究上，實(shí)車碰撞實(shí)驗(yàn)較多而且理論相對(duì)比較成型。因此在研究汽車與混凝土防撞護(hù)欄的碰撞前有必要了解一下汽車對(duì)固定墻壁面碰撞的理論。在汽車對(duì)固定墻壁的碰撞中，通常把汽車作為剛體處理，力學(xué)模型可以簡(jiǎn)化如圖2-1所示m圖2-1 汽車對(duì)固定墻壁正面碰撞的力學(xué)模型圖中m為汽車質(zhì)量，k為質(zhì)量可以忽略不計(jì)的彈簧系數(shù)。在這里認(rèn)為彈簧只有很少一點(diǎn)反彈現(xiàn)象。此外，彈簧一

25、般是非線性的，所以k并不是常數(shù)，而是變形量與變形速度的函數(shù)。如果能求出各種車型的k值，則當(dāng)發(fā)生汽車對(duì)固定墻壁正面相撞，只要測(cè)出車輛前端的變形就可求得碰撞前的車速，在靜止?fàn)顟B(tài)下求彈簧系數(shù)時(shí)，測(cè)出加在彈簧上的外力即可。彈簧系數(shù)的動(dòng)態(tài)測(cè)量如圖2-1所示，使質(zhì)量彈簧系統(tǒng)與固定墻相撞，同時(shí)測(cè)量質(zhì)量的速度和位移。質(zhì)量與減速度的乘積相當(dāng)于加在彈簧上的力，這樣即可得到加在彈簧上的外力，從而求出彈簧系數(shù).在用這種方法時(shí)，也可以不必直接測(cè)量彈簧的變形量，而用減速度積分兩次來(lái)求出變形量，即，這里v是在碰撞過(guò)程中，對(duì)應(yīng)于時(shí)間t的速度，v0是碰撞前的車速，t是由碰撞開始算起的時(shí)間，a是減加速度，x是從碰撞開始點(diǎn)算起的質(zhì)

26、量m的位移量，也就是彈簧的變形。由上述計(jì)算方法可知，只要測(cè)出碰撞前的速度與碰撞過(guò)程中減速度對(duì)時(shí)間的關(guān)系，即可求出彈簧系數(shù)。多年來(lái)由許多對(duì)固定墻壁及同型汽車之間正面相撞的試驗(yàn)資料表明，由于碰撞引起車身做各種形式的振動(dòng)，所以減速度呈現(xiàn)出周期變化的狀態(tài)。除此之外，車身各部結(jié)構(gòu)的變形也是不均勻的，比如受某一力的作用引起了屈曲變形，或某個(gè)構(gòu)件折斷使變形阻力急劇下降等，這些都將使變形阻力不能圓滑地變化，但是如果去掉這些變化，則可以把代表車身前部變形的彈簧看成是線性的，并且?guī)缀跏侵豢蓧嚎s不可恢復(fù)的單向彈簧。單位汽車質(zhì)量所對(duì)應(yīng)的彈簧系數(shù)，也就是減速度的增加率與變形量的關(guān)系，對(duì)不同型號(hào)的汽車幾乎看不出什么差別這

27、說(shuō)明車身前部抵抗變形的強(qiáng)度，隨車身質(zhì)量成比例地增加。此外，在試驗(yàn)所用的碰撞速度范圍內(nèi)，單位汽車質(zhì)量的彈簧系數(shù)幾乎不隨碰撞速度變化。因此，可將單向彈簧看成圖2-2所示的單向線性彈簧。圖中cd部分表示單向彈簧還有少量恢復(fù)。畫有斜線的區(qū)域abcd的面積代表由于彈簧變形造成的每單位汽車質(zhì)量的能量損失，這一損失當(dāng)然應(yīng)該等于碰撞之前單位汽車質(zhì)量具有的動(dòng)能。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，單向線性彈簧對(duì)應(yīng)于單位汽車質(zhì)量的彈簧系數(shù)約為401.8m/s2/m(41.og/m)。因設(shè)彈簧為線性的，所以汽車在碰撞過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)可通過(guò)較簡(jiǎn)單的計(jì)算來(lái)求得。如將彈性恢復(fù)部分忽略不計(jì)，則運(yùn)動(dòng)方程示為: 設(shè)初始條件為t=0時(shí)，x=0, ,解此運(yùn)

28、動(dòng)方程為，這里，表示碰撞前的速度。減加速度為：將減加速度隨時(shí)間變化的規(guī)律畫成曲線，可得圖所示的1/4正弦曲線。現(xiàn)取401.8m/m，則=20rad/s，又根據(jù)可知，碰撞的延續(xù)時(shí)間0.08s,由401.8 m/m，可求得最大變形量和最大減加速度為=0.0143，=這里的單位為km/h,的單位為m，單位則用g（9.8m/）表示，用實(shí)際的汽車做碰撞試驗(yàn)所得的結(jié)果與上式計(jì)算值相比基本是一致的，如圖2-3，圖2-4所示，試驗(yàn)結(jié)果包括了美國(guó)、日本和歐洲車所做的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。2.2 偽靜力法計(jì)算碰撞力目前我國(guó)現(xiàn)行頒布行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)參考英國(guó)橋規(guī)，采用偽靜力法計(jì)算汽車沖擊荷載.根據(jù)汽車碰撞護(hù)欄的過(guò)程，及與護(hù)欄成一定的角度

29、(一般為15-25度)斜向接觸開始，到汽車沖撞后轉(zhuǎn)向到順著防撞護(hù)欄滑行一段距離而終止的這一運(yùn)動(dòng)軌跡，擬定計(jì)算簡(jiǎn)圖:圖2-6 汽車碰撞護(hù)欄計(jì)算簡(jiǎn)圖其中：車的重心d車輛重心到碰撞點(diǎn)的距離 2b車的寬度 碰撞角 碰撞前后車輛的行駛速度 s車輛從碰撞護(hù)欄到與護(hù)欄平行行駛時(shí)車輛質(zhì)心的橫向位移 護(hù)欄受碰撞后沿x方向的變形車輛質(zhì)心在橫向移動(dòng)的距離s=dsin+bcos-b+引入以下基本假定:1. 從車輛碰撞護(hù)欄到改變方向平行于護(hù)欄，車輛的縱向和橫向加速度不變，車輛改變方向平行于護(hù)欄時(shí)，其橫向速度為零；2. 車輛碰撞護(hù)欄期間容許車輛發(fā)生變形，但車輛的重心位置不變，且近似為質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)；3. 車輛與護(hù)欄、車輪與道路

30、的摩擦力忽略不計(jì)；4. 剛性護(hù)欄變形為零，柔性護(hù)欄的變形z0。忽略 汽 車 與地面的摩擦作用及汽車與護(hù)欄的摩擦影響時(shí)，x方向僅有碰撞力px作用，由運(yùn)動(dòng)學(xué)方程可知，車輛行駛軌跡變化期間垂直于護(hù)欄的勻減加速度a為:若考慮到剛性護(hù)欄橫向變形很小=0，則傳遞各剛性護(hù)欄的碰撞力為:式中: m汽車的質(zhì)量 ， w=mg規(guī)范中將車輛與護(hù)欄的剛度可理想化為線性彈簧，即碰撞力與時(shí)間的關(guān)系是正弦曲線。則護(hù)欄所受的最大碰撞力為: 按偽靜力法計(jì)算沖擊力，并考慮護(hù)欄橫向變形很小，傳遞給剛性護(hù)欄的沖擊力公式為p=ma式中m汽車的質(zhì)量，w汽車的重量，g重力加速度。上式所求的沖擊力是指沖撞事故的0.2到0.3秒持續(xù)時(shí)間的平均沖

31、擊力，在沖撞過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)峰值沖擊力，約為平均沖擊力的2到3倍。第三章 計(jì)算機(jī)仿真試驗(yàn)3.1 計(jì)算機(jī)仿真概述 所謂仿真是指建立系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型并在模型上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，或者說(shuō)仿真是對(duì)真實(shí)系統(tǒng)或過(guò)程在整個(gè)運(yùn)行時(shí)間內(nèi)的模仿。因此，仿真可分為兩類，一類仿真采用的是物理仿真，它是以物理過(guò)程、幾何尺寸及環(huán)境條件相似為基礎(chǔ)的仿真。第二類采用的是數(shù)學(xué)模型，它是以綜合參量比例相似及信息傳遞規(guī)律相似為基礎(chǔ)的仿真物理仿真的優(yōu)點(diǎn)是形象、直觀，但模型制作費(fèi)用高、周期長(zhǎng)、修改模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)往往很困難。數(shù)學(xué)仿真的優(yōu)點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)、方便、通用性強(qiáng)，但沒(méi)有物理仿真直觀。對(duì)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行研究，可以采用解析的方法，對(duì)于復(fù)雜的系統(tǒng)，往往要采

32、用仿真的方法，即在計(jì)算機(jī)上構(gòu)成仿真模型，然后對(duì)這個(gè)模型進(jìn)行試驗(yàn)，計(jì)算機(jī)為數(shù)學(xué)模型的建立與仿真提供了較大的方便與靈活。由于下列原因需要應(yīng)用仿真技術(shù):(1) 對(duì)尚不存在的系統(tǒng)進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)；(2) 真實(shí)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)時(shí)間太長(zhǎng)、費(fèi)用太大或危險(xiǎn)性大；(3) 真實(shí)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)會(huì)破壞系統(tǒng)的運(yùn)行或使系統(tǒng)無(wú)法恢復(fù)；(4) 真實(shí)系統(tǒng)多次實(shí)驗(yàn)時(shí)，難以保證每次的操作條件都相同。一個(gè)計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，主要包括以下三個(gè)部分:1. 系統(tǒng)模型建立是整個(gè)仿真系統(tǒng)的關(guān)鍵所在，系統(tǒng)模型的正確與否，將直接影響仿真的結(jié)果；2. 仿真模型建立的系統(tǒng)模型，還不能用于計(jì)算機(jī)求解，必須把它轉(zhuǎn)換成適宜于編程并能在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的模型，即仿真模型；3. 結(jié)果

33、顯示與分析，建立仿真模型進(jìn)行仿真試驗(yàn)后，需要把仿真結(jié)果以適當(dāng)?shù)姆绞捷敵?。通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果的分析，可以確認(rèn)系統(tǒng)模型的可靠性并取得試驗(yàn)結(jié)果。3.2 有限元與ansys從1965年“有限元”這個(gè)名詞第一次出現(xiàn)，到今天有限元在工程上得到廣泛應(yīng)用，有限元經(jīng)歷了四十年的發(fā)展歷史，其理論和算法都已經(jīng)日趨完善。有限元的核心思想是結(jié)構(gòu)的離散化，就是將實(shí)際結(jié)構(gòu)假想地離散為有限數(shù)目的單元組合體，實(shí)際結(jié)構(gòu)的物理性能可以利用對(duì)離散體進(jìn)行分析所得出的滿足工程精度的近似結(jié)果來(lái)代替，這樣，就可以解決很多實(shí)際工程需要解決而理論分析又無(wú)法解決的復(fù)雜問(wèn)題。二十一世紀(jì)的一個(gè)重大變革是全球市場(chǎng)的統(tǒng)一，它使市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)更加激烈，產(chǎn)品更新更快。

34、在這種背景下，cad(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))技術(shù)得到迅速普及和極大發(fā)展。ansys軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國(guó)ansys開發(fā)，它能與多數(shù)cad軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如pro/engineer, nastran, alogor, ideas, autocad等， 是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的高級(jí)cad工具之一。軟件主要包括三個(gè)部分：前處理模塊，分析計(jì)算模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型；分析計(jì)算模塊包括結(jié)構(gòu)分析（可進(jìn)行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）

35、、流體動(dòng)力學(xué)分析、電磁場(chǎng)分析、聲場(chǎng)分析、壓電分析以及多物理場(chǎng)的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力；后處理模塊可將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部）等圖形方式顯示出來(lái)，也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。軟件提供了100種以上的單元類型，用來(lái)模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料。ansys軟件含有多種分析能力，包括簡(jiǎn)單線性靜態(tài)分析和復(fù)雜非線性動(dòng)態(tài)分析?？捎脕?lái)求結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場(chǎng)及碰撞等問(wèn)題的解答。它包含了預(yù)處理、解題程序以及后處理和優(yōu)化等模塊，將有限元分析、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和優(yōu)化技術(shù)相結(jié)合，

36、已成為解決現(xiàn)代工程學(xué)問(wèn)題必不可少的有力工具。ansys公司是由美國(guó)匹茲堡大學(xué)力學(xué)系教授、有限元法的權(quán)威、著名的力學(xué)專家john swanson博士于1970年創(chuàng)建而發(fā)展起來(lái)的，其總部位于美國(guó)賓夕法尼亞洲的匹茲堡市，目前是世界cae行業(yè)最大的公司之一。ansys軟件的最初版本與今天的版本相比有很大的不同，最初版本僅僅提供了熱分析及線性結(jié)構(gòu)分析功能，而且是一個(gè)批處理程序，只能在大型計(jì)算機(jī)上使用。20世紀(jì)70年代初加入了非線性、子結(jié)構(gòu)等功能；20世紀(jì)70年代末，圖形技術(shù)和交互操作方式應(yīng)用到了ansys中，使得ansys的使用進(jìn)入了一個(gè)全新的階段。經(jīng)過(guò)40年的發(fā)展，如今的ansys軟件更加趨于完善，功

37、能更加強(qiáng)大，使用也更加方便。最新版本的推出增加了一些如模態(tài)綜合法、非線性診斷技術(shù)（專家系統(tǒng)）以及多物理場(chǎng)功能等，性能上有了很大的改進(jìn)了提高。3.3 參數(shù)設(shè)定對(duì)福建廈漳、京石、濟(jì)青、京津塘、京沈、沈大、石太和京福高速德州-濟(jì)南段等多條高速公路進(jìn)行車輛碰撞護(hù)欄的事故調(diào)查, 分析統(tǒng)計(jì)后發(fā)現(xiàn): 車輛超速嚴(yán)重, 尤其是小轎車, 甚至達(dá)到175km/ h；客車車速要大于貨車, 小型車高于大型車；按載人數(shù)量加權(quán)的大客車數(shù)量約為總通車量的三分之一, 在護(hù)欄設(shè)計(jì)時(shí)必須要重點(diǎn)加以考慮；車輛碰撞護(hù)欄角度大致服從正態(tài)分布n (1315 , 615),85 %保證率的碰撞角度為20.3。因此建議高速公路護(hù)欄結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的條

38、件為防護(hù)的車輛重量為18t , 初始碰撞角度為20度。護(hù)欄底部的75毫米垂直“槽”，只是為重鋪瀝青面層提供準(zhǔn)線。跟撞擊75毫米高路緣石一樣，這個(gè)垂直槽對(duì)汽車的動(dòng)態(tài)性能產(chǎn)生很小的影響。對(duì)于防撞護(hù)欄的斷面圖，關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)是從地面到坡度轉(zhuǎn)折點(diǎn)的距離，因?yàn)檫@決定了伸出多少部分受壓。對(duì)nj型護(hù)欄，距離是330毫米。對(duì)于長(zhǎng)度大于6米的nj型護(hù)欄，推薦埋入土壤的深度：軟土為254毫米，硬土為102毫米；長(zhǎng)度為六米的f型護(hù)欄為152毫米；長(zhǎng)度大于或等于9米的f型護(hù)欄為102毫米；對(duì)于置于舊鋪面等硬基礎(chǔ)上的護(hù)欄，其底面鋪25毫米厚的瀝青層就可使9米長(zhǎng)的護(hù)欄（nj型或f型）有足夠的穩(wěn)定性。在沖擊試驗(yàn)中當(dāng)單列汽車撞

39、擊混凝土護(hù)欄時(shí)，它朝護(hù)欄方向滾動(dòng)，直到汽車車床底部到達(dá)護(hù)欄頂上才停止，這時(shí)車沿著護(hù)欄頂滑動(dòng)，直到方向變?yōu)榇怪?。發(fā)生這種現(xiàn)象，護(hù)欄必須有一個(gè)最小的高度815mm。在沖擊試驗(yàn)中， 要對(duì)“18輪”或掛車控制和改變行車方向，護(hù)欄最小高度應(yīng)為1070mm。集中力的作用點(diǎn)高度是由實(shí)車試驗(yàn)確定的，一般在歐美各國(guó)對(duì)于大型車輛一般取0.7m，而對(duì)于小汽車一般取0.5m，根據(jù)我國(guó)大量車型調(diào)查，集中力的碰撞高度均取0.7m。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，可以認(rèn)為在汽車沖撞過(guò)程中，護(hù)欄處于彈性范圍，其剛度按實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定取為3.010kn/m。混凝土彎拉強(qiáng)度 fcm=5.0 mpa，混凝土彎拉彈性模量ec=3104 mpa，混凝土

40、的容重=0.002 4 kg/cm3，混凝土的線膨脹系數(shù)c=110-5/，混凝土的泊松比v=0.15。土體彈性模量試驗(yàn)其最小值為144.29兆帕，最大值為194.17兆帕。ansys單元庫(kù)中有專門面向混凝土材料的solid65單元及concrete材料，它是在solid45單元上發(fā)展起來(lái)的。這種單元與普通8節(jié)點(diǎn)線彈性單元相比，除了具有特殊的開裂、壓碎性能以外基本類似。截面厚度按剪力設(shè)計(jì)確定，一般頂面寬度不應(yīng)小于150mm。各國(guó)均根據(jù)自己國(guó)家的道路條件、車型來(lái)確定。表3-1給出了一些國(guó)家的碰撞力設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。表3-1 部分國(guó)家護(hù)欄碰撞力設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)國(guó)家碰撞車輛質(zhì)量（kg）碰撞速度（km/h）碰撞角度（度

41、）碰撞力（kn）日國(guó)19609625784英國(guó)147011320784本文采用英國(guó)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，汽車質(zhì)量1470千克，碰撞速度v=113sin20=38.6km/h，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)碰撞力為268kn。有限元分析時(shí)，假定材料為各向同性，鋼材的彈性模量e 值按如下采用：普通碳素鋼取2.0210mpa；不銹鋼和高強(qiáng)碳素鋼為（1.82.0）10mpa，高強(qiáng)鋼絲和鋼絞線取1.510mpa，泊松比取0.3。汽車模型彈性模量采用普通碳素鋼2.0210mpa，泊松比取0.3。雖然用于市場(chǎng)銷售的汽車也在努力實(shí)現(xiàn)輕量化，但是考慮到安全性和舒適性因素，一般汽車的重量超過(guò)1噸

42、(1000kg)，體積 5.57立方米，密度263.9kg/m，在碰撞過(guò)程中考慮材料屈服，屈服應(yīng)力200mpa,切向模量設(shè)為50mpa。碰撞時(shí)間持續(xù)0.20.3秒。綜上所述，汽車與護(hù)欄各項(xiàng)具體參數(shù)設(shè)置如表3-2、表3-3所示：表3-2 汽車各項(xiàng)參數(shù)質(zhì)量碰撞速度碰撞力彈性模量泊松比1470kg38.6km/h268kn2.02mpa0.3密度屈服應(yīng)力切向模量持續(xù)時(shí)間體積263.9kg/m200mpa50mpa0.2秒5.57m表3-3 護(hù)欄各項(xiàng)參數(shù)集中力高度/厚度剛度彎拉強(qiáng)度彎拉彈性模量0.7米/0.15米3.0kn/m3mpa密度泊松比單元類型有效長(zhǎng)度24000.15solid65,2米3.4

43、 汽車運(yùn)動(dòng)及受力情況仿真模擬本模擬試驗(yàn)采用ansys有限元分析，具體操作過(guò)程：建立有限元模型 由于在碰撞過(guò)程中，只有汽車前部接觸護(hù)欄，可忽略汽車實(shí)際形狀的影響，用長(zhǎng)方體模型代表，具體參數(shù)為：長(zhǎng)4471mm,寬1739mm,高717mm，體積5.57m，單元類型visco107,彈性模量、泊松比、密度、屈服應(yīng)力、切向模量和持續(xù)時(shí)間數(shù)據(jù)見表3-2。本模擬試驗(yàn)對(duì)長(zhǎng)方體模型采用影射網(wǎng)格劃分，單元邊緣線長(zhǎng)度100，單元網(wǎng)格劃分見圖3-1。圖3-1 網(wǎng)格劃分材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖3-2：圖3-2 材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線施加載荷并求解選擇瞬態(tài)分析大應(yīng)變類型，碰撞速度為38.6km/h，碰撞結(jié)束時(shí)間為0.2秒，

44、自動(dòng)載荷步0.01秒，分20步計(jì)算。為了了解汽車的彈性應(yīng)變，可顯示碰撞后的等效應(yīng)力圖。圖3-3 等效應(yīng)力云圖3.5 混凝土護(hù)欄受力及變形情況仿真模擬汽車對(duì)護(hù)欄的沖撞作用實(shí)際上是一個(gè)集中動(dòng)荷載在護(hù)欄上移動(dòng)，由于護(hù)欄高度和其長(zhǎng)度相比較小，故護(hù)欄受汽車碰撞力的影響范圍不會(huì)是護(hù)欄全長(zhǎng)，而是集中力作用點(diǎn)的附近區(qū)域，于是可以假定，只有受集中力作用影響范圍內(nèi)的護(hù)欄區(qū)段參與受力，這樣，就可以把這個(gè)區(qū)段單獨(dú)取出來(lái)進(jìn)行受力分析。進(jìn)一步假定汽車的碰撞荷載為作用于該區(qū)段上的集中荷載,p為汽車對(duì)護(hù)欄的碰撞力，l為碰撞力對(duì)護(hù)欄的影響范圍。如圖3-4：圖3-4 護(hù)欄的懸臂梁計(jì)算模式最大碰撞力為f=268kn進(jìn)行計(jì)算，試驗(yàn)墻

45、體最大橫向位移為0.537mm。建立護(hù)欄有限元模型建立f型護(hù)欄模型，具體各項(xiàng)數(shù)值見圖1-5，其中護(hù)欄頂面厚度不小于150mm，本試驗(yàn)取頂面厚度為150mm。護(hù)欄為混凝土材料，模擬試驗(yàn)采用針對(duì)混凝土的專用單元solid65,彈性模量、泊松比、材料密度等各參數(shù)見表3-3，護(hù)欄取有效作用長(zhǎng)度2米，劃分網(wǎng)格單元線長(zhǎng)度100mm，劃分結(jié)果圖3-5。圖3-5 護(hù)欄網(wǎng)格劃分圖施加載荷并求解采用簡(jiǎn)化法計(jì)算結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)情況，主自由度ux，應(yīng)用于陡坡面,沖擊過(guò)程歷時(shí)0.2秒，護(hù)欄下端完全固定。本試驗(yàn)分三個(gè)載荷步進(jìn)行，載荷fx方向，大小268kn。側(cè)面受力正面受力圖,以表示 圖3-6 護(hù)欄約束及載荷圖 圖3

46、-7 護(hù)欄應(yīng)力變形圖表3-8 護(hù)欄變形數(shù)值表時(shí)間101ux0.00000.000000.80000e-010.422958e-100.160000.118954e-090.200000.168674e-090.280000.135451e-090.360000.113554e-090.440000.123656e-090.520000.122707e-090.600000.119483e-090.680000.118398e-090.760000.112451e-090.840000.112860e-090.920000.104631e-091.00000.979565e-10 圖3-8 護(hù)欄

47、變形曲線此曲線記載了從開始碰撞到1秒時(shí)間護(hù)欄的變形量。阻尼響應(yīng)分析考慮系統(tǒng)阻尼后的響應(yīng)如圖3-9所示，阻尼值0.01。圖3-9 101號(hào)節(jié)點(diǎn)阻尼uy-時(shí)間變化曲線3.6 不同速度質(zhì)量汽車碰撞試驗(yàn)為了研究高速公路護(hù)欄在不同環(huán)境條件下的抗撞擊能力，本模擬試驗(yàn)對(duì)多種不同質(zhì)量、不同速度的汽車碰撞進(jìn)行了分析，并繪制成各種曲線以供參考。表3-9質(zhì)量kg速度m/s密度kg/m變形量(dmx)應(yīng)力mpa180010.72323.21.75118.7180011.1323.21.812122.9180013.9323.22.27153.9180016.7323.22.727184.9180019.4323.23.187199.9180022