高速公路中央分隔带易开型防撞活动护栏碰撞仿真

(1.东北林业大学 土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040;2.哈尔滨工业大学 交通学院，黑龙江 哈尔滨 150090)

0 引言

近年来，我国高速公路的大量建设和汽车保有量的迅速增加，交通安全问题已经成为高速公路发展的突出问题和重点问题。而这其中，每年有1/3的死亡事故是发生于车辆与高速公路中央分隔带护栏的碰撞事故，而且往往由于车辆穿越中央分隔带冲进对向车道造成的第二次事故更为重大[1-2]。在中央分隔带中，往往需要设置中央分隔带开口处，用于应急开启，使事故处理车辆和急救抢险车辆紧急通过，但是在其设计过程中过多的重视了活动性，而在防撞能力方面存在明显不足[2-4]。近年来，车辆穿越中央分隔带开口处活动护栏而发生重大、特大交通事故屡见不鲜，对高速公路造成严重的安全隐患，护栏作为被动的交通安全措施，在高速行驶的道路上不能提供足够的安全保障，那么造成的损失将是无法估量。

目前国内常用的插拔式、推拉式和填充式3种中央分隔带开口处活动护栏的防护能力明显不足[2]。国内不少学者对防撞活动护栏进行了研究。其中范慕辉等[3]设计提出了一种企口式刚性混凝土活动护栏具有一定的防撞能力，能有效地阻挡车辆冲向对面车道，但刚性混凝土活动护栏结构对车辆的损伤较大，不能有效缓冲撞击，难以保障车内人员的安全，且混凝土结构施工难度较大；闫书明等[4]开发了一种钢管预应力索防撞活动护栏，该活动护栏采用钢管和预应力钢索组合结构，大幅度提高了其力学性能且兼具活动性，但其结构相对复杂，现场安装麻烦，造成了时间成本的增加。

本文提出了一种新型中央分隔带易开型防撞活动护栏，在满足中央隔离带活动护栏开启和移动便捷性的前提下，具有一定的防撞能力和导向能力，且能有效的缓冲撞击，减少对车辆的损坏，其结构规则简明，安装方便。为验证活动护栏的安全性，对活动护栏进行计算机碰撞仿真，得到仿真结果，着重分析车辆在撞击过程中的运动轨迹、加速度，以及护栏的变形，从而验证此中央分隔带活动护栏的阻挡功能、导向功能、缓冲功能、护栏最大横向动态变形值等项性能指[5-9]。

1 新型中央分隔带活动护栏结构设计

新型中央分隔带活动护栏主要应用于高速公路、一级公路和城市全封闭环线道路中央分隔带活动开口处，满足A、A m级防撞等级，是一种新型高强度低碳合金钢中央分隔带活动护栏。其高度为790 mm，每节长度5 000 mm，抗拉强度为670 MPa，方管规格为50 mm×50 mm×4 mm，节与节之间采用双钢管立柱连接，这样既有较强的刚性防撞能力又有中间连接柱产生的柔性缓冲力对碰撞车辆能有效的缓冲撞击，减少车内人员因剧烈碰撞造成的伤害。每节护栏都装有两对可升降调节的万向轮结构，以保证护栏的活动性。固定端头方面，采用直接锚固路面结构上，不需要混凝土基础，安装方便(见图1)。

图1 新型活动护栏结构示意图(单位：mm)

2 汽车-护栏碰撞仿真有限元模型的建立

2.1 汽车-护栏力学模型

汽车与护栏的碰撞过程中，汽车首先与护栏成一定角度接触，以V1速度与护栏碰撞，在护栏的阻挡作用下慢慢改变方向，以V2速度沿着护栏滑行，在护栏的导向作用下，以较小角度驶离护栏[10]，图2为汽车-护栏的碰撞模型。车辆与护栏的碰撞是一个极其复杂的动力学物理过程，在考虑车辆与护栏的特性后，对模型作出假设：

a.车辆碰撞护栏期间允许车辆变形，但重心不变。

b.护栏对车辆没有羁绊作用。

c.车辆改变方向与护栏平行时车辆的横向加速度为零。

图2 汽车与护栏碰撞模型Figure 2 The collision model between vehicle and barrier

2.2 车辆有限元仿真模型

为确保模拟的准确性，依据实际车辆建立了车辆的模型。车辆的大部分零部件采用法向方向3点积分的Belytschko-Tsay壳单元建模；对传动轴与后桥采用Belytschko-Schwer resultant beam梁单元模拟[11]。车辆各零部件的连接，主要采用焊接连接(SPOTWELD)和刚体连接(RIGID-BODY)[11-13]。对车门、车厢、驾驶室、发动机盖等均使用弹塑性材料*MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY；轮胎、传动轴使用弹性材料*MAT_ELASTIC；发动机、变速器、后桥使用刚体材料MAT_RIGID[12-13]。为达到试验标准，需要对皮卡车和货车的有限元模型进行质量调整，调整后其重心位置基本保持不变，使其总质量分别为1.5 t和10 t。其中皮卡车长、宽、高分别为5 654、1 823、1 789 mm，有限元模型的总节点数为66 590个，单元数为60 003个,(见图3)。货车长、宽、高分别为8 562、3 764 mm(包含集装箱宽度)、3 319 mm(包含集装箱高度)，有限元模型的总结点数38 955个、单元数为36 539个(见图4)。

图3 皮卡车有限元模型Figure 3 FEA model of the pick-up

图4 货车有限元模型Figure 4 FEA models of the truck

2.3 护栏有限元仿真模型

活动护栏仿真试验段总长为29 m，开口长度为25 m，在CATIA软件中按照等比例建立活动护栏的三维几何模型，之后将其导入到HYPERMESH中进行前处理，护栏结构均采用壳单元进行划分，使用Belytschko-Tsay壳单元算法。对护栏做出如下约束和简化：

a.由于只考虑护栏在静态下与车辆的碰撞，因此滑轮模型取消，但在滑轮处需对护栏约束竖直方向的自由度来模拟滑轮对护栏的支撑作用。

b.对固定端头部分施加全约束，使其固定在地面。

c.护板在实际应用中只起到与波形梁护栏过渡的作用，对碰撞影响不大，所以不予以考虑。

活动护栏采用如下准则进行划分：对立柱、固定端头、单元框架采用10 mm壳单元，单元翘曲角≤15°，单元内角≥25°进行划分，其中立柱的壳单元厚度设为8.5 mm，单元框架的壳单元厚度为4 mm，固定端头的壳单元厚度为10 mm，活动护栏有限元模型总计381 844个节点，壳单元数为382 612个,活动护栏采用弹塑性材料*MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY[14]，参数如下：质量密度为7 850 kg/m3，弹性模量为206 GPa，屈服应力为630 MPa，泊松比为0.28，失效应变为0.3。图5为护栏有限元模型。

图5 活动护栏有限元模型Figure 5 FEA model of the movable barrier

2.4 接触控制

汽车与护栏碰撞仿真中，其接触是一个复杂的过程，建立合理的接触是非常重要的，如果接触定义不合理，在后处理中就会出现穿透的现象。本研究将车辆与护栏之间以及护栏各部分之间的接触方式设置为单面自动接触(CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE)。车辆与护栏碰撞的同时势必会产生摩擦，正确合理的设置护栏与车辆、车轮与地面的摩擦力，对碰撞及碰撞后汽车的运动姿态和受力影响很大，摩擦系数由下式计算[15]：

μc=μd+(μs-μd)e-(DC)(v)

(1)

式中：μc为静摩擦系数；μd为动摩擦系数；DC为指数衰减系数；v为接触面间的相对速度。

为了正确模拟车辆与地面之间的接触，利用*LOAD_BODY_Z对系统施加重力加速度[16]，对地面假设为刚性。本文定义了如下4个接触，即：

a.将地面设为刚性，用*RIGIDWALL_PLANAR定义护栏与路面之间的接触，摩擦系数取为0.2。

b.采用*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE定义护栏连接段、钢管立柱、护板之间的接触，静摩擦系数取为0.23，动摩擦系数取为0.25，指数衰减系数设为0.01。

c.采用*RIGIDWALL_PLANAR定义轮胎与路面的接触，摩擦系数取为0.9。

d.采用*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE定义车辆的自身接触，静摩擦系数取为0.2，动摩擦系数取为0.1，指数衰减系数设为0.01。

2.5 沙漏控制

沙漏模式也就是零能模式，零能模式就是指有变形，但是不消耗能量。显然是一种伪变形模式，若不加以控制，计算模型会变得不稳定，并且计算出来的结果也是没有多大意义。因此需要采用适当的设置来进行控制。通过*CONTROL_HOURGLASS来对总体附加刚度或粘性阻尼和沙漏能系数进行设置，其中沙漏能系数(QH)设为0.10，总体附加刚度或粘性阻尼(IHQ)设为1[17]。

2.6 时间步长控制

LS-DYNA采用的显式中心差分法是有条件稳定的[16]，只有当:

(2)

式中：Δt为时间步；Δtcrit为临界时间步；ωmax为有限元网格的最大自然角频率。

求解才稳定。针对壳单元，其时间步的计算公式为：

(3)

其中，Ls为单元特征长度;C为声音在该材料中的传播速度，公式如下：

(4)

式中：E为杨氏模量；v为泊松比；ρ为特定质量密度。

由以上两公式可知，时间步的大小与单元最小特征长度成正比，与密度开根号成正比。LS-DYNA在计算时间步时检查所有单元，而整 个有限元模型的计算时间步长为最小尺寸单元的时间步长,当模型的质量不好时尤其是有很多小单元存在，此时计算时间会成倍的增加，为减小计算量，需要主动控制LS-DYNA时间步长。所以就需要对计算模型进行质量缩放，但要保证其质量增加百分比小于5%[18]，本文的时间步长设为-8.000e-7s。

3 碰撞条件和评价标准

活动护栏作为中央分隔带的一部分,在兼有活动性的基础上,防撞等级也应与中央分隔带其他部分护栏保持一致，本文进行碰撞仿真的护栏防撞等级为Am级，碰撞条件见表1。

表1 碰撞条件Table 1 Impact conditions车型质量/t碰撞速度/(km·h-1)碰撞角度/(°)碰撞能量/kJ小汽车1.510020162.4中型卡车106020160

护栏防撞性能评价标准主要包括车辆行驶轨迹、护栏防护导向、护栏动态变形、车辆三个方向加速度[6-7]。碰撞后车辆应保持正常行驶姿态，不发生横转、掉头等现象。护栏能有效阻挡车辆穿越、翻越、骑跨、下穿活动护栏并对车辆进行导向，碰撞后车辆驶出角度小于碰撞角度60%。活动护栏的最大变形量不大于1.5 m。对于碰撞后车辆的3个方向加速度10 ms间隔平均值的最大值都小于等于20g。

4 碰撞仿真结果分析

4.1 皮卡车碰撞易开型防撞活动护栏

图6为1.5 t皮卡车以100 km/h的时速从侧面20°角撞击护栏的运动轨迹。通过LS-PrePost后处理中，汽车与活动护栏碰撞的动画可观察到，在运动过程中，皮卡车与活动护栏碰撞前期，以皮卡车左后轮为侧翻点，皮卡车略有升高趋势，在重力与活动护栏的导向作用下，皮卡车行驶姿态得到调整。皮卡车在0.5 s时驶出活动护栏后恢复到正常行驶状态，皮卡车驶出角度约为8.2°，小于评定标准中碰撞角度60%，并且车辆未发生横转、掉头、翻车状况；皮卡车车身左前侧和车厢左侧因变形吸收能量凹陷外，各部件没有脱落现象。

(a) 0.1 s

(b) 0.3 s

(c) 0.5 s

图7为通过LS-PrePost后处理得到活动护栏的最大动态横向位移，在0.243 s时最大动态横向位移为0.853 m，且护栏并未有较大损坏，符合评定标准中活动护栏最大变形量不大于1.5 m。

图7 活动护栏最大动态横向位移Figure 7 The maximum dynamic lateral displacement of the movable barrier

图8为皮卡车重心位置三方向加速度曲线，车辆X，Y，Z方向的最大加速度分别为8.1g，7.8g，6.5g，远小于评定标准的20g。

图8 皮卡车重心位置X，Y，Z方向加速度曲线Figure 8 Acceleration curves of X, Y, Z three direction of pick-up at gravity center

分析结果表明，皮卡车没有穿越、骑跨、下穿活动护栏，活动护栏导向性能良好，各性能指标均达到标准，有效保障了乘员安全，对皮卡车的防护达到了预期效果。

4.2 货车碰撞易开型防撞活动护栏

图9为10 t货车以60 km/h的时速从侧面20°角撞击活动护栏的运动轨迹。通过LS-PrePost后处理的货车与护栏碰撞动画可观察到，在0.4 s时货箱重心向左侧偏移；在0.5 s时货车以左后轮为侧翻点，货车右侧抬高倾斜，货箱偏移更为明显；0.6 s时在活动护栏的导向与阻挡作用下，货车行驶方向得到改善，货箱偏移停止，货车行驶姿态正常；货车于1 s时驶出活动护栏，驶出角度约为9.8°，小于碰撞角度60%。

(a)0.2 s (b)0.4 s

(c)0.6 s (d)0.8 s

图10为活动护栏的最大动态横向位移，在0.406 s时得到最大动态横向位移为0.894 m，远小于评定标准中规定值1.5 m。

图10 活动护栏最大动态横向位移Figure 10 The maximum dynamic lateral displacement of the movable barrier

图11为货车重心位置3个方向加速度曲线图，车辆X,Y,Z方向加速度分别为4.27g、2.60g、2.15g,均小于20g。

图11 货车重心位置X，Y，Z方向加速度曲线Figure 11 Acceleration curves of X,Y,Z three direction of fruck at gravity center

由仿真结果看出，易开型防撞活动护栏各项指标均满足评价标准，对货车的阻挡和导向的效果也都较为理想。

4.3 皮卡车与货车碰撞仿真对比分析

在分析了皮卡车与货车碰撞仿真的加速度与护栏最大横向位移的基础上，再对两种车型从车辆零部件脱落现象、护栏损坏程度、行驶轨迹分别进行对比分析，分析结果如表2、图12所示。

表2 皮卡车与货车碰撞仿真对比分析Table 2 Comparative analysis of impact simulation between pickup and truck车型车辆零部件脱落现象护栏损坏程度行驶轨迹皮卡车没有发生部件脱落现象。左前侧位置因与活动护栏为主要接触位置都存在变形,其中皮卡车在活动护栏的导向作用下,车辆改变行驶轨迹,导致车厢位置与活动发生碰撞,使车厢位置变形凹陷活动护栏损坏程度小,各部件未有变形在碰撞前期以左后轮为侧翻点向左倾斜;碰撞后期在活动护栏的导向作用下行驶姿态得到改善,行驶方向恢复正常,最终驶出活动护栏货车没有发生部件脱落现象。货车货箱因位置高于护栏,所以在货车运动后期并未发生碰撞活动护栏单元框架方形接头板处有受损,方形管梁也有不同程度受损,但没有断裂的现象。图12为活动护栏受损情况碰撞前期以左后轮为侧翻点向左倾斜,货车质量较大,所以倾斜更为明显;碰撞后期在活动护栏的导向作用下行驶姿态得到改善,行驶方向恢复正常,最终驶出活动护栏

图12 活动护栏损坏Figure 12 Damage of movable barrier

5 结论

新型中央分隔带易开型防撞活动护栏在兼有移动灵活、方便开启和安装方便等特点，还能满足Am防撞等级的要求，且在设计中加入中间连接柱缓解撞击，减少因为护栏刚性过强使乘员受到伤害。基于hypermesh和ls-dyna平台，对新型中央分隔带易开型防撞活动护栏根据规定的碰撞条件进行有限元碰撞仿真，依据现行的评价标准对仿真结果进行分析，从4个方面验证了新型中央分隔带易开型防撞活动护栏的安全特性。

a.新型中央分隔带活动护栏对两种不同类型的车均具有较强的阻挡和导向能力。

b.两次仿真碰撞中护栏的最大动态横向变形量均不大于规定值1.5 m，符合规定标准。

c.碰撞后车辆的X、Y、Z方向的重心加速度值均小于规定的20g，说明新型中央分隔带易开型防撞活动护栏还对车辆乘员有较好的保护。

d.在碰撞过程后，皮卡车与货车均只是部分位置变形，并且未存在部件脱落现象，表明新型中央分隔带易开型防撞活动护栏能减少对车辆的损坏。