基于PC-Crash 的公路护栏标准段安全性评价研究

2022-07-21王科超常安德

现代交通技术 2022年3期

王科超 ,常安德,2

(1.中国刑事警察学院,沈阳 110854;2.公安部痕迹检验鉴定技术重点实验室,沈阳 110854)

由于部分公路现有护栏已达到或接近使用期限,护栏安全性能降低,无法较好地满足当前公路交通防护需求[1]。同时疲劳驾驶、雨雪天超车等驾驶员因素或车辆突发故障导致的车辆失控,使车辆易与公路护栏标准段发生侧碰,造成人身及财产损失。因此,开展护栏标准段碰撞安全性研究对于提高当前公路交通事故预防能力十分必要。

国内外学者针对护栏标准段的安全性能开展了诸多研究,如都雪静等[2]使用ANSA 软件建立护栏有限元模型,通过分析仿真试验结果对高速公路现有波形板护栏的安全性进行评价;Marzougui 等[3]采用LS-DYNA 软件作为碰撞模型建立的工具,通过模拟试验结果与实车足尺试验数据的比较,分析波形梁护栏板的设置高度对护栏防护能力的影响;Yin 等[4]通过数值模拟对混凝土护栏的性能进行研究,并对护栏的横截面形状进行优化设计,以减小撞击车辆的侧倾角。在目前验证公路护栏标准段的方法中,实车足尺试验是获得准确数据和真实碰撞效果的最优方法,但开展相关试验需要耗费较多人力和物力,不宜大范围进行。随着计算机仿真方法的普及,交通仿真软件由于其在节省成本和提高效率方面的优势被日益推广。

PC-Crash 交通事故仿真软件可以模拟交通事故涉事车辆碰撞发生过程,辅助分析交通事故成因与交通事故责任认定[5]。经过与其他交通仿真软件的实测比较,PC-Crash 软件优势明显,计算时间快、计算结果相对准确,事故过程模拟可多维呈现且形象具体,进行单车碰撞事故仿真时能获得较好的试验模拟效果,可为本研究提供较好的技术支持。

基于PC-Crash 仿真软件,从防撞性、导向性以及乘员安全性3 个方面进行护栏标准段的安全性分析,实现对公路护栏标准段的安全性综合评价,有助于交通管理部门完善事故处理工作,也为改进护栏标准段设计提供参考。

1 两种典型护栏标准段

我国采用的护栏标准段形式主要包含混凝土护栏标准段、波形梁护栏标准段和缆索护栏标准段[6]。在部分风景区路段目前使用缆索护栏标准段较多,事故发生率较低;在中央分隔带和路侧区域使用波形梁护栏标准段和混凝土护栏标准段较多,事故发生率较高[7]。因此针对公路常见且事故多发的波形梁护栏标准段和混凝土护栏标准段设计车辆-护栏标准段碰撞仿真试验。

2 护栏标准段安全性能评价指标

根据《公路护栏安全性能评价标准》(JTG B05-01—2013)[8],护栏标准段的安全性能评价指标应符合:①阻挡功能:应能够阻挡车辆穿越、翻越和骑跨;试验护栏构件及其脱离件不得侵入车辆乘员舱。②缓冲功能:乘员碰撞速度的纵向分量与横向分量均不得大于12 m/s;乘员碰撞后加速度的纵向分量与横向分量均不得大于200 m/s2。③导向功能:车辆碰撞后不得翻车。车辆轮迹导向驶出框图如图1 所示,导向驶出时不得越出直线F,参数A和参数B的取值如表1 所示。

表1 参数A 和参数B 的取值 (m)

3 车辆-护栏标准段碰撞仿真试验

3.1 试验设计

第一阶段:确定试验车辆和护栏标准段种类,从软件库中调用试验车辆模型,建立护栏标准段模型。

第二阶段:建立车辆-护栏标准段基础碰撞模型,调整模型初始参数和环境参数,模拟碰撞过程。

第三阶段:制订试验方案,依照方案中的试验条件不断调整模拟碰撞过程,获取试验结果。

3.2 建立护栏标准段模型

采用PC-Crash 软件建立护栏标准段模型,通常有两种方法,第一种是先构建模型基础部件,通过功能设置使相同单元部件相互连接,再组成护栏标准段整体模型,混凝土护栏标准段模型如图2 所示;第二种是在PC-Crash 软件模型库中调用软件自带的模型,调用的护栏标准段模型与真实护栏标准段结构相同且外形相符,波形梁护栏标准段模型如图3 所示。

研究所建立的混凝土护栏模型包含8 个标准段结构单元,单元长度为4 000 mm,采用地锚式护栏端头;波形梁护栏模型包含11 个标准段结构单元,单元长度为2 000 mm,采用直立式护栏端头。

3.3 设置基础参数

从软件自带车辆数据库中选择合适的车辆类型,试验车辆信息如表2 所示,乘员质量为80 kg,制动距离为100 m,制动迟滞时间为0.20 s,波形梁护栏标准段初始位置为(20.900,0.000)、混凝土护栏标准段初始位置为(-9.564,-0.934),其余参数均按默认设置[9]。

表2 试验车辆信息

3.4 仿真试验方案

因试验针对较多研究客体,仿真试验的开展须依据恰当方案。改变碰撞角度、速度等参数,参考《公路护栏安全性能评价标准》(JTG B05-01—2013)设计车辆-护栏标准段碰撞模型的试验方案,碰撞仿真试验方案如表3 所示。

表3 碰撞仿真试验方案

4 仿真结果分析

4.1 护栏标准段防撞性分析

4.1.1 护栏标准段吸能性分析

碰撞试验结果如表4 所示。

表4 碰撞试验结果

综合5 种试验车型,大型客车以80 km/h 碰撞混凝土护栏标准段的吸收能量值最大,混凝土护栏标准段能量吸收曲线如图4 所示。

梳理《公路交通安全设施设计规范》(JTG D81—2017)中车辆撞击刚性护栏的实测统计结果,并汇总理论计算值,车辆撞击刚性护栏的理论值与实测值[10]如表5 所示。在满足碰撞角度相同、碰撞速度增加且车辆总质量增加的情况下,护栏标准段在碰撞时吸收的能量值较多。因此在试验车辆与混凝土护栏标准段的碰撞仿真试验中,护栏标准段模型在多种车型碰撞下不能满足吸能要求。

表5 车辆撞击刚性护栏的理论值与实测值

《公路交通安全设施设计细则》(JTG/T D81—2017)[11]对我国公路通常使用的波形梁护栏有明确的等级分类,细则内容参考日本对护栏结构的设计和碰撞试验,两国波形梁护栏可吸收的碰撞能量等级分类如表6 所示。

表6 两国波形梁护栏可吸收的碰撞能量等级分类

不同试验车型与波形梁护栏标准段模型的碰撞试验结果如表7 所示。

表7 不同试验车型与波形梁护栏标准段模型的碰撞试验结果

综合5 种试验车型,波形梁护栏标准段吸收能量值在大型客车以80 km/h 的速度进行碰撞试验时最大,波形梁护栏标准段能量吸收曲线如图5 所示,所以波形梁护栏标准段模型在多种车型碰撞下不能满足三级护栏的防护要求。

4.1.2 护栏标准段横向动态变形分析

护栏标准段横向动态变形的评价目前主要依据《公路护栏安全性能评价标准》,公路护栏标准段应符合最大横向动态变形值D≤3.5 m,护栏横向动态变形类别如表8 所示。此外,依据护栏防撞性能相关研究和《公路交通安全设施设计细则》(JTG/T D81—2017),D半刚性两波波形梁护栏标准段≤100 cm,D半刚性三波梁护栏标准段≤75 cm,D刚性护栏标准段≤10 cm。结合上述两种评价要求,以最大规范值3.5 m 作为衡量标准。

表8 护栏横向动态变形类别

不同试验车型碰撞护栏标准段模型,护栏标准段最大横向动态变形值如图6 所示。对于大型客车和大型货车,混凝土护栏标准段的最大横向动态变形值D>3.5 m,不能满足刚性护栏碰撞变形要求;对于中型客车、大型客车和大型货车,波形梁护栏标准段的最大横向动态变形值D>3.5 m,不能满足波形梁碰撞变形要求。

4.2 护栏标准段导向性分析

分析护栏标准段模型在不同车型、不同车辆总质量以及不同碰撞速度等试验条件下的导向作用,部分具有代表性的护栏标准段导向示意如图7 所示,多种试验车型出现穿越、横转以及侧翻等情况,存在车辆轮迹导向驶出框图,出现图1 中参数A为负值的情况,即无法按照标准设置导向驶出框,或者车辆行驶与导向驶出框图不符,所以护栏标准段模型不能满足碰撞后车辆导向要求。

4.3 乘员安全性分析

在实车足尺试验中,评价乘员的安全性符合要求是经碰撞造成的头部伤害[头部性能指标(HPC)]应满足≤1 000,大腿伤害应满足≤10 kN,胸部伤害[胸部压缩指标(ThCC)] 应满足≤75 mm[12]。而在计算机仿真试验中,通常根据护栏标准段的安全性能评价指标,使用车辆质心处加速度对乘员安全性进行评价,只有满足车辆质心在规定方向上的加速度数值α≤20g(1g=10 m/s2),乘员受伤程度才可能会较低。以车辆质心x、y、z轴为规定方向,分别代表PC-Crash 软件绘图中的纵向、侧面以及铅直方向。

5 种试验车型中,中型客车以60 km/h 碰撞波形梁护栏标准段模型时沿y轴的加速度为最大分量加速度,数值为10.35g,中型客车质心加速度如图8所示,即3 个方向上的车辆质心加速度均小于规范值20g,所以护栏标准段模型能够满足乘员安全性评价要求。