避险车道末端消能轮胎布置方式对吸能特性的影响

2021-08-03覃频频莫基强侯晓磊张绍坤

科学技术与工程 2021年19期

覃频频，莫基强，侯晓磊，张绍坤

(广西制造系统与先进制造技术重点实验室(广西大学机械工程学院)，南宁 530004)

避险车道指为使主线车流中的制动失效车辆能够减慢行驶速度并且最终停止下来，在主线道路旁设置的一种辅助车道[1]。作为提高交通安全的重要工程措施，已在中国得到广泛应用[2]。避险车道主要依靠制动床和末端减速消能设施使失控车辆强制减速，但驶入了避险车道的失控车辆仍然可能由于车速过大、避险车道长度不够等原因，碰撞或冲破末端消能设施，造成车辆或驾驶员伤亡或者冲出末端最终坠入悬崖，造成驾驶员严重伤残或死亡[3-5]。

针对不能在制动床上安全停车的失控车辆，合理设计避险车道末端就显得十分重要。常见的避险车道末端消能设施包括消能桶和消能轮胎，当失控车辆撞击消能轮胎时，消能轮胎通过充分发挥吸能特性，使失控车辆强制减速从而降低失控车辆以及驾驶员的伤亡[6]。国外关于避险车道的研究开展较早，研究内容也覆盖了避险车道从设计到施工的大部分环节，包括避险车道选位研究、避险车道长度研究、制动床集料研究等多个方面，但是针对避险车道末端减速消能设施的研究较少，仅美国宾夕法尼亚大学针对消能桶开展了实车实验研究[7]。中国的相关研究也较少，并且消能轮胎的工程应用缺乏统一标准，在避险车道末端轮胎堆放布置方式存在随意性。避险车道末端减速消能设施不仅包括了消能桶，还包括消能轮胎、集料堆、末端挡墙等，对于末端减速消能设施的研究仍需要补充。

为此，针对末端轮胎堆放布置方式随意性引发的问题，主要研究消能轮胎的水平和竖直布置方式对吸能性能的影响，从而获取消能轮胎对避险车道失控车辆强制制动效果的影响，期望研究成果能给消能轮胎的布置方式及后期维护提供科学依据。

1 轮胎模型建立

由于轮胎模型对吸能特性、计算精度和仿真结果可靠性有直接影响，因此建立能够准确反映轮胎结构特征的模型成为关键。

轮胎主要由胎面、胎侧、胎圈等橡胶材料部分和冠带层、带束层、胎体等帘线-橡胶复合材料部分所组成[8-9]。Clack提出了子午线轮胎应该具有的基本条件[10]：①充气时尺寸不能发生大的改变；②在包裹小障碍物时不能有连续的损伤；③刚度足够大，能抵御各个方向的作用力。管延锦等[11]采用三维实体单元建立了子午线轮胎的有限元模型。其中，不同的橡胶材料部分所使用的橡胶材料硬度也不经相同，轮胎橡胶材料使用*MAT_27材料，轮胎各部位的材料参数见表1，其中C10、C20为材料参数，ν为泊松比。

表1 橡胶材料参数

轮胎有限元模型的精度受网格划分、材料参数和边界条件等因素影响，为了保证消能轮胎在受到车辆撞击仿真时的精度，分别对所建立的轮胎模型进行径向刚度与侧向刚度模拟仿真。首先为建立好的轮胎添加刚体轮辋，并施加0.76 MPa的胎压，以及1 800 kg的载重。其中，径向刚度试验见图1(a)、侧向刚度试验见图1(b)。

图1 径向、侧向刚度试验示意图

轮胎径向刚度仿真和侧向刚度结果见表2。仿真数据值与文献[12]的试验值误差控制在10%的范围内，与试验数据较好的吻合度，其中，径向刚度仿真值小于试验值接近10%，这可能与本文中使用的光面轮胎有关。说明了轮胎模型、材料模型的合理性、可靠性和有效性。

表2 轮胎刚度测试

2 轮胎吸能特性

2.1 单轮压缩

在LS-DYNA软件中使用刚性压板对已经建立好的8R22.5子午线轮胎模型分别进行径向和轴向压缩试验，如图2所示。

图2 压缩试验

2.1.1 单轮径向压缩仿真试验

轮胎在径向压缩过程中，表现出明显的弹性特征，轮胎内能随着压缩量的增大而缓慢增大，如图3所示。在径向压缩实验中，由于轮胎橡胶材料的不可压缩性，在600～800 mm的压缩量范围内，轮胎内能增幅逐渐增大，在轮胎的压缩量达到815 mm时，内能达到最大值2 960 J；如图4所示，轮胎受到径向冲击时，橡胶材料结构中的胎面及胎侧，在变形过程中起到主要吸能的作用，胎圈吸能较少；帘线-复合材料结构中，胎体也承担了吸能的主要作用，冠带层的吸能效果很微小，两层带束层的吸能效果较之更好；而且在受力变形的前期阶段，胎面、胎侧和胎体就已经展现出了很好的吸能特性，胎面、胎侧和胎体三个部分的吸能量占轮胎总吸能量的80.5%。

图3 轮胎径向压缩吸能曲线

图4 轮胎各部位径向压缩吸能曲线

2.1.2 单轮轴向压缩仿真试验

轮胎轴向压缩试验中，轮胎内能增幅大且平稳，在压缩量为153 mm时，轮胎最大内能达到2 860 J。可见在轮胎受到轴向冲击时，起到主要吸能作用的结构仍然是胎面、胎侧和胎体，三者占轮胎吸能量总量的75%。其中胎面橡胶吸能量最大，与胎体的吸能量基本类似，到了压缩后期，随着胎面的进一步受力变形，胎面的吸能量开始激增；带束层的吸能效果较之于径向压缩轮胎的带束层吸能量增加了2.7倍，如图5和图6所示。

图5 轮胎轴向压缩吸能曲线

图6 轮胎各部位轴向压缩吸能曲线

根据轮胎的径向和轴向压缩试验，受到径向冲击的轮胎在吸能量上略高于受到轴向冲击的轮胎，而无论轮胎受到哪种形式冲击，其主要吸能结构仍然还是胎面、胎侧和胎体。值得注意的是，当压缩量相同时，两种压缩形式下轮胎的吸能量却相差很大。例如，当压缩量同为100 mm时，径向压缩轮胎吸能量为350 J，而轴向压缩轮胎的吸能量却已经达到了1 456 J，为径向压缩的4.16倍。可见消能轮胎在受到失控车辆的轴向冲击时能够更迅速地吸收其残余动能，使失控车辆迅速减速，能够在较短的距离内发挥消能作用；而消能轮胎受到径向冲击时能够吸收更多的失控车辆动能，而且整个吸能过程更缓慢，缓冲效果更好。

2.2 消能轮胎碰撞仿真试验

2.2.1 仿真环境设置

《公路避险车道设计规范》[13]指出，末端挡墙设置于消能设施(本文消能设施为消能轮胎)之后的制动床填方路基挡土墙上方，在车辆与消能轮胎发生碰撞时，能够对消能轮胎起到一定的约束作用，其设计目的不是为了阻挡失控车辆冲出制动床。根据对货车主要结构参数的调研，主流车型的驾驶室前挡风玻璃下缘高度最小值接近1.5 m，如果挡墙和消能设施高度大于1.5 m时，那么在失控车辆与之发生碰撞时，可能会对驾驶室内乘员造成伤害，因此挡墙设置高度应不超过1.5 m，且避险车道制动床宽度不小于4 m，挡墙应与制动床宽度同宽。故在消能轮胎后设置高1.5 m，宽4 m宽的挡墙。

为了消除消能轮胎设施数量对于吸能效果的影响，水平堆放与竖直堆放的消能轮胎碰撞试验的消能轮胎设置数量相等。轮胎水平堆放时，类似于径向压缩，见图7(a)；竖直堆放时类似于轴向压缩，见图7(b)。

图7 轮胎堆放方式

2.2.2 水平堆放仿真试验

图8和图9分别为车辆加速度和车辆速度仿真曲线，由曲线可以看出，在碰撞过程中，车辆加速度基本一直维持在(1～2)g之间，并在0.116 s时达到最大加速度2.56g，可见消能轮胎对于失控车辆具有很好地减速制动效果，并且不易对车内乘员造成伤害。0～0.116 s时间段内，车辆与消能轮胎刚发生接触的时候，车辆减速最为迅速，能够给予失控车辆有效的缓冲制动性能；随着车速的降低，在0.15～0.4 s时间段内加速度趋于平稳，失控车辆在这过程中稳定减速；在碰撞后期，车速进一步降低，但由于橡胶的不可压缩性，消能轮胎压缩幅度增大，轮胎愈发显示刚性，加速度也逐步增大，车辆速度在0.5 s时降低至1 m/s以下直到仿真结束。

图8 水平堆放加速度曲线

图9 水平堆放速度曲线

其中，碰撞过程中车辆与消能轮胎之间的接触力见图10。碰撞0.116 s时，接触力达到峰值127 kN，随后逐渐下降，碰撞0.2 s后，随着消能轮胎的进一步压缩，接触力渐渐增大，也表现于加速度上。

图10 水平堆放车辆接触力变化曲线

2.2.3 竖直堆放仿真试验

图11和图12分别为车辆加速度和车辆速度曲线。与竖直堆放试验不同，在碰撞过程中，车辆减速度一直呈现波动中且逐渐增大的趋势。在0.06 s时加速度达到第一个峰顶值，大小为2g；随后在0.15 s时达到了第二个加速度峰顶值，大小为2.1g；在0.15 s至仿真结束这一段时间内，加速度始终维持在1g以上并且在0.18 s时达到最大加速度，大小为3.1g；消能轮胎使失控车辆车速在0.22 s时降至10 km/h，而且，在0.3 s前便将车速控制到了1 km/h以下。