车辆撞击旋转式防撞护栏仿真分析

2022-01-14俞洪政

公路交通技术 2021年6期

俞洪政，李琦

(1.重庆交通大学土木工程学院，重庆 400074； 2.招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400067)

公路桥梁防撞护栏作为失控车辆的一道生命线，是道路交通安全不可缺少的重要交通安全设施，主要形式有刚性护栏和半刚性护栏[1]。钢筋混凝土护栏是最常见的刚性护栏，自身刚度大，在导出失控车辆时对于车辆和乘员损伤比较大。波形护栏是典型的半刚性护栏，国内已对其进行了大量研究。而旋转式防撞护栏作为一种新型的半刚性护栏，具有优异的导向性能和缓冲性能，已有诸多学者对其性能进行了研究。彭桔志等[2]对旋转式防撞护栏的应用和结构特点进行了介绍；陈国兴等[3]对旋转式护栏进行了实车足尺试验，得出旋转式护栏具备冲击SA级以及SS级护栏的能力；Sun[4]研究了旋转桶的鲁棒性，解决了旋转式护栏截面参数不确定的多目标优化设计问题，实现了新型旋转式护栏的轻量化。目前相较于波形护栏，旋转式防撞护栏的吸能特性研究较少，本文将采用LS-DYNA软件模拟汽车碰撞旋转式防撞护栏后，其吸能特性和导向能力与波形梁护栏进行对比，分析旋转式防撞护栏的导向能力和吸能特性。

1 汽车-护栏碰撞仿真系统

1.1 护栏的构造

根据JTG D81—2017《根据公路交通安全设施细则》[5]对公路桥梁护栏的要求，护栏防撞等级设为SB级。旋转式防撞护栏结构采用DB33/T 888—2013《旋转式防撞护栏设置规范》中的RG-SB-2型构造，总体长度为42 m，共设置21跨，每跨立柱间距为2 m。立柱和横梁采用Q235钢材，滚筒采用高强度、抗氧化、弹性好的EVA材料。钢护栏选用JTG/T D81—2017《高速公路交通安全设施设计及施工技术规范》中的SB级波形梁护栏，长度为40 m，立柱间距为2 m。护栏结构示意如图1、图2所示，有限元模型如图3、图4所示。

单位：mm

图3 旋转式防撞护栏有限元模型

图4 波形梁防撞护栏有限元模型

1.2 汽车有限元模型

根据JTG B05-01—2013《公路护栏安全性能评价标准》[6](简称《评价标准》)规定，建立了1.5 t重小汽车模型。本文主要研究护栏的吸能特性和导向功能，由于汽车在碰撞护栏的过程中，大部分能量被护栏吸收，因此将汽车模型进行一定的简化，只建立汽车的外壳，将发动机等非重要参数简化为质量块。通过对质量块的调整，以保证车辆的整体质量以及重心高度保持不变[7-8]，简化后的汽车模型如图5所示。

1.3 模型单元及材料类型

汽车模型所使用的主要单元类型为壳单元，材料类型为MAT24号弹塑性材料模型。发动机、油箱等采用实体单元，不考虑其在碰撞过程中的变形作用，因此采用MAT20号刚体材料模型，车轮使用橡胶材料，旋转桶所使用的EVA材料。汽车和护栏具体材料参数如表1所示。

表1 汽车护栏有限元模型各材料本构参数

1.4 碰撞系统的接触与控制

车辆-护栏碰撞系统非常繁杂，涉及到汽车各部件之间的连接，汽车与护栏接触类型及接触算法选择等。车辆位于碰撞区域的部件采用焊点方式模拟连接，非重要部位采用共节点及节点绑定的连接方式。护栏系统采用螺栓连接的方式[9]。汽车与护栏之间采用自动面面接触，汽车、护栏自身采用自动单面接触，车轮的转动采用铰链的方式进行模拟，采用刚性墙模拟地面，车轮与地面摩擦系数取0.3[10]。汽车与护栏碰撞系统如图6所示。

图6 汽车与护栏碰撞系统

1.5 碰撞条件

采用《评价标准》[6]中SB级护栏评价标准进行汽车与护栏之间的碰撞条件确定，碰撞参数如表2所示。

2 护栏碰撞仿真结果分析

采用LS-prepost软件进行有限元的后处理分析，从护栏的吸能量、护栏的缓冲性能和护栏的导向功能3个方面对旋转式防撞护栏进行分析[11]。

2.1 汽车-护栏系统碰撞仿真性能验证

非线性动力学中常常用单点高斯积分单元来进行分析，此种方法可节省大量仿真计算时间，但单点积分的方式容易引起沙漏模式。沙漏的出现将使仿真结果与实际情况出现偏差，降低仿真结果的可信度，当沙漏值的占比超过了10%时认为计算的结果是不可信的[12-15]。汽车-护栏碰撞系统能量变化如图7、图8所示。从图7、图8中可以看出，沙漏能占总能量的10%以下，故本文的仿真计算结果具备一定的可靠性。

表2 车辆碰撞条件

图7 汽车-旋转式护栏系统能量变化

图8 汽车-波形护栏系统能量变化

2.2 护栏导向功能

失控汽车在撞击防撞护栏时，要求防撞护栏能正确导出碰撞车辆，不能出现车辆骑跨、翻越以及穿越护栏的现象。旋转式护栏导向如图9所示，汽车碰撞护栏角度变化时程如图10所示。从图9、图10可见，初始时，汽车与X轴平行，夹角为0°；碰撞开始后，汽车在0.02 s时开始接触旋转式防撞护栏，此时汽车与X轴的夹角开始发生变化，在0.08 s时汽车在护栏的阻拦下已经发生转向，车辆与护栏的夹角变为15°，在0.18 s时，汽车车身与护栏接近平行，此时汽车与X轴的夹角为20°，在0.3 s时，车驶离护栏，驶出角度为16°，且小于汽车与护栏的初始碰撞角；0.45 s时，汽车与X轴的夹角变为20°，说明此时的汽车与护栏平行。在整个碰撞过程中，汽车未出现骑跨、翻越以及穿越护栏等现象，说明旋转式护栏具有良好的导向功能。

图9 汽车碰撞角度变化时程

(a) 0.02 s

(b) 0.08 s

(d) 0.3 s

2.3 护栏缓冲效果

在失控车辆撞击护栏时，为了保护车内乘员生命财产安全，要求汽车在撞击护栏时，乘员座椅处的X方向加速度与Y方向加速度均应小于200 m/s2。由于车辆使用的简化模型，未建立座椅，不能直接对乘员座椅处的加速度进行提取，因此选用车辆重心加速度来代替,重心在Hypermesh里采用不变形的刚体单元，以便采集加速度。用LS-prepost软件提取的车辆重心X、Y加速度如图11所示。

图11 小汽车重心X、Y方向加速度曲线

在碰撞过程中，旋转式护栏在Y轴上的最大加速度值为125.8 m/s2，在X轴上最大加速度值为169.5 m/s2，均小于规范中的200 m/s2，满足规范要求。

2.4 护栏动态变形量

为得到护栏在碰撞过程中的动态变形量，在Hypermesh中对护栏变形量最大处进行布点，通过LS-prepost后处理提取出该点护栏动态变形量，如图12所示。从图12中可见，波形护栏的最大动态变形量要明显高于旋转式护栏，达到了273 mm，而旋转式护栏的最大动态变形量为168 mm，表明旋转式护栏比波形护栏更适用于危险的山区高速公路。