Gr-A-4E型护栏的碰撞仿真分析

张元青，张扬，周大安，徐晓宇

（1.江西应用技术职业学院汽车学院，江西 赣州 341000；2.上海杉达学院沪东工学院，上海 201209；3.山东化工职业学院机电工程系，山东 潍坊 261108）

前言

高速公路是目前交通领域中一个重要的组成，而且占交通运输的比重越来越大，2017年交通运输行业统计公报显示，我国的高速公路占所有道路的比例是世界第一，远远超过其他国家。波形梁护栏是高速公路防护系统的核心组成部件，是车辆在高速公路安全行驶的重要保障。近年来，由于国内物流的迅猛发展，高速上行驶的货车比率逐年上升，造成货车事故率上升，且造成的事故引发的人身财产损失较大。故本研究以货车碰撞波形梁护栏有限元仿真模拟实车碰撞试验，分析波形梁护栏在碰撞过程中发生的变形情况，并对波形梁护栏的安全防护性能进行评价[1]。

1 建立碰撞仿真模型

1.1 有限元模型的建立

高速公路安装的波形梁护栏类型绝大多数是 A级和 B级，本文使用的波形梁护栏为A级的Gr-A-4E型。根据护栏尺寸等相关设计要求，通过三维建模软件，得出波形梁护栏的三维立体模型，之后将三维立体模型导入到Hypermesh中，对其进行网格划分，得出Gr-A-4E型波形梁护栏的模拟仿真文件，仿真模型局部视图如图1所示。

图1 Gr-A-4E护栏仿真模型的局部视图

货车的三维模型是市面上常见的10t级的厢式货车，由于厢式货车的结构复杂，无法直接建立有限元模型，所以先通过SolidWorks建立货车的立体结构，再将立体结构文件转换为STP文件类型，之后导入到有限元软件Hyperworks中，通过模块Hypermesh对厢式货车三维模型进行有限元网格划分。为了减少网格划分的工作量，在合理范围内可以对厢式货车结构进行必要的简化处理，比如发动机的结构可以简化成一个方块刚体，一些对整车碰撞性能无明显影响的小部件可以忽略不计。在前处理模块hypermesh划分网格的过程中，既要考虑仿真模型的精度，又要节约仿真计算的时间，所以在碰撞核心区域网格密，在非核心区域网格稀。四边形网格是网格划分的常见类型，但是三角形网格在网格划分中也会出现，但由于三角形网格的仿真计算容易失真，所以尽量减少三角形单元在整个网格中的比率，针对板材壳类型的部件，其单元的相关要求如表1所示，从表上可知，三角形单元的比率要求小于5%[2]。

表1 板材壳单元质量要求

图2 仿真分析模型

Gr-A-4E型波形梁护栏有限元模型与厢式货车有限元模型建立耦合体系，形成一个整体碰撞仿真模型，如图2所示，该碰撞仿真模型需要导入LS-DYNA进行计算分析。

1.2 碰撞初始条件

车辆在道路行驶过程中，如果发生碰撞事故，事故的严重性取决于碰撞时刻车辆的速度和车辆与护栏之间的夹角，所以碰撞的速度以及夹角设置很关键。

碰撞时的速度以及夹角的设置需要按照国家相关规范中的要求来，有着很严格的限定条件，通过查询国家相关规范可知，此次货车碰撞Gr-A-4E型波形梁护栏的碰撞初始角设置为20°，车辆碰撞初始速度设置为60km/h。

2 波形梁护栏与货车的碰撞仿真分析

根据最新的公路护栏安全评价标准，判断护栏的防护性能的指标主要是从护栏的阻挡功能、缓冲功能和导向功能这三个方面进行分析。通过LS-DYNA仿真软件计算得到仿真碰撞结果，然后用Hyperworks对Gr-A-4E型波形梁护栏的三个安全防护性能指标进行分析处理，了解Gr-A-4E波形梁护栏的防护性能。

2.1 护栏阻挡功能分析

货车在碰撞波形梁护栏的过程中，护栏应阻挡货车驶出道路，防止厢式货车发生二次碰撞事故，所以合理的护栏设置是关键，是道路安全与否的核心要素。从相关规范中查询，护栏最大变形量为 1400mm，即护栏变形的最大极限值，超出该范围的护栏被认定为不安全护栏。如图3所示，分别是t=0、92、330、511ms时货车碰撞波形梁护栏的即时情况，在t=511ms货车冲出护栏，护栏发生严重变形，由此可见，护栏无法起到良好的阻挡功能。

图3 护栏的变形情况

2.2 护栏缓冲功能分析

如图3所示，货车碰撞波形梁护栏，波形梁护栏的立柱绊阻货车，货车车体偏离正常的行驶道路。车体碰撞过程中发生绊阻效应会严重影响车内乘员的安全。通过 LS-DYNA软件的计算分析，得出碰撞过程中车辆质心三个方向的加速度变化情况，如图4所示，从三个坐标图看出质心的三向加速度的最大值均在200m/s2以上，是乘员无法承受的加速度，乘员可能从驾驶室越出，造成重大的生命危险。由此可见，Gr-A-4E型波形梁护栏的缓冲功能不达标，不能降低车内乘员的加速度。

图4 车体质心处X、Y、Z处加速度曲线（cmm/s2，s）

2.3 护栏导向功能分析

图5 厢式货车行驶轨迹

如图5可知，当t=0ms，此时是仿真模型设置的货车与Gr-A-4E型波形梁护栏碰撞的初始状态，到t=33ms时，货车开始接触波形梁护栏，到t=125ms时，Gr-A-4E型波形梁护栏与货车完全接触，Gr-A-4E型波形梁护栏变形量较大，且厢式货车前护板也发生变形，当t=511ms时，Gr-A-4E型波形梁护栏各个部件几乎脱离，已经失去防护性能，厢式货车也完全偏离正常的行驶道路，越过波形梁护栏，极有可能造成厢式货车发生二次碰撞事故，造成更大的人身财产损失。由此可见，Gr-A-4E型波形梁护栏的导向功能无法达到安全评价标准的要求，无法满足高速公路防护安全的要求。

3 结论

通过Hyperworks等仿真软件建立Gr-A-4E型波形梁护栏与厢式货车碰撞仿真体系，并分析Gr-A-4E型波形梁护栏的安全防护性能。由以上仿真模拟分析可知：

（1）Gr-A-4E波形梁护栏对货车无法起到很好的阻挡功能，不能有效的阻挡车辆偏离正常的行驶轨道，需要改进其结构。

（2）通过碰撞仿真分析，可以了解厢式货车结构方面存在的问题，可以对厢式货车结构的优化提供参考。

（3）通过仿真模拟实车碰撞分析试验是正确的研究方法，它不仅降低试验成本，且可重复性强。

由于碰撞仿真试验无法完全代替实车碰撞试验，所以Gr-A-4E型波形梁护栏的安全防护性能是否达标，还需要和实车碰撞试验做对比分析。