工程力学专业论文稿正文.doc

第一章 绪论1.1 引言随着经济建设的发展，各种现代化的交通设施，如高速公路、城市立交、高架道路在交通运输中所起的作用日益增强，而交通运输的发展也导致了交通事故的急剧上升，交通安全己经成为一个世界性的大难题。我国高速公路与普通干线相比，交通事故大量增加，而且呈现逐年上升的趋势。可见，我国的高速公路并未成为安全之路。据统计，在我国的交通事故中，普通公路上有45%。高速公路上有30%是车辆越出路外造成的，且由此造成的特、重大恶性交通事故占该类事故总数的比例达62%以上。因此，在公路上设置合适的防撞护栏对交通事故的防治尤其是对特、重大恶性交通事故的防治具有相当重要的意义。护栏作为高等级公路上最重要的安全设施之一,能够阻止车辆冲出公路或闯入对向行驶车道, 具有减少事故损失、保证行车安全的功能, 对于提高司乘人员的安全感与舒适性, 提高公路运输的经济性与社会效益是不可或缺的。有限元数值分析的方法在此特指利用业己存在的大家普遍接受的大型有限元非线性分析软件进行护栏车辆碰撞的分析。该种方法不但具备一般计算机仿真试验的优点，而且该类软件往往都具有强大的计算机数据前后处理功能，可以模拟汽车一半刚性护栏碰撞过程中的大量非线性因素，便于进行数值分析。同时，通用有限元分析软件一般也都支持二次开发，可以在相应程序的基础上快速实现使用者的各种特殊考虑，节省大量不必要的基础性劳动。1.2 课题研究的背景和意义汽车碰撞防撞护栏是一个复杂的过程(接触面不规则、碰撞力作用点滑行、碰撞扫描中护栏参与作用的质量不断变化、汽车机构在碰撞中转向和刚度的不稳定性等)。1994年，我国交通部颁布了高速公路交通安全设施设计施工技术标准(jtj074-94)作为行业标准，对交通安全设施的设计和施工有重要的指导意义，但由于系统试验缺乏，参考的多为西方国家50年代的试验结果，在很多方面套用了欧、美、日本80年代规范的数据，特别是在目前被广泛使用的混凝土墙式护栏方面，从计算模式、结构计算公式乃至大量构造规定都未明确，有些理论已经陈旧，缺少使用情况的统计数据，在设计条件、碰撞荷载确定、护栏结构计算等方面之间缺乏联系。路侧事故在公路事故中占了大约30 %的比例,就是说,每3人死亡事故中,就有1人死于车辆驶离道路的事故。这个数据说明了路侧环境在伤亡和严重事故中起了很重要的作用。美国的路侧护栏设计认为: 如果路侧净区宽度超过一定值, 就不必设置路侧护栏了。实际上由于公路用地及工程费用的原因, 大多数很难满足其路侧净区的要求, 必须设置路侧护栏以防护车辆驶出道路碰撞路侧障碍物。本文就汽车碰撞混凝土防撞护栏的汽车碰撞力计算、护栏内力分析及碰撞响应的数值模拟进行研究，为新型防撞护栏的设计提供了重要的理论依据。1.3 护栏在国内外的应用及研究概况刚开始建造高速公路时，护栏只是起一种分隔带的作用。随着高速公路和高架道路的大量兴建和使用，人们逐渐认识到它对交通安全所起到的重要作用。现在，防撞护栏己成为高等级公路及大型桥梁必不可少的安全设施，七十年代，日本公布了防护栅设置纲要，对防撞护栏的设置原则、方式和设计条件做出规定。美国、英国、德国等也根据自己国家的国情制定了相应的设计标准.如美国国家公路和交通局的高速公路路边设计指南、欧洲设计标准等。我国最早开始修建的高速公路是台湾的南北高速公路(高雄基隆)，全长373公里，1978年竣工。大陆修建高速公路仅有十几年的历史。八十年代中期，第一条高速公路沪嘉高速公路开通，接着沈(阳)大(连)、广(州)佛(山)、(北)京(天)津唐(山)、翠(庄)松(江)、(北)京石(家庄)、济(南)青(岛)等高速公路相继开通.而最近几年，高速公路的发展更是突飞猛进，纵横交错的高速公路网己经遍布全国，我国已经进人建设高等级公路的新时代.在已建成的高等级公路、城市快速路以及大型桥梁上，钢筋混凝土防撞护栏大量使用，但由于我国当时尚无防撞护栏设计规程，故其设计基本上是套用国外规范，且各地所套用的规范不尽一致。现行高速公路交通安全设施设计及施工技术规范(jgj074-94)，无疑对防撞护栏设计具有指导作用，但这本规范所依据的资料多是引自国外，尚缺少我国系统实验研究数据，有不少规定尚有待进一步实践验证。1.3.1 研究方法国外三，四十年代就已对护栏有了专门性研究，西方国家对护栏系统研究和大规模应用始于50年代，此后交通事故死亡率呈逐年下降趋势。近期，由于汽车工业的发展，车辆向高速化，车型向两极化发展，新材料，新工艺的出现，陈旧的护栏理论已经不能适应新时代的要求，因而欧美、日本等国在八十年代至今又有了新的研究热点，对护栏性能、计算分析、构造措施都有新的定义。汽车碰撞护栏是个复杂的过程，目前，各国主要采用以下三种研究手段:1 实车足尺碰撞实验实车足尺撞击试验是用实际汽车冲撞护栏来模拟交通事故的一种研究方法。它可以得到汽车在撞击过程中的运动轨迹和运动姿态、汽车与护栏的变形和损伤特征以及碰撞冲击力的数值等真实可信的技术参数，从而为安全可靠的护栏结构的设计和验证其它研究方法所得结果的可靠性提供了科学的依据。现在，各国都把系统的实车撞击试验作为对护栏研究的基本前提。1962年，美国西部研究所进行了一次40001b重的小汽车以25度角、60km/h的速度碰撞钢制护栏的试验.此后欧、美各国进行了大量的碰撞实验，认为碰撞中初始条件(汽车质量、碰撞速度、碰撞角度)对实验结果影响很大。清华大学于1992年就拥有了汽车碰撞实验研究的能力，随后，中国汽车技术研究中心建立了一套国内最庞大的汽车碰撞实验装置。同时，交通部公路交通试验场、国家汽车质量监督检测中心、湖南大学等单位也建立了各具特色的汽车碰撞实验系统。我国进行的四次足尺试验:1997年7月，罗曼自卸车(空车，重8吨)以30度角、50km/h的速度两次冲击缆索护栏，以供合(肥)宁(南京)公路护栏设计作依据，1992-1993年，交通部公路研究所在北京，海南做了两次共27辆实车冲击钢制波形梁护栏的实验，研究钢制波形梁护栏的防撞性能，以编制相关部颁标准；1994年，上海市同济大学实施了2辆实车冲击混凝土墙式护栏的实验，为设计上海市内环线高架桥护栏提供依据， 2001年北京深华达交通工程有限公司在开发桥梁混凝土防撞护栏时进行了8组实车碰撞实验。由于实车足尺碰撞实验耗费高，每一次碰撞实验需要耗资约20万元以上，而且不能重复性操作，因此在我国足尺实验应用并不广泛.计算机仿真模拟试验已经被世界各国广泛应用于护栏研究领域，且取得了长足进展，成为一种经济有效的实验手段。2 缩尺模型试验缩尺模型试验具有试验成本低、试验过程易于控制、变换参数容易、可采用多组试件反复进行等众多优点，是对护栏进行冲击特性、撞击刚度、能量吸收能力等物理力学特性研究的一种经济有效的试验方法。当然因为几何尺度、材料特性和边界条件等的不同，其结果并不完全可靠，仍需要足尺模型的检验，一般被计算机仿真实验所取代。3 计算机仿真实验有限元数值分析的方法一种有效而又快速经济的研究方法。国外已将这类软件大量运用于半刚性护栏的受力特征、结构优化、护栏新材料的开发、护栏结构形式的选择等诸多方面，取得了良好的技术效果和经济效益，ansys有限元数值分析软件便是其中之一。计算机仿真实验可模拟不同车型、不同初始条件的碰撞全过程，从而节省大量经费，目前护栏研究一般用其进行初步理论分析，再辅以实车实验来完成验证工作。表1-1美国研究机构开发的计算机仿真程序仿真程序名开发机构适用对象模型hvosmcalspan简单车辆，刚性护栏三维固体元测量barrier vuniv.of.cal简单车辆，刚性护栏二维有限元程序ravensco冲击车辆后车辆的位移三维刚体元rav2swrirav的改进型，考虑冲击过程中荷载的动态变换三维刚体元barrier vrvaensco三维元车辆，二维元弹性护栏相互作用三维刚车辆二维元护栏barrier vensco三维元车辆，二维元弹性护栏相互作用二维刚车辆二维元护栏guardiitri带减震器的简单车辆的详细模型，弹性或刚性护栏三维有限元车辆护栏crunchiitri列车车辆，弹性或刚性护栏三维有限元tigerswri简单车辆冲撞后运动三维元六自由度车辆二维元护栏usinuniv.of.cinn三维元分隔带，冲撞后成员响应复数刚体分解程序rometheus2univ.of.mic二维元，行车冲撞后响应mrrbsmhsri crashvictim simmulaterhsri三维元分隔带，冲撞后成员响应mrrbsmcrashtti二维元车辆冲撞模型车辆我国对防撞护栏的理论研究起步较晚，到目前为止基本上都是运用动力学知识，通过简化碰撞过程来建立仿真模型和动力方程进行数值模拟，而且由于缺少系统的实车碰撞试验作依托，理论上还有很多问题尚未解决.交通部在七五期间曾立项对“钢制波形梁的防撞性能”进行研究(限于当时条件，未做过试验)以及交通部两次实车碰撞试验，基本上填补了我国在这方面的空白，文献研究了不同类型的半刚性护栏，给出了模拟汽车碰撞半刚性护栏波形梁过程的数值方法，由于混凝土护栏属于刚性护栏，其作用机理与半刚性护栏有着根本的不同，并不适用于混凝土护栏。同济大学周德源、钱江和高云批教授也采用ansys程序，建立了东海大桥的单跨桥完整计算模型和跨中局部桥段计一算模型，进行了汽车与平刚性护栏撞击的弹性静力分析、非线性静力分析和动力响应分析，研究了护栏与汽车撞击的瞬时特性。1993年，同济大学结构工程学院的张誉教授及其领导的课题组开展了汽车撞击钢筋混凝土护栏的计算机仿真研究，在他们的研究中钢筋混凝土护栏被视为弹性变形体，并将汽车简化为一个简单的弹簧质量系统，利用机械振动学方法及多体系统动力学方法，计算出碰撞过程中汽车对护栏的碰撞力，但方程中一些参数(包括汽车局部刚度k2系数)的选取完全引用国外50年代的经验值，所得结果误差较大，只是与它们的一组实验值接近。1.3.2 护栏分类与设计护栏分类安全护栏的形式按刚度的不同可分为柔性护栏、半刚性护栏和刚性护栏。1) 柔性护栏一般指缆索护栏,是一种以多根施加了预应力的缆索固定于支柱上的结构,完全依靠缆索的拉应力来抵抗车辆碰撞,形式美观,行驶时没有压迫感,但视线诱导较差,造价较高,一般不用。2) 半刚性护栏一般指梁式护栏,是一种用支柱固定的梁式结构,依靠护栏的弯曲变形和张拉力来抵抗车辆的碰撞。梁式护栏有许多种,应用最广泛的为波形梁护栏。具有一定的刚性和韧性,损坏后容易更换,能诱导视线,外形美观。3) 刚性护栏一般指钢筋混凝土墙式护栏,是一种具有一定断面形状的钢筋混凝土墙式结构,依靠汽车爬高、变形和摩擦来吸收碰撞能量。这种护栏安全性高,能有效防止二次事故,本身不易损坏,维修费用低,但对车辆行驶有压迫感,对车辆损坏较严重。与其它形式的护栏相比，混凝土护栏的保养成本最低。因为交通事故所引起的混凝土护栏结构损坏很小，主要为表面擦伤，只有个别情况为顶部断裂，因此其维修成本也较低，与金属护栏相比，维修成本为1比13，而且事故率小，因此具有极大的优越性。设计条件高速公路上的安全护栏既要阻止高速行驶的车辆越出路外,或穿越中央分隔带闯入对向车道,还要能诱导驾驶员的视线,使车辆回到正常行驶方向,并将事故中恶性程度降低到最小。总之,高速公路安全护栏是减少交通事故和降低事故恶性程度的有效措施,但在不该设置护栏的地方设置护栏,反而成为新的障碍物,增加了事故危险。因此,对安全护栏的设计首先要掌握护栏的特点,结合高速公路的交通条件,在满足护栏基本功能的前提下,选用合适的护栏形式,并采取合理的设置原则。护栏形式选择最理想的护栏形式是既满足功能需要又成本最低,而且美观大方,并能诱导行车视线。缆索护栏适合有不均匀下沉、积雪、长直线、有特殊美观要求的路段；钢筋混凝土护栏适合特别危险的跨河大桥、悬崖等路段；波形护栏有更大的适用性,基本上适合所有路段,特别是小半径弯道和需要诱导视线的路段。根据规范要求和湖南省多条高速公路安全护栏设计经验,一般路段路侧采用波形梁护栏,个别特别困难危险路段采用混凝土护栏。截面形式 钢筋混凝土刚性防撞护栏，其截面形状和几何尺寸对充分发挥防撞护栏的作用有着至关重要的作用。随着经验的积累，护栏的截面形式不断改进。美国最初采用的是一片垂直的墙体(图1-1)，它能有效地防止事故车辆翻越护栏，但这种形式的护栏使事故车辆与护栏相撞时的减加速度过大，对乘员和车辆的危害较大。日本和前苏联还采用过图1-2和图1-3所示截面的钢筋混凝土护栏。图1-1 图1-2 图1-3但是这些截面都存在着与图1-1截面相似的缺点。1955年，美国新泽西州开始寻求一种混凝土安全型护栏，并建成了20英里以上的护栏，其外型如图1-4所示，这种外型的护栏现在被称为“nj型”(新泽西州型)。在这种“安全外形”中，事故车辆最初撞击底部75mm高的直立侧面上，如果这种初步的阻力被克服，则护栏会爬上550的斜面。当撞击的角度小，车速低时，由于车轮的升高而吸收了碰撞能量，当车速高和冲撞角度大时，这种能量吸收几乎不起什么作用，护栏主要靠其上部几乎垂直的侧面完成汽车的改向和减速，并让事故车退回车道，与护栏平行行驶。1967年在加里佛尼亚所做的试验表明这种护栏设计能有效地使小于10度角撞击护栏的中型轿车改变方向，并且汽车不受或受到极轻微的损伤，而护栏则不受损伤，但当以103公里/小时的撞击速度和25度角的撞击角度进行试验时，汽车的损伤是严重的，其程度与以同样的速度、同样的角度进行试验的标准梁式护栏相似。这种形式的护栏在英、美、澳、法、意、德等国得到了推广。在此基础上，美国又提出了“f型”(florida型，即新泽西州改进型)截面的护栏(图1-5)。另外常用的截面形式还有“gm型”(图1-6)(通用汽车公司型)。 图1-4（nj型） 图1-5（f型） 图1-6（gm型）国内京石、沈大高速公路及北京、天津、广州等城市已大量使用nj 型混凝土护栏。通过效果调查及理论分析, 表明在中国道路交通条件下,nj 型和f型混凝土护栏的使用效果比较好。通用汽车型即gm型护栏，从地面到坡度转折点的距离是330mm，这个较高的距离对二十世纪七十年代的小汽车有明显的抬升。在冲击试验中，这些小汽车撞击gm型护栏后，变得不稳定，想要翻倒，结果gm型被停止使用。在进行参数研究（参数的系统性变化）过程中，对不同断面形状的结构，按a到f标号，计算机模拟发现标号为g的结构明显好于nj型。一系列真实的冲击试验也证实了这个结果，因此图形f的结构被称作f型。虽然f型性能优于nj型，但它并不被广泛应用。这是因为州政府对nj型很满意，而且nj型也能满足冲击试验的要求。另外，承包商也不想改变，因为同生产nj型相比，f型在断面上比nj型有大得多的投资。如图所示，nj型和f型斜面的坡度相同，主要不同在于坡度转折点的位置。f型为180mm，比nj型少75mm。较低的坡度转折点能够显著地降低对汽车的抬升量，从而大大地提高了混凝土护栏的性能。混凝土护栏根据设计要求可不配或少配钢筋, 预制件一般因吊装所需, 要配少量钢筋；就地浇注者, 一般不配, 但如需提高强度可配少量钢筋。护栏基础是保证护拦寿命, 充分发挥其作用的重要组成部分, 其与护拦连接采用两种方式:( 1) 护栏嵌锁在基础中；(2) 通过传力钢筋与基础相连。混凝土护栏的防撞机理车辆与混凝土护栏的碰撞是一个很复杂的过程,现在以最常用的新泽西护栏为例来进行说明。车辆与护栏接触时, 保险杠与护栏接触而受压, 护栏的上坡面挤压保险杠使之变形, 产生向上的提升力, 另外下坡面挤压汽车的悬架系统也会使之提升, 从而将汽车的动能部分转化为势能。在这个过程中, 由刚体的动量矩定理, 车体后部向护栏靠近, 使车体导向。然后车平行护栏后沿护栏滑行, 再以一定角度脱离护栏。如果保险杠强度相对较弱，在任何抬升发生前，前端开始撞击；当车轮与护栏几乎平行时，车轮碰撞较低斜面，大部分的附加抬升量是由低斜面压迫前伸出部分引起的。如果护栏斜面粗糙，轮侧摩擦力产生另外的提升，所以应避免外露集料和初步表面修整。与钢护栏主要由护栏自身吸收碰撞能量不同, 它通过能量的转换达到减小汽车损害的目的, 这种护栏允许车辆在下部斜面向上爬升而减少了车辆的损坏, 同时护栏维修的工作量小, 因此得以广泛使用。就安全性能而言，高为1070mm的f 型护栏是当前最好型式的混凝土护栏。1.4 本文研究的主要内容本文针对混凝土护栏研究内容包括以下两个方面：理论碰撞力的计算；计算机仿真实验。1. 正面碰撞理论：将汽车简化为质量弹簧单自由度模型分析，给出变形量与加速度计算式。2. 伪静力法计算：我国采用的传统计算方法，给出冲击力的计算式。3. 汽车撞击分析：采用ansys计算机模拟汽车冲撞刚性墙的各项数据。4. 护栏受冲击力响应：ansys瞬态分析方法，得出护栏受冲击响应的一些重要数据。第二章 理论碰撞力计算2.1 汽车对固定端壁的正面碰撞理论国内外对于汽车碰撞问题大都集中在正面碰撞的研究上，实车碰撞实验较多而且理论相对比较成型。因此在研究汽车与混凝土防撞护栏的碰撞前有必要了解一下汽车对固定墙壁面碰撞的理论。在汽车对固定墙壁的碰撞中，通常把汽车作为刚体处理，力学模型可以简化如图2-1所示m图2-1 汽车对固定墙壁正面碰撞的力学模型图中m为汽车质量，k为质量可以忽略不计的弹簧系数。在这里认为弹簧只有很少一点反弹现象。此外，弹簧一般是非线性的，所以k并不是常数，而是变形量与变形速度的函数。如果能求出各种车型的k值，则当发生汽车对固定墙壁正面相撞，只要测出车辆前端的变形就可求得碰撞前的车速，在静止状态下求弹簧系数时，测出加在弹簧上的外力即可。弹簧系数的动态测量如图2-1所示，使质量弹簧系统与固定墙相撞，同时测量质量的速度和位移。质量与减速度的乘积相当于加在弹簧上的力，这样即可得到加在弹簧上的外力，从而求出弹簧系数.在用这种方法时，也可以不必直接测量弹簧的变形量，而用减速度积分两次来求出变形量，即，这里v是在碰撞过程中，对应于时间t的速度，v0是碰撞前的车速，t是由碰撞开始算起的时间，a是减加速度，x是从碰撞开始点算起的质量m的位移量，也就是弹簧的变形。由上述计算方法可知，只要测出碰撞前的速度与碰撞过程中减速度对时间的关系，即可求出弹簧系数。多年来由许多对固定墙壁及同型汽车之间正面相撞的试验资料表明，由于碰撞引起车身做各种形式的振动，所以减速度呈现出周期变化的状态。除此之外，车身各部结构的变形也是不均匀的，比如受某一力的作用引起了屈曲变形，或某个构件折断使变形阻力急剧下降等，这些都将使变形阻力不能圆滑地变化，但是如果去掉这些变化，则可以把代表车身前部变形的弹簧看成是线性的，并且几乎是只可压缩不可恢复的单向弹簧。单位汽车质量所对应的弹簧系数，也就是减速度的增加率与变形量的关系，对不同型号的汽车几乎看不出什么差别这说明车身前部抵抗变形的强度，随车身质量成比例地增加。此外，在试验所用的碰撞速度范围内，单位汽车质量的弹簧系数几乎不随碰撞速度变化。因此，可将单向弹簧看成图2-2所示的单向线性弹簧。图中cd部分表示单向弹簧还有少量恢复。画有斜线的区域abcd的面积代表由于弹簧变形造成的每单位汽车质量的能量损失，这一损失当然应该等于碰撞之前单位汽车质量具有的动能。根据试验结果，单向线性弹簧对应于单位汽车质量的弹簧系数约为401.8m/s2/m(41.og/m)。因设弹簧为线性的，所以汽车在碰撞过程中的运动可通过较简单的计算来求得。如将弹性恢复部分忽略不计，则运动方程示为: 设初始条件为t=0时，x=0, ,解此运动方程为，这里，表示碰撞前的速度。减加速度为：将减加速度随时间变化的规律画成曲线，可得图所示的1/4正弦曲线。现取401.8m/m，则=20rad/s，又根据可知，碰撞的延续时间0.08s,由401.8 m/m，可求得最大变形量和最大减加速度为=0.0143，=这里的单位为km/h,的单位为m，单位则用g（9.8m/）表示，用实际的汽车做碰撞试验所得的结果与上式计算值相比基本是一致的，如图2-3，图2-4所示，试验结果包括了美国、日本和欧洲车所做的实验数据。2.2 伪静力法计算碰撞力目前我国现行颁布行业标准参考英国桥规，采用伪静力法计算汽车冲击荷载.根据汽车碰撞护栏的过程，及与护栏成一定的角度(一般为15-25度)斜向接触开始，到汽车冲撞后转向到顺着防撞护栏滑行一段距离而终止的这一运动轨迹，拟定计算简图:图2-6 汽车碰撞护栏计算简图其中：车的重心d车辆重心到碰撞点的距离 2b车的宽度 碰撞角 碰撞前后车辆的行驶速度 s车辆从碰撞护栏到与护栏平行行驶时车辆质心的横向位移 护栏受碰撞后沿x方向的变形车辆质心在横向移动的距离s=dsin+bcos-b+引入以下基本假定:1. 从车辆碰撞护栏到改变方向平行于护栏，车辆的纵向和横向加速度不变，车辆改变方向平行于护栏时，其横向速度为零；2. 车辆碰撞护栏期间容许车辆发生变形，但车辆的重心位置不变，且近似为质点运动；3. 车辆与护栏、车轮与道路的摩擦力忽略不计；4. 刚性护栏变形为零，柔性护栏的变形z0。忽略 汽 车 与地面的摩擦作用及汽车与护栏的摩擦影响时，x方向仅有碰撞力px作用，由运动学方程可知，车辆行驶轨迹变化期间垂直于护栏的匀减加速度a为:若考虑到刚性护栏横向变形很小=0，则传递各刚性护栏的碰撞力为:式中: m汽车的质量 ， w=mg规范中将车辆与护栏的刚度可理想化为线性弹簧，即碰撞力与时间的关系是正弦曲线。则护栏所受的最大碰撞力为: 按伪静力法计算冲击力，并考虑护栏横向变形很小，传递给刚性护栏的冲击力公式为p=ma式中m汽车的质量，w汽车的重量，g重力加速度。上式所求的冲击力是指冲撞事故的0.2到0.3秒持续时间的平均冲击力，在冲撞过程中会出现峰值冲击力，约为平均冲击力的2到3倍。第三章 计算机仿真试验3.1 计算机仿真概述 所谓仿真是指建立系统的动态模型并在模型上进行实验，或者说仿真是对真实系统或过程在整个运行时间内的模仿。因此，仿真可分为两类，一类仿真采用的是物理仿真，它是以物理过程、几何尺寸及环境条件相似为基础的仿真。第二类采用的是数学模型，它是以综合参量比例相似及信息传递规律相似为基础的仿真物理仿真的优点是形象、直观，但模型制作费用高、周期长、修改模型的结构和参数往往很困难。数学仿真的优点是经济、方便、通用性强，但没有物理仿真直观。对简单的数学模型进行研究，可以采用解析的方法，对于复杂的系统，往往要采用仿真的方法，即在计算机上构成仿真模型，然后对这个模型进行试验，计算机为数学模型的建立与仿真提供了较大的方便与灵活。由于下列原因需要应用仿真技术:(1) 对尚不存在的系统进行分析和预测；(2) 真实系统实验时间太长、费用太大或危险性大；(3) 真实系统实验会破坏系统的运行或使系统无法恢复；(4) 真实系统多次实验时，难以保证每次的操作条件都相同。一个计算机仿真系统，主要包括以下三个部分:1. 系统模型建立是整个仿真系统的关键所在，系统模型的正确与否，将直接影响仿真的结果；2. 仿真模型建立的系统模型，还不能用于计算机求解，必须把它转换成适宜于编程并能在计算机上运行的模型，即仿真模型；3. 结果显示与分析，建立仿真模型进行仿真试验后，需要把仿真结果以适当的方式输出。通过对仿真结果的分析，可以确认系统模型的可靠性并取得试验结果。3.2 有限元与ansys从1965年“有限元”这个名词第一次出现，到今天有限元在工程上得到广泛应用，有限元经历了四十年的发展历史，其理论和算法都已经日趋完善。有限元的核心思想是结构的离散化，就是将实际结构假想地离散为有限数目的单元组合体，实际结构的物理性能可以利用对离散体进行分析所得出的满足工程精度的近似结果来代替，这样，就可以解决很多实际工程需要解决而理论分析又无法解决的复杂问题。二十一世纪的一个重大变革是全球市场的统一，它使市场竞争更加激烈，产品更新更快。在这种背景下，cad(计算机辅助设计)技术得到迅速普及和极大发展。ansys软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ansys开发，它能与多数cad软件接口，实现数据的共享和交换，如pro/engineer, nastran, alogor, ideas, autocad等， 是现代产品设计中的高级cad工具之一。软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。软件提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。ansys软件含有多种分析能力，包括简单线性静态分析和复杂非线性动态分析。可用来求结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题的解答。它包含了预处理、解题程序以及后处理和优化等模块，将有限元分析、计算机图形学和优化技术相结合，已成为解决现代工程学问题必不可少的有力工具。ansys公司是由美国匹兹堡大学力学系教授、有限元法的权威、著名的力学专家john swanson博士于1970年创建而发展起来的，其总部位于美国宾夕法尼亚洲的匹兹堡市，目前是世界cae行业最大的公司之一。ansys软件的最初版本与今天的版本相比有很大的不同，最初版本仅仅提供了热分析及线性结构分析功能，而且是一个批处理程序，只能在大型计算机上使用。20世纪70年代初加入了非线性、子结构等功能；20世纪70年代末，图形技术和交互操作方式应用到了ansys中，使得ansys的使用进入了一个全新的阶段。经过40年的发展，如今的ansys软件更加趋于完善，功能更加强大，使用也更加方便。最新版本的推出增加了一些如模态综合法、非线性诊断技术（专家系统）以及多物理场功能等，性能上有了很大的改进了提高。3.3 参数设定对福建厦漳、京石、济青、京津塘、京沈、沈大、石太和京福高速德州-济南段等多条高速公路进行车辆碰撞护栏的事故调查, 分析统计后发现: 车辆超速严重, 尤其是小轿车, 甚至达到175km/ h；客车车速要大于货车, 小型车高于大型车；按载人数量加权的大客车数量约为总通车量的三分之一, 在护栏设计时必须要重点加以考虑；车辆碰撞护栏角度大致服从正态分布n (1315 , 615),85 %保证率的碰撞角度为20.3。因此建议高速公路护栏结构设计的条件为防护的车辆重量为18t , 初始碰撞角度为20度。护栏底部的75毫米垂直“槽”，只是为重铺沥青面层提供准线。跟撞击75毫米高路缘石一样，这个垂直槽对汽车的动态性能产生很小的影响。对于防撞护栏的断面图，关键设计参数是从地面到坡度转折点的距离，因为这决定了伸出多少部分受压。对nj型护栏，距离是330毫米。对于长度大于6米的nj型护栏，推荐埋入土壤的深度：软土为254毫米，硬土为102毫米；长度为六米的f型护栏为152毫米；长度大于或等于9米的f型护栏为102毫米；对于置于旧铺面等硬基础上的护栏，其底面铺25毫米厚的沥青层就可使9米长的护栏（nj型或f型）有足够的稳定性。在冲击试验中当单列汽车撞击混凝土护栏时，它朝护栏方向滚动，直到汽车车床底部到达护栏顶上才停止，这时车沿着护栏顶滑动，直到方向变为垂直。发生这种现象，护栏必须有一个最小的高度815mm。在冲击试验中， 要对“18轮”或挂车控制和改变行车方向，护栏最小高度应为1070mm。集中力的作用点高度是由实车试验确定的，一般在欧美各国对于大型车辆一般取0.7m，而对于小汽车一般取0.5m，根据我国大量车型调查，集中力的碰撞高度均取0.7m。根据实验结果分析，可以认为在汽车冲撞过程中，护栏处于弹性范围，其刚度按实验结果确定取为3.010kn/m。混凝土弯拉强度 fcm=5.0 mpa，混凝土弯拉弹性模量ec=3104 mpa，混凝土的容重=0.002 4 kg/cm3，混凝土的线膨胀系数c=110-5/，混凝土的泊松比v=0.15。土体弹性模量试验其最小值为144.29兆帕，最大值为194.17兆帕。ansys单元库中有专门面向混凝土材料的solid65单元及concrete材料，它是在solid45单元上发展起来的。这种单元与普通8节点线弹性单元相比，除了具有特殊的开裂、压碎性能以外基本类似。截面厚度按剪力设计确定，一般顶面宽度不应小于150mm。各国均根据自己国家的道路条件、车型来确定。表3-1给出了一些国家的碰撞力设计标准。表3-1 部分国家护栏碰撞力设计标准国家碰撞车辆质量（kg）碰撞速度（km/h）碰撞角度（度）碰撞力（kn）日国19609625784英国147011320784本文采用英国设计标准，汽车质量1470千克，碰撞速度v=113sin20=38.6km/h，设计标准碰撞力为268kn。有限元分析时，假定材料为各向同性，钢材的弹性模量e 值按如下采用：普通碳素钢取2.0210mpa；不锈钢和高强碳素钢为（1.82.0）10mpa，高强钢丝和钢绞线取1.510mpa，泊松比取0.3。汽车模型弹性模量采用普通碳素钢2.0210mpa，泊松比取0.3。虽然用于市场销售的汽车也在努力实现轻量化，但是考虑到安全性和舒适性因素，一般汽车的重量超过1吨(1000kg)，体积 5.57立方米，密度263.9kg/m，在碰撞过程中考虑材料屈服，屈服应力200mpa,切向模量设为50mpa。碰撞时间持续0.20.3秒。综上所述，汽车与护栏各项具体参数设置如表3-2、表3-3所示：表3-2 汽车各项参数质量碰撞速度碰撞力弹性模量泊松比1470kg38.6km/h268kn2.02mpa0.3密度屈服应力切向模量持续时间体积263.9kg/m200mpa50mpa0.2秒5.57m表3-3 护栏各项参数集中力高度/厚度刚度弯拉强度弯拉弹性模量0.7米/0.15米3.0kn/m3mpa密度泊松比单元类型有效长度24000.15solid65,2米3.4 汽车运动及受力情况仿真模拟本模拟试验采用ansys有限元分析，具体操作过程：建立有限元模型 由于在碰撞过程中，只有汽车前部接触护栏，可忽略汽车实际形状的影响，用长方体模型代表，具体参数为：长4471mm,宽1739mm,高717mm，体积5.57m，单元类型visco107,弹性模量、泊松比、密度、屈服应力、切向模量和持续时间数据见表3-2。本模拟试验对长方体模型采用影射网格划分，单元边缘线长度100，单元网格划分见图3-1。图3-1 网格划分材料应力-应变曲线见图3-2：图3-2 材料的应力-应变曲线施加载荷并求解选择瞬态分析大应变类型，碰撞速度为38.6km/h，碰撞结束时间为0.2秒，自动载荷步0.01秒，分20步计算。为了了解汽车的弹性应变，可显示碰撞后的等效应力图。图3-3 等效应力云图3.5 混凝土护栏受力及变形情况仿真模拟汽车对护栏的冲撞作用实际上是一个集中动荷载在护栏上移动，由于护栏高度和其长度相比较小，故护栏受汽车碰撞力的影响范围不会是护栏全长，而是集中力作用点的附近区域，于是可以假定，只有受集中力作用影响范围内的护栏区段参与受力，这样，就可以把这个区段单独取出来进行受力分析。进一步假定汽车的碰撞荷载为作用于该区段上的集中荷载,p为汽车对护栏的碰撞力，l为碰撞力对护栏的影响范围。如图3-4：图3-4 护栏的悬臂梁计算模式最大碰撞力为f=268kn进行计算，试验墙体最大横向位移为0.537mm。建立护栏有限元模型建立f型护栏模型，具体各项数值见图1-5，其中护栏顶面厚度不小于150mm，本试验取顶面厚度为150mm。护栏为混凝土材料，模拟试验采用针对混凝土的专用单元solid65,弹性模量、泊松比、材料密度等各参数见表3-3，护栏取有效作用长度2米，划分网格单元线长度100mm，划分结果图3-5。图3-5 护栏网格划分图施加载荷并求解采用简化法计算结构的瞬态动力学响应情况，主自由度ux，应用于陡坡面,冲击过程历时0.2秒，护栏下端完全固定。本试验分三个载荷步进行，载荷fx方向，大小268kn。侧面受力正面受力图,以表示 图3-6 护栏约束及载荷图 图3-7 护栏应力变形图表3-8 护栏变形数值表时间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 图3-8 护栏变形曲线此曲线记载了从开始碰撞到1秒时间护栏的变形量。阻尼响应分析考虑系统阻尼后的响应如图3-9所示，阻尼值0.01。图3-9 101号节点阻尼uy-时间变化曲线3.6 不同速度质量汽车碰撞试验为了研究高速公路护栏在不同环境条件下的抗撞击能力，本模拟试验对多种不同质量、不同速度的汽车碰撞进行了分析，并绘制成各种曲线以供参考。表3-9质量kg速度m/s密度kg/m变形量(dmx)应力mpa180010.72323.21.75118.7180011.1323.21.812122.9180013.9323.22.27153.9180016.7323.22.727184.9180019.4323.23.187199.9180022