高速公路碰撞能量衰减装置设计与力学性能分析

郭红军

(中铁建大桥工程局集团第六工程有限公司，吉林 长春 130031)

0 引言

我国高速公路的快速建设与发展带动了各个产业的发展，高速公路交通事故也不断增多[1]。目前，我国高速公路交通事故约占总数的45%，其中车辆与护栏碰撞事故约占总数的66%[2]。在高速公路上设置防撞护栏是降低交通事故率和致死率的有效方法之一[3-7]，但对于护栏结构选择、吸能效果等方面还需要进行深入研究。

薄壁能量衰减装置是当前研究关注的吸能缓冲方式，当薄壁能量衰减装置受到的外部冲击载荷大于装置压溃峰值载荷时，外部的冲击能量转换为能量衰减装置的塑性变形能，从而达到冲击能量衰减的目的[8-11]。现有圆形管[12]、蜂窝管[13]、复合材料管[14]、泡沫填充管[15]等能量衰减装置，在被撞击过程中的承载力变化过程主要为3个阶段：快速线性达到一个初始峰值(峰值载荷)；从峰值载荷处急剧下降进入稳态屈服渐进阶段，这一阶段的主要特点是有规律的波动起伏；被压至“密实化”阶段，这一阶段的主要特点是承载力迅速增加。现有大多能量衰减装置在压溃变形过程中承载力不具恒定性[16]，压溃变形过程中承载力相对恒定的能量衰减装置成本较高[17]，不适用于高速公路护栏。因此，本文提出一种八边薄壁型能量衰减装置，并对其力学特性进行分析。

1 能量衰减装置设计与力学性能理论分析

根据能量衰减装置应具有恒反力的力学性能要求，把能量衰减装置设计为八边薄壁型。

当车与能量衰减装置发生撞击时，受力可简化为受两平板径向对压。能量衰减装置在力的作用下是三次超静定结构，如图1(a)所示。由于装置所受载荷及结构的对称，取一次超静定的1/4衰减装置进行分析，如图1(b)所示，并把多余未知力设为弯矩，图1(b)的能量衰减装置弯矩如图1(c)所示。

将单位弯矩、载荷弯矩代入结构力学位移计算公式中，可得出系数式(1)和自由项式(2)。

图1 构件受力分析Fig.1 Force analysis of components

(1)

(2)

由式(1)～(2)可得：

(3)

由式(1)～(3)得出DC段上的弯矩式(4)、CB段上的弯矩式(5)、BA段上的弯矩式(6)：

(4)

(5)

(6)

式中：M为弯矩，N/m；L为能量衰减装置边长，m；P为载荷，N；X为边长，m。

从图1(c)可知，能量衰减装置先在顶边中部D点形成塑性铰，然后在装置右侧边上AB段形成塑性铰，当AB段形成塑性铰时能量衰减装置开始破损。可得能量衰减装置初始破损载荷：

(7)

式中：Ms为能量衰减装置塑性极限弯矩，N/m；σs为能量衰减装置材料屈服强度，N/m2；L为能量衰减装置边长，m；d为能量衰减装置长度，m；t为能量衰减装置壁厚，m。

当能量衰减装置长度大于边长时，E3应当乘以系数E1(考虑平面应变)，得出修订的能量衰减装置初始破损载荷为：

(8)

从式(8)可知，能量衰减装置的初始破损载荷与材料屈服强度、边长、长度和壁厚等参数相关。

2 能量衰减装置力学性能数值分析

2.1 数值模型几何尺寸选取和建立

采用有限元软件ABAQUS建立模型[18]，应用Mises屈服准则，动态显式算法计算能量衰减装置被撞击过程。能量衰减装置的网格采用长度为1～1.5 mm之间的四边形单元。能量衰减装置被撞击过程为：首先建立1块刚性板1并约束其所有自由度；然后建立能量衰减装置，并把能量衰减装置平放在刚性板1上；最后建立1块与刚性板1平行的刚性板2，刚性板2从能量衰减装置上方沿能量衰减装置径向以1 m/s的恒定速度压下。

能量衰减装置材料力学参数如表1所示。材料弹性模量为210 GPa，密度为7 850 kg/m3，泊松比为0.3。截面为正八边形，由壁厚、长度和边长3个几何参数决定。考虑壁厚对能量衰减装置的力学特性影响，研究8种壁厚尺寸的能量衰减装置，如表2中B-1～B-8所示；考虑边长对能量衰减装置力学特性影响，研究4种边长尺寸的能量衰减装置，如表2中B-4，B-9～B-11所示；考虑长度对能量衰减装置力学特性影响，研究4种长度尺寸的能量衰减装置，如表2中B-4，B-12～B-14所示。

表1 材料力学参数Table 1 Material mechanics parameters

表2 能量衰减装置几何尺寸Table 2 Anti-collision device geometry mm

2.2 结果与分析

能量衰减装置变形过程如图2所示，从图2可知， 先在能量衰减装置的顶底部形成塑性铰线，然后在左右两侧形成塑性铰线，当形成的4条塑性铰线长度与装置长度一致时，能量衰减装置开始破损；不同几何参数和不同材料性能的能量衰减装置均具有相同的破坏模式，这说明能量衰减装置具有可重复的变形破坏模式。

图2 构件变形Fig.2 Deformations of components

图3 装置承载力随位移变化规律Fig.3 Variation of bearing capacity with displacement

图4 装置吸收能量随位移变化规律Fig.4 The variation of absorbed energy with displacement of the device

能量衰减装置的承载力-位移曲线如图3所示、能量吸收特性曲线如图4所示。从图3～4可知，能量衰减装置被撞击过程中的能量吸收随压缩距离增加而近线性增加。能量衰减装置被撞击过程中的承载力变化趋势分为4个阶段：弹性受力阶段、弹塑性受力阶段、塑性受力阶段(这一阶段装置承载力较为恒定，位移较大，吸能较多)和致密受力阶段。能量衰减装置被撞击过程中具有较为恒定的承载力。

能量衰减装置的压溃峰值力、平均压溃力和能量吸收3项性能指标随壁厚变化规律如图5～6所示。从表3和图5～6可得，不同壁厚的能量衰减装置的冲程效率约为70%、载荷波动系数约为1.29，说明壁厚对能量衰减装置的冲程效率和载荷波动系数2个性能指标没有影响。能量衰减装置的平均压溃载荷、压溃峰值载荷和吸能吸收3个性能指标随壁厚增加有非线性增大趋势。

表3 能量衰减装置防撞特性Table 3 Anti-collision device anti-impact characteristics

图5 装置峰值力随壁厚变化规律Fig.5 Variation of peak load with wall thickness

图6 装置吸收能量随壁厚变化规律Fig.6 The variation of absorbed energy with wall thickness

能量衰减装置的压溃峰值力、平均压溃力和能量吸收3项性能指标随边长变化规律如图7～8所示。从表3和图7～8可得，不同边长的能量衰减装置的冲程效率约为70%、载荷波动系数约为1.29，说明边长对能量衰减装置的冲程效率和载荷波动系数2个性能指标没有影响。能量衰减装置的平均压溃载荷、压溃峰值载荷和吸能吸收3个性能指标随边长增加有线性减小趋势。

图7 装置峰值力随内边长变化规律Fig.7 Variation of peak force with inner side length

图8 装置吸收能量随内边长变化规律Fig.8 The absorption energy of the device varies with the length of the inner side

能量衰减装置的压溃峰值力、平均压溃力和能量吸收3项性能指标随长度变化规律如图9～10所示。从表3和图9～10可得，不同长度的能量衰减装置的冲程效率约为70%、载荷波动系数约为1.29，说明长度对能量衰减装置的冲程效率和载荷波动系数2个性能指标没有影响。能量衰减装置的平均压溃载荷、压溃峰值载荷和吸能吸收3个性能指标随长度增加而线性增大。

图9 装置峰值力随长度变化规律Fig.9 Variation of peak force with length of device

图10 装置吸收能量随长度变化规律Fig.10 The absorption energy of the device varies with length

3 结论

1)能量衰减装置具有非常稳定的变形破坏模式和较为恒定的承载力以及较小的载荷波动性。

2)能量衰减装置的边长、壁厚和长度等几何参数对装置的冲程效率和载荷波动系数性能指标影响较小；能量衰减装置的平均压溃载荷、压溃峰值载荷和总吸能性能指标均随壁厚、长度几何参数减小而线性减小；能量衰减装置的平均压溃载荷和压溃峰值载荷随边长增加而减小。