救命的高速路防护栏

李 根 王华山 董浩宇 张国春 韩峻杰

（燕山大学，河北 秦皇岛066000）

当汽车与传统波形梁护栏相撞时，车轮容易被护栏立柱卡死而产生阻拌，这会大幅度降低防护栏的导向性，从而引发一系列让人心痛的严重事故。为了从根本上避免阻拌，我们所设计的新型防护栏，通过使立柱后移来避免碰撞过程中车辆接触侧的车轮与立柱发生阻拌。并且为了降低生产成本、便于在传统波形梁防护栏结构基础上改造，新型的防护栏依然可采用运用于传统的防阻块、连接螺栓以及波形梁板。

1 高速路防护栏评价指标

本文的研究将通过《公路护栏安全性能评价标准》（JTG B05-01-2013）中提供的一系列护栏的评价指标与实验方法来评价护栏的安全性能。该评价标准为公路护栏的安全性能评价提供了实验与理论依据。

因为我们的新型防护栏是在传统防护栏的基础上改进的，因此我们在这里主要观察分析新式高速路防护栏的阻挡功能与导向功能。

2 有限元模型的建立

2.1 车辆的有限元模型

汽车是一个含有众多零部件且结构复杂的机器。因此，建立详细的汽车几何模型需要多个工程技术人员的协力合作，整个建模过程对我们此次的研究来说太过费时费力，并且由于我们技术能力有限。因此，我们决定所采用的Neon 汽车有限元模型。（由美国高速公路安全管理局NHTSA 所提供）Neon 汽车有限元模型的主要参数如下表所示：

2.2 波形梁防护栏的有限元模型

波形钢护栏板有良好的耐撞性能和吸收能量的作用，其主要是为了防止失控车辆冲出道路并起到一定的导向作用。立柱是波形梁防护栏中非常重要的支撑部件，它主要承受弯矩。

图1 新式立柱有限元模型

3 仿真的基本理论

LS-DYNA 是功能齐全的几何非线性、材料非线性和接触非线性程序。可以用于非线性动力学分析、多刚体动力学分析、热分析和流体分析等。并且它拥有丰富的材料模式库以及携带最为方便的自适应网格剖分功能。主要应用在汽车工业、航空航天、公路桥梁设计等领域。

3.1 单元类型

在车辆碰撞波形梁护栏的仿真中，常用的壳单元有HL 壳单元和BT 壳单元两种。BT 壳单元产生于经典薄壳理论，BT 壳单元在计算效率上要大大高于HL 单元，故单元类型以四边形BT 壳单元为主。因此，我们采用BT 壳单元。

3.2 模型的简化

采用简化法，即利用车辆的驶出角θ 来计算离去的距离Δ。当Δ ＞0m 时，表明车辆在驶出导向框时没有越出导向框下边缘线S;当Δ ＜0m 时，则表明车辆己经越出了导向框下边缘线S。

3.3 波形梁板/防阻块/立柱的材料参数的设置

波形梁板/防阻块/立柱的材料参数可设置相同：密度为7865kg/m3，弹性模量取为200 MPa，剪切模量设为763MPa，屈服应力420MPa，泊松比0.27，应变率参数C 取40、P 取5。

4 新型护栏仿真与传统护栏的对比

4.1 新型波形梁的安全性能仿真分析

车辆与新型高速路防护栏的碰撞仿真过程如图2 所示。可以发现新型波形梁护栏的阻挡效果明显，可以阻挡车辆的骑跨、翻越和穿越，防护栏零件和其脱离件也没有侵入车内。并且通过观察图2，在保留优秀的阻挡效果的情况下。通过简化模型计算分析，车辆碰撞后离去距离△=0.307m，表明车辆离开驶离点后的轮迹经过驶出导向框时，没有越出导向框下边缘线，可大幅减少发生二次事故的风险。因此，新型波形梁护栏的导向效果不错。

4.2 新型与传统波形梁防护栏的对比

在本文中，新型护栏与传统护栏的安装方式相同，而且再新型防护栏的设计中保留了传统防护栏的防阻块、波形梁板以及螺栓等零部件，在制造成本方面也仅在立柱上与传统波形梁护栏有所区别，因此从批量生成后的经济性来看，二者的经济性是基本相同的。

图2 车辆碰撞过程仿真

在安全性能方面，传统防护栏和新型防护栏都没有出现翻车、骑跨和穿越等现象，但是传统波形梁护栏的立柱容易对汽车前轮产生了阻拌。由于出现了阻拌现象，导致传统波形梁护栏的导向功能变差，增加了回弹回车道的可能性。传统波形梁护栏的乘员碰撞后车辆离去距离△为-0.111m；而新型防护栏车辆离去距离△为0.307m。这些说明，新型防护栏的导向功能比传统波形梁护栏的要好，新型波形梁具有更优秀的安全性能。

综上所述，新型波形梁护栏具备较好的可行性，虽然新旧两种防护栏具备相同的经济性。但是在安全性能方面，传统波形梁防护栏因为阻拌现象的存在无法克服导向性能不好的问题。而在新型波形梁防护栏结构中，由于不存在阻拌现象，同时具有不错的阻挡功能和导向功能，因此，较前者具备更好的安全性能。