波形梁半刚性护栏与汽车碰撞的仿真分析及其结构优化

1、波形梁半刚性护栏与汽车碰撞的仿真分析及其结构优化第1期2006年客车技术与研究?设计?计算?研究?波形粱半刚性护栏与汽车碰撞的仿真分析及其结构优化谢庆喜,张维刚,钟志华(湖南大学现代车身技术教育部重点实验室,湖南长沙410082)摘要:针对高速公路广泛使用的波形粱半刚性护栏建立"护栏一汽车"碰撞体系耦合动力学有限元模型,研究护栏立柱对汽车绊阻效应的形成过程,提出解除护栏立柱对汽车绊阻效应的一种有效方法.关键词:半刚性护栏;汽车碰撞;仿真分析;有限元法中图分类号:U461文献标识码:A文章编号:10063331(2006)01001003NumericalSimulation

2、AnalysisandStructureOptimizationofW-beamSemi.rigidGuardrail,vhenCrashedwithVehiclesXIEQingxi,ZHANGWeigang,ZhongZhihua(HunanUniversity,Changsha410082,China)Abstract:AcouplingdynamicsFEMmodelofguardrailandvehiclecrashingsystemisbuiltinthispaperinaccordancewiththeW-beamsemirigidguardrailusedwidelyinexp

3、ressway.Bythisway,theauthorsstudythesnaggingeffectoftherailposttovehicles,andputforwordaneffectivemethodtOsolvethesnaggingeffect.Keywords:semirigidguardrail;vehiclecrashing;simulationanalysis;finiteelementmethod公路护栏作为重要的交通安全设施是汽车失控偏离正确行驶方向时保护汽车和乘员安全的最后一道防线.一方面它可以吸收部分汽车撞击能量,减小汽车碰撞减速度峰值;另一方面,它迫使失控车辆恢复

4、到正确的行驶方向.因此,护栏的作用在世界受到广泛重视.早在2O世纪2O年代美国就开始研究和使用高性能护栏,我国则自80年代才开始研究护栏_1.近年来,随着我国国民经济的发展和国家基础建设的高投入,越来越多的高速公路投入运营,与护栏相关的特大恶性交通事故屡屡发生.因此,根据我国交通运输特点对高速公路护栏进行研究和改进,开发具有自主知识产权的优质新型护栏显得越来越重要.1护栏分类及其作用机理根据设置位置不同,护栏可分为路侧护栏和中央分隔护栏.按力学特性,护栏可分为刚性护栏,半刚性护栏和柔性护栏.刚性护栏在受撞过程中其结构基本不发生变形,如混凝土护栏;半刚性护栏同时具有一定的刚性和柔性.刚性可以有效

5、防止失控车辆冲出路外,而柔性又使得护栏在受到撞击时能够产生较大的变形从而吸收较多的碰撞能,减小汽车碰撞加速度,减轻车内乘员的损伤.目前高速公路*钟志华,男,中国科学院工程院院士湖南大学校长,教授,博士生导师.?1O?上普遍使用的波形梁钢护栏即是典型的半刚性护栏.柔性护栏主要指缆索护栏,它由数根施加初始应力的缆索固定于立柱构成,在受撞时依靠立柱的变形和缆索的拉应力来吸收汽车碰撞能.汽车与护栏相撞过程一般可分解为四个阶段:车头角位碰撞,侧面擦过护栏,车尾角位碰撞,车辆返回车道,如图l所示.但各种护栏在具体作用机理上又有不同.当汽车与刚性护栏相撞时,首先保险杠与护栏上坡面接触受力变形,上坡面对汽车产

6、生提升力.接着悬架与护栏下坡面接触,下坡面也对汽车产生提升力,汽车沿坡面向上爬升,部分动能转化为势能,从而减小碰撞剧烈程度.对于柔性半刚性护栏则主要依靠立柱,护栏板(缆索)的变形来吸收碰撞能.,-一.(1)车头角位碰撞(2)侧面擦过护栏一.:,:2.(3)车尾角位碰撞(4)车辆返回车道图1汽车碰撞护栏的四个阶段?设计?计算?研究?客车技术与研究2006年第1期波形粱半刚性护栏对失控车辆具有良好的导向和保护性能,并且安装方便,施工费用低.因此,这种护栏较其它类型护栏在高速公路上有着更为广泛的应用.2汽车护栏碰撞研究方法"汽车一护栏"碰撞体系的研究方法有实车足尺寸碰撞试验和计算

7、机仿真分析.实车足尺寸碰撞试验是研究护栏的最直观,最基本的方法,但准备周期长,试验成本高,同时用有限的传感器也难以获得全面的信息,因此计算机仿真分析方法应运而生.早期的计算机仿真多采用伪静力模型和弹簧质量模型_2,这两种模型对确定护栏在碰撞中所受冲击力及其与碰撞初始条件之间的关系有一定帮助,但模型假设护栏为刚性体.这种假设对于刚性护栏是合理的,但不适用于半刚性和柔性护栏,因为这两种护栏的撞击过程是典型的大位移,大转动,大应变且具有未知接触约束的显着非线性问题.动态显式有限元方法能够将物理空间的无限自由度问题转化为有限自由度问题,它利用接触算法处理物体之间的接触,通过显式时间积分求解大变形动力响

8、应,特别适合解决大变形,大转角,大应变问题,因此被广泛应用于爆炸,航天,汽车等领域.大量的实践证实,显式动态有限元方法是研究汽车与护栏碰撞的有效方法和手段.3波形梁半刚性护栏受撞仿真分析3.1有限元模型的建立本文所研究波形梁半刚性护栏是二波形护栏,它由立柱,防阻块和波形护栏板三部分组成.护栏板是采用钢板经冷弯加工而成,每块护栏板长4320mm,厚度为3mm.立柱是外径为114mm,厚4.5mm的钢制圆筒,长1850mm.按照我国现行的高速公路交通安全设施设计及施工技术规范(JTJO7494),立柱埋入路基深度为1100mm.防阻块是护栏板和立柱之间的连接板.一方面它能够将碰撞力分配到更多跨距结

9、构上,它的变形也会吸收一定碰撞能,另一方面它将护栏板托出立柱一段距离,在一定程度上减小立柱对车轮的绊阻效应.护栏板,立柱和防阻块采用四节点壳单元进行网格离散.模型共建有三段护栏板,四个立柱.护栏板与防阻块之间,防阻块与立柱之间采用节点约束的方式连接.立柱与路基之间的相互作用一般有两种处理方法;直接建立路基实体模型,利用接触算法处理两者直接的连接;用一系列非线性弹簧模拟路基与立柱的连接.前者与实际情况最为接近,方法直观,但建立路基有限元模型将导致单元规模的增大和求解时间的延长;后者不会带来求解时间的增加和计算效率的降低,但代表路基承载能力的非线性弹簧的刚度特性却较难确定.本文假设路基是坚实的,护

10、栏受到撞击时立柱的塑性铰变形是从立柱与地面结合部位开始,地面以下部分不存在变形和位移.因此,本文通过将立柱位于地面以下部分所有节点自由度固定来模拟它与路基的连接.与护栏相撞车辆的有限元模型按车辆通常的有限元分析建立.3.2碰撞初始条件汽车与护栏相撞,碰撞初始条件不同,汽车的响应以及护栏的变形就会不同.例如,碰撞速度越大,碰撞越激烈,汽车减速度就越大,护栏变形就越严重;碰撞发生在护栏薄弱的地方,护栏变形就大.为合理评价护栏的性能,保证评价结果的可比性,以美国为代表的汽车工业发达国家相继制定了研究护栏的全尺寸实车碰撞实验程序,程序对实验中碰撞初始条件如碰撞所用车型,碰撞初速度,碰撞初始角,碰撞初始

11、位置作了相关规定.我国高速公路一般最高限速为100km/h,试验车速通常取最高限速的8O,因此,汽车碰撞初速度取8Okm/h.碰撞初始角是指汽车速度方向与护栏之间的夹角.此角越大,汽车在与护栏垂直方向上的动量就越大,碰撞就越激烈.参照有关文献,这里碰撞初始角取为15.护栏板在相邻两立柱中间位置由于远离支承物而最薄弱,受撞击容易产生大变形.本文碰撞初始位置取在这个地方.图3(a)反映了汽车与护栏的初始相对位置.J.(c)t=63rns(d)t=121ms(e)t=162ms(f)t=207ms图3汽车与护栏碰撞过程3.3仿真结果分析与护栏优化图3反映了汽车与护栏相撞的全过程.汽车以80km/h的

12、初速度撞向护栏,在9ms左右汽车左前翼子板开始与护栏接触,在力的作用下两者开始产生变形.随着时间的推移汽车继续前行,同时侧向位移增大,汽车和护栏的变形也逐渐增大,汽车与护?11?第1期2006年客车技术与研究栏接触点位置不断向着立柱靠近.碰撞中,当刚度相对较弱的防阻块被压扁后,与碰撞接触点位置最接近的立柱从下端出现塑性变形,整个立柱开始向下倒伏.大约在120ms汽车左前轮行至立柱位置,立柱对汽车形成强烈绊阻,汽车在惯性力作用下绕立柱产生猛烈旋转,后部远离护栏,车体与护栏之间构成较大夹角;靠车身前部的两段护栏紧裹汽车前围板绕立柱产生大的扭转变形,最后中间护栏板材料失效被从立柱撕下(图3(f).图

13、4反映了立柱绊阻效应形成的全过程.车轮行至立柱位置与逐渐倒伏的立柱相撞,在车轮撞击下立柱进一步倒伏,同时运动受阻的车轮产生外偏,随即立柱插入车轮和车体之间对汽车构成强烈绊阻.护栏立柱对汽车的绊阻效应对公路安全极为不利,它可能将车轮从车体撕下,使失稳汽车变得更加不稳定;汽车与刚度较大立柱相撞可能产生较大减速度,这会对车内乘员造成较大伤害;车体也可能绕立柱产生猛烈旋转,危及车内乘员安全,同时横置在道路上的车体会阻塞交通,甚至可能引发连环碰撞事故.(a)车轮与立柱相撞t=112ms(a)车轮行至立柱前方t一99ms一一(b)车轮外偏t=121ms(b)车轮被导人护栏内侧t:=112ms一一(c)立柱

14、对车轮形成绊阻(c)车轮越过立柱t135mst=144ms图4护栏立柱对汽车图7护栏导向栏板对绊阻的形成过程车轮的导向作用为避免护栏立柱对车轮产生绊阻,有必要对现有护栏进行改进.通过研究以上碰撞过程发现,绊阻效应之所以产生主要是因为立柱插入车轮和车体?12'?设计?计算?研究?之间,如果在车轮行至立柱位置时通过某种方式将车轮导入护栏内侧,使车轮和立柱相互错开就能够解除立柱对车轮的绊阻.基于这种考虑,笔者在现有护栏车轮中心高度位置增加了一个车轮导向栏板,如图5所示.图6是改进后的护栏对相同碰撞初始条件汽车的导向过程.汽车车轮也在120ms左右行至护栏立柱位置,在此之前护栏变形,汽车运动轨

15、迹与原来基本相同;之后由于车轮导向栏板的存在,车轮并未直接与立柱相撞,而是从立柱内侧擦过,最后汽车被导入正确行驶轨道.图7反映了车轮导向栏板对车轮的导向作用过程.图5改进后的护栏结构(a)t=0ms(b)t=36m8(d)t=121ms(e)t一162ms(f)t=207m8图6汽车与改进后的护栏碰撞过程4结束语本文利用有限元方法建立了"汽车一护栏"碰撞系统耦合动力学模型,并利用所建立的"汽车一护栏"耦合动力学模型研究护栏立柱对汽车绊阻效应的产生过程,在此基础上对现有护栏进行了优化改进,增加了车轮导向栏板,从而解除了立柱对车轮的绊阻问题.参考文献:Ill丁桦,贾日学,储劲草,等.汽车与护栏碰撞特性的研究EJ.中国公路,1996,(9)E2钟云华,黄尘清,汤立群.刚性护栏在事故碰撞中的冲击力计算口.暨南大学,1999,(2).3chuck八P1axico,MalcolmH.Ray,Ka