基于LS-DYNA 的重型车辆撞击方形桥墩数值模拟分析

2020-11-19彭可可

华东交通大学学报 2020年5期

宣超，彭可可

（佛山科学技术学院交通与土木建筑学院，广东佛山528225）

近些年，国内外很多学者对车桥碰撞展开了相关研究，主要通过落锤试验和有限元软件近似模拟碰撞过程。 Buth[1]采用36.3 t 的卡车以80 km/h 速度撞击直径为900 mm 的实芯钢柱进行试验研究，建议采用2 669 kN 作为桥墩抗撞设计荷载[2]。Kazunori[3]对钢筋混凝土梁进行落锤试验，分析了配筋率对梁的破坏形式和动力响应的影响。落锤试验不确定因素较多，且花费较大。随着计算机技术的快速发展，有限元软件模拟车桥碰撞过程被越来越多的桥梁专家和高校学者所接受并研究。王娟[4]通过ANSYS/LS-DYNA 软件，搭建了相对精细化模型，总结了箍筋间距、屈服强度和混凝土抗压强度等参数对碰撞过程的影响规律。杜伟[5]通过有限元软件模拟了车辆在不同角度碰撞桥墩的过程，得出碰撞过程中的参数规律。陈林[6]基于ANSYS/LSDYNA 软件，对比不同边界条件和箍筋直径的桥墩在车辆碰撞下的损伤区域特征与水平位移变化。

现有研究模拟碰撞过程中选用车辆载重基本在40 t 以下，未考虑高速行驶的重型车辆与车桥耦合规律。考虑上述因素，基于有限元软件LS-DYNA 进行数值分析，模拟质量为30，40 t 和50 t 卡车分别以50，80，110 km/h 撞击桥墩，分析碰撞过程中动力响应规律。

1 建立车桥模型

1.1 桥墩模型

桥墩原型是佛山市某钢筋混凝土桥墩。设计参数为4 m×1.5 m，高度为6.5 m，混凝土强度等级为C35，主筋为28 mm 的HRB400 热轧带肋钢筋，共15 根。基础和桥墩底部的连接以固端约束简化。桥墩用Solid164 单元建模，考虑到碰撞部位的变形和力学响应较大，网格划分为单元尺寸60 mm 的六面体实体单元；承台网格单元尺寸为120 mm；上部结构以刚臂与质量点模拟，建立在桥墩顶端，墩顶边界条件以Combin165单元模拟。钢臂用Solid164 单元模拟，质量点的质量提取自Midas-civil 模型中的支反力，刚臂的高度为桥墩顶部到上部结构形心之间的距离，网格划分为120 mm 的六面体单元。桥墩划分后的有限元模型共计节点数62 473，单元数为59 806。

1.2 车辆模型

车辆模型参考了东风重卡，车辆总长11.55 m，车身宽为2.5 m，高为3.45 m。对车辆进行了简化设计后的车桥碰撞模型如图1。车辆主要以shell163 单元建立模型，通过定义壳单元的厚度，可以较真实的模拟车辆模型。整车分为车头和车身两个部分，车头部分是主要碰撞部位，划分为50 mm 的四边形单元，车身划分后的单元尺寸为100 mm，共划分了26 431 个单元。

2 材料本构模型

图1 车墩碰撞模型Fig.1 Vehicle-pier collision model

2.1 混凝土材料

由于桥墩中混凝土材料要满足模拟高应变率，大应变下的混凝土力学性能，选择适用碰撞冲击的Holmqusit-Johnson-Cook 损伤积累模型（HJC 模型）[7]，其详细参数见表1。

表1 HJC 模型材料参数Tab.1 HJC model material parameters

2.2 车辆材料

总结国内外碰撞研究和实际碰撞事故，发现碰撞过程中，车头处塑形变形较大，是主要吸收能量的部位，简化后车头选用线性强化弹塑性材料本构模型（*MAT_PLASTIC_KINEMATIC），即LS-DYNA材料关键字中的*MAT_003，车头材料模型参数见表2。车身在碰撞过程中变形较小，以刚体模型模拟（*MAT_RIGID）[8]。

表2 MAT_PLASTIC_KINEMATIC 材料参数Tab.2 MAT_PLASTIC_KINEMATIC material parameters

2.3 接触界面模拟

车-桥墩碰撞是很短暂的过程，持续时间大概在200 ms 以内。桥墩算例未设置防撞设施，车辆在行驶过程中与桥墩发生正碰，故只要考虑车头处与桥墩之间的接触，接触类型设置为面面接触，摩擦系数为0.3。

3 结果分析

3.1 墩顶位移

如图2 所示，分别为30 t 和40 t 的车辆在时速50，80，110 km/h 的条件下与桥墩发生碰撞的墩顶位移-时程曲线。墩顶位移能较为直观的反映上部结构的稳定性，故一直是碰撞研究的重要参数。在碰撞刚开始时，墩顶区域产生了负位移，这是由于开始时碰撞力较小，上部荷载的作用所导致的。车桥碰撞过程中墩顶位移的变化趋势基本相同，但墩顶的边界条件对位移有一定的约束作用，车速在50 km/h 和80 km/h 时墩顶位移最值很小，当车速提升到110 km/h 时，墩顶位移最值有较大的提升；在相同时速下，40 t 车辆碰撞造成的墩顶位移较30 t 车辆有显著提升。随着时间的推移，墩顶位移逐渐降为一个定值，碰撞过程结束。

图2 墩顶位移-时程曲线Fig.2 Time history curve of pier top displacement

3.2 碰撞区域位移

如图3 为40 t 的车辆以不同的时速下碰撞区域位移时程曲线，碰撞区域位移较墩顶位移更加复杂，大致围绕初始位置进行周期运动。因为碰撞区域是碰撞过程中直接接触的区域，且墩顶处的边界条件对墩顶位移的限制作用，墩顶位移峰值较墩顶位移峰值明显增大。随着车速的提升，碰撞区域位移时程曲线的振幅增大，峰值也有一定的提升。

3.3 有限元模拟的合理性

图3 碰撞区域位移-时程曲线Fig.4 Time history curve of collision area displacement

以载重30 t，时速50 km/h 的车辆碰撞桥墩，得出能量-时程曲线如图4 所示。对时程曲线分析可以看出，碰撞刚开始时，动能与总能量相等，随着时间的推移，逐渐减少，碰撞结束时降为0；内能随着碰撞过程的进行，数值逐渐增加并趋于总能量；总能量在整个碰撞过程有略微的波动，是由有限元软件在计算时的误差导致的。总体来说，在整个碰撞过程中，车辆的动能逐渐减少，转化为沙漏能（碰撞过程是非线性动力学接触问题）[9]，在显示分析中因为采用缩减积分使单元计算时积分点数少于实际个数，这样可以加快计算进程，但也会造成一种单元零能模式，即为沙漏能、滑移能和内能。其中，内能吸收转化的能量所占比例最大。在碰撞结束后，沙漏能小于总能量的5%，计算模拟结果具有可靠性。

3.4 碰撞力分析

在车桥模拟碰撞过程中，碰撞力是研究的重点之一。图5 为30 t 车辆在不同时速下与桥墩发生碰撞的碰撞力时程曲线，整个碰撞过程大概持续在0.2 s 内。随着车速的增加，碰撞力到达峰值的时间减少，碰撞力峰值也逐渐提高。 50 km/h 的车辆碰撞力峰值为12.6 MN，碰撞时间为150 ms；80 km/h 的车辆碰撞力峰值为18.7 MN，碰撞时间为160 ms；110 km/h 的车辆碰撞力为26.2 MN，碰撞时间为200 ms。碰撞过程大致可分为3 个阶段，即上升期，下降期和平稳期。上升期车头部位与桥墩接触，碰撞力到达最大值;下降期车桥振动依然存在，碰撞力逐渐下降为0；平稳期碰撞过程结束，碰撞力为0。图6 为车辆初始时速为80 km/h 时，不同载重的车辆与桥墩发生碰撞时的碰撞力时程曲线。可知，当车重增加，碰撞力峰值也随之上升。当车重为50 t 时，因为初始动能较大，车头部位被迅速压扁，车辆与桥墩发生二次碰撞，即车身与桥墩的碰撞，碰撞力会再次上升，到达一定数值后降为0，碰撞结束。