[doc]波形梁半剛性護(hù)欄與汽車碰撞的仿真分析及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。doc波形梁半剛性護(hù)欄與汽車碰撞的仿真分析及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化doc波形梁半剛性護(hù)欄與汽車碰撞的仿真分析及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化波形梁半剛性護(hù)欄與汽車碰撞的仿真分析及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化第1期2006年客車技術(shù)與研究?設(shè)計(jì)?計(jì)算?研究?波形粱半剛性護(hù)欄與汽車碰撞的仿真分析及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化謝慶喜,張維剛,鐘志華(湖南大學(xué)現(xiàn)代車身技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南長沙410082)摘要:針對高速公路廣泛使用的波形粱半剛性護(hù)欄建立護(hù)欄一汽車碰撞體系耦合動(dòng)力學(xué)有限元模型,研究護(hù)欄立柱對汽車絆阻效應(yīng)的形成過程,提出解除護(hù)欄立柱對汽車絆阻效應(yīng)的一種有效方法

2、.關(guān)鍵詞:半剛性護(hù)欄;汽車碰撞;仿真分析;有限元法中圖分類號:U461文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:10063331(2006)01001003NumericalSimulationAnalysisandStructureOptimizationofW-beamSemi.rigidGuardrail,vhenCrashedwithVehiclesXIEQingxi,ZHANGWeigang,ZhongZhihua(HunanUniversity,Changsha410082,China)Abstract:AcouplingdynamicsFEMmodelofguardrailandvehiclecr

3、ashingsystemisbuiltinthispaperinaccordancewiththeW-beamsemirigidguardrailusedwidelyinexpressway.Bythisway,theauthorsstudythesnaggingeffectoftherailposttovehicles,andputforwordaneffectivemethodtOsolvethesnaggingeffect.Keywords:semirigidguardrail;vehiclecrashing;simulationanalysis;finiteelementmethod公

4、路護(hù)欄作為重要的交通安全設(shè)施是汽車失控偏離正確行駛方向時(shí)保護(hù)汽車和乘員安全的最后一道防線.一方面它可以吸收部分汽車撞擊能量,減小汽車碰撞減速度峰值;另一方面,它迫使失控車輛恢復(fù)到正確的行駛方向.因此,護(hù)欄的作用在世界受到廣泛重視.早在2O世紀(jì)2O年代美國就開始研究和使用高性能護(hù)欄,我國則自80年代才開始研究護(hù)欄_1.近年來,隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和國家基礎(chǔ)建設(shè)的高投入,越來越多的高速公路投入運(yùn)營,與護(hù)欄相關(guān)的特大惡性交通事故屢屢發(fā)生.因此,根據(jù)我國交通運(yùn)輸特點(diǎn)對高速公路護(hù)欄進(jìn)行研究和改進(jìn),開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的優(yōu)質(zhì)新型護(hù)欄顯得越來越重要.1護(hù)欄分類及其作用機(jī)理根據(jù)設(shè)置位置不同,護(hù)欄可分為路側(cè)護(hù)

5、欄和中央分隔護(hù)欄.按力學(xué)特性,護(hù)欄可分為剛性護(hù)欄,半剛性護(hù)欄和柔性護(hù)欄.剛性護(hù)欄在受撞過程中其結(jié)構(gòu)基本不發(fā)生變形,如混凝土護(hù)欄;半剛性護(hù)欄同時(shí)具有一定的剛性和柔性.剛性可以有效防止失控車輛沖出路外,而柔性又使得護(hù)欄在受到撞擊時(shí)能夠產(chǎn)生較大的變形從而吸收較多的碰撞能,減小汽車碰撞加速度,減輕車內(nèi)乘員的損傷.目前高速公路*鐘志華,男,中國科學(xué)院工程院院士湖南大學(xué)校長,教授,博士生導(dǎo)師.?1O?上普遍使用的波形梁鋼護(hù)欄即是典型的半剛性護(hù)欄.柔性護(hù)欄主要指纜索護(hù)欄,它由數(shù)根施加初始應(yīng)力的纜索固定于立柱構(gòu)成,在受撞時(shí)依靠立柱的變形和纜索的拉應(yīng)力來吸收汽車碰撞能.汽車與護(hù)欄相撞過程一般可分解為四個(gè)階段:車

6、頭角位碰撞,側(cè)面擦過護(hù)欄,車尾角位碰撞,車輛返回車道,如圖l所示.但各種護(hù)欄在具體作用機(jī)理上又有不同.當(dāng)汽車與剛性護(hù)欄相撞時(shí),首先保險(xiǎn)杠與護(hù)欄上坡面接觸受力變形,上坡面對汽車產(chǎn)生提升力.接著懸架與護(hù)欄下坡面接觸,下坡面也對汽車產(chǎn)生提升力,汽車沿坡面向上爬升,部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為勢能,從而減小碰撞劇烈程度.對于柔性半剛性護(hù)欄則主要依靠立柱,護(hù)欄板(纜索)的變形來吸收碰撞能.,-一.(1)車頭角位碰撞(2)側(cè)面擦過護(hù)欄一.:,:2.(3)車尾角位碰撞(4)車輛返回車道圖1汽車碰撞護(hù)欄的四個(gè)階段?設(shè)計(jì)?計(jì)算?研究?客車技術(shù)與研究2006年第1期波形粱半剛性護(hù)欄對失控車輛具有良好的導(dǎo)向和保護(hù)性能,并且安裝方

7、便,施工費(fèi)用低.因此,這種護(hù)欄較其它類型護(hù)欄在高速公路上有著更為廣泛的應(yīng)用.2汽車護(hù)欄碰撞研究方法汽車一護(hù)欄碰撞體系的研究方法有實(shí)車足尺寸碰撞試驗(yàn)和計(jì)算機(jī)仿真分析.實(shí)車足尺寸碰撞試驗(yàn)是研究護(hù)欄的最直觀,最基本的方法,但準(zhǔn)備周期長,試驗(yàn)成本高,同時(shí)用有限的傳感器也難以獲得全面的信息,因此計(jì)算機(jī)仿真分析方法應(yīng)運(yùn)而生.早期的計(jì)算機(jī)仿真多采用偽靜力模型和彈簧質(zhì)量模型_2,這兩種模型對確定護(hù)欄在碰撞中所受沖擊力及其與碰撞初始條件之間的關(guān)系有一定幫助,但模型假設(shè)護(hù)欄為剛性體.這種假設(shè)對于剛性護(hù)欄是合理的,但不適用于半剛性和柔性護(hù)欄,因?yàn)檫@兩種護(hù)欄的撞擊過程是典型的大位移,大轉(zhuǎn)動(dòng),大應(yīng)變且具有未知接觸約束的

8、顯著非線性問題.動(dòng)態(tài)顯式有限元方法能夠?qū)⑽锢砜臻g的無限自由度問題轉(zhuǎn)化為有限自由度問題,它利用接觸算法處理物體之間的接觸,通過顯式時(shí)間積分求解大變形動(dòng)力響應(yīng),特別適合解決大變形,大轉(zhuǎn)角,大應(yīng)變問題,因此被廣泛應(yīng)用于爆炸,航天,汽車等領(lǐng)域.大量的實(shí)踐證實(shí),顯式動(dòng)態(tài)有限元方法是研究汽車與護(hù)欄碰撞的有效方法和手段.3波形梁半剛性護(hù)欄受撞仿真分析3.1有限元模型的建立本文所研究波形梁半剛性護(hù)欄是二波形護(hù)欄,它由立柱,防阻塊和波形護(hù)欄板三部分組成.護(hù)欄板是采用鋼板經(jīng)冷彎加工而成,每塊護(hù)欄板長4320mm,厚度為3mm.立柱是外徑為114mm,厚4.5mm的鋼制圓筒,長1850mm.按照我國現(xiàn)行的高速公路交

9、通安全設(shè)施設(shè)計(jì)及施工技術(shù)規(guī)范(JTJO7494),立柱埋入路基深度為1100mm.防阻塊是護(hù)欄板和立柱之間的連接板.一方面它能夠?qū)⑴鲎擦Ψ峙涞礁嗫缇嘟Y(jié)構(gòu)上,它的變形也會(huì)吸收一定碰撞能,另一方面它將護(hù)欄板托出立柱一段距離,在一定程度上減小立柱對車輪的絆阻效應(yīng).護(hù)欄板,立柱和防阻塊采用四節(jié)點(diǎn)殼單元進(jìn)行網(wǎng)格離散.模型共建有三段護(hù)欄板,四個(gè)立柱.護(hù)欄板與防阻塊之間,防阻塊與立柱之間采用節(jié)點(diǎn)約束的方式連接.立柱與路基之間的相互作用一般有兩種處理方法;直接建立路基實(shí)體模型,利用接觸算法處理兩者直接的連接;用一系列非線性彈簧模擬路基與立柱的連接.前者與實(shí)際情況最為接近,方法直觀,但建立路基有限元模型將導(dǎo)致

10、單元規(guī)模的增大和求解時(shí)間的延長;后者不會(huì)帶來求解時(shí)間的增加和計(jì)算效率的降低,但代表路基承載能力的非線性彈簧的剛度特性卻較難確定.本文假設(shè)路基是堅(jiān)實(shí)的,護(hù)欄受到撞擊時(shí)立柱的塑性鉸變形是從立柱與地面結(jié)合部位開始,地面以下部分不存在變形和位移.因此,本文通過將立柱位于地面以下部分所有節(jié)點(diǎn)自由度固定來模擬它與路基的連接.與護(hù)欄相撞車輛的有限元模型按車輛通常的有限元分析建立.3.2碰撞初始條件汽車與護(hù)欄相撞,碰撞初始條件不同,汽車的響應(yīng)以及護(hù)欄的變形就會(huì)不同.例如,碰撞速度越大,碰撞越激烈,汽車減速度就越大,護(hù)欄變形就越嚴(yán)重;碰撞發(fā)生在護(hù)欄薄弱的地方,護(hù)欄變形就大.為合理評價(jià)護(hù)欄的性能,保證評價(jià)結(jié)果的可

11、比性,以美國為代表的汽車工業(yè)發(fā)達(dá)國家相繼制定了研究護(hù)欄的全尺寸實(shí)車碰撞實(shí)驗(yàn)程序,程序?qū)?shí)驗(yàn)中碰撞初始條件如碰撞所用車型,碰撞初速度,碰撞初始角,碰撞初始位置作了相關(guān)規(guī)定.我國高速公路一般最高限速為100km/h,試驗(yàn)車速通常取最高限速的8O,因此,汽車碰撞初速度取8Okm/h.碰撞初始角是指汽車速度方向與護(hù)欄之間的夾角.此角越大,汽車在與護(hù)欄垂直方向上的動(dòng)量就越大,碰撞就越激烈.參照有關(guān)文獻(xiàn),這里碰撞初始角取為15.護(hù)欄板在相鄰兩立柱中間位置由于遠(yuǎn)離支承物而最薄弱,受撞擊容易產(chǎn)生大變形.本文碰撞初始位置取在這個(gè)地方.圖3(a)反映了汽車與護(hù)欄的初始相對位置.J.(c)t=63rns(d)t=1

12、21ms(e)t=162ms(f)t=207ms圖3汽車與護(hù)欄碰撞過程3.3仿真結(jié)果分析與護(hù)欄優(yōu)化圖3反映了汽車與護(hù)欄相撞的全過程.汽車以80km/h的初速度撞向護(hù)欄,在9ms左右汽車左前翼子板開始與護(hù)欄接觸,在力的作用下兩者開始產(chǎn)生變形.隨著時(shí)間的推移汽車?yán)^續(xù)前行,同時(shí)側(cè)向位移增大,汽車和護(hù)欄的變形也逐漸增大,汽車與護(hù)?11?第1期2006年客車技術(shù)與研究欄接觸點(diǎn)位置不斷向著立柱靠近.碰撞中,當(dāng)剛度相對較弱的防阻塊被壓扁后,與碰撞接觸點(diǎn)位置最接近的立柱從下端出現(xiàn)塑性變形,整個(gè)立柱開始向下倒伏.大約在120ms汽車左前輪行至立柱位置,立柱對汽車形成強(qiáng)烈絆阻,汽車在慣性力作用下繞立柱產(chǎn)生猛烈旋轉(zhuǎn)

13、,后部遠(yuǎn)離護(hù)欄,車體與護(hù)欄之間構(gòu)成較大夾角;靠車身前部的兩段護(hù)欄緊裹汽車前圍板繞立柱產(chǎn)生大的扭轉(zhuǎn)變形,最后中間護(hù)欄板材料失效被從立柱撕下(圖3(f).圖4反映了立柱絆阻效應(yīng)形成的全過程.車輪行至立柱位置與逐漸倒伏的立柱相撞,在車輪撞擊下立柱進(jìn)一步倒伏,同時(shí)運(yùn)動(dòng)受阻的車輪產(chǎn)生外偏,隨即立柱插入車輪和車體之間對汽車構(gòu)成強(qiáng)烈絆阻.護(hù)欄立柱對汽車的絆阻效應(yīng)對公路安全極為不利,它可能將車輪從車體撕下,使失穩(wěn)汽車變得更加不穩(wěn)定;汽車與剛度較大立柱相撞可能產(chǎn)生較大減速度,這會(huì)對車內(nèi)乘員造成較大傷害;車體也可能繞立柱產(chǎn)生猛烈旋轉(zhuǎn),危及車內(nèi)乘員安全,同時(shí)橫置在道路上的車體會(huì)阻塞交通,甚至可能引發(fā)連環(huán)碰撞事故.(

14、a)車輪與立柱相撞t=112ms(a)車輪行至立柱前方t一99ms一一(b)車輪外偏t=121ms(b)車輪被導(dǎo)人護(hù)欄內(nèi)側(cè)t:=112ms一一(c)立柱對車輪形成絆阻(c)車輪越過立柱t135mst=144ms圖4護(hù)欄立柱對汽車圖7護(hù)欄導(dǎo)向欄板對絆阻的形成過程車輪的導(dǎo)向作用為避免護(hù)欄立柱對車輪產(chǎn)生絆阻,有必要對現(xiàn)有護(hù)欄進(jìn)行改進(jìn).通過研究以上碰撞過程發(fā)現(xiàn),絆阻效應(yīng)之所以產(chǎn)生主要是因?yàn)榱⒅迦胲囕喓蛙圀w?12?設(shè)計(jì)?計(jì)算?研究?之間,如果在車輪行至立柱位置時(shí)通過某種方式將車輪導(dǎo)入護(hù)欄內(nèi)側(cè),使車輪和立柱相互錯(cuò)開就能夠解除立柱對車輪的絆阻.基于這種考慮,筆者在現(xiàn)有護(hù)欄車輪中心高度位置增加了一個(gè)車輪導(dǎo)向

15、欄板,如圖5所示.圖6是改進(jìn)后的護(hù)欄對相同碰撞初始條件汽車的導(dǎo)向過程.汽車車輪也在120ms左右行至護(hù)欄立柱位置,在此之前護(hù)欄變形,汽車運(yùn)動(dòng)軌跡與原來基本相同;之后由于車輪導(dǎo)向欄板的存在,車輪并未直接與立柱相撞,而是從立柱內(nèi)側(cè)擦過,最后汽車被導(dǎo)入正確行駛軌道.圖7反映了車輪導(dǎo)向欄板對車輪的導(dǎo)向作用過程.圖5改進(jìn)后的護(hù)欄結(jié)構(gòu)(a)t=0ms(b)t=36m8(d)t=121ms(e)t一162ms(f)t=207m8圖6汽車與改進(jìn)后的護(hù)欄碰撞過程4結(jié)束語本文利用有限元方法建立了汽車一護(hù)欄碰撞系統(tǒng)耦合動(dòng)力學(xué)模型,并利用所建立的汽車一護(hù)欄耦合動(dòng)力學(xué)模型研究護(hù)欄立柱對汽車絆阻效應(yīng)的產(chǎn)生過程,在此基礎(chǔ)上對現(xiàn)有護(hù)欄進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn),增加了車輪導(dǎo)向欄板,從而解除了立柱對車輪的絆阻問題.參考文獻(xiàn):Ill丁樺,賈日學(xué),儲勁草,等.汽車與護(hù)欄碰撞特性的研究EJ.中國公路,1996,(9)E2鐘云華,黃塵清,湯立群.剛性護(hù)欄在事故碰撞中的沖擊力計(jì)算口.暨南大學(xué),1999,(2).3chuck八P1axico,Malcolm