Gr-A-4E型護欄的碰撞仿真分析

張元青，張揚，周大安，徐曉宇

（1.江西應用技術職業學院汽車學院，江西 贛州 341000；2.上海杉達學院滬東工學院，上海 201209；3.山東化工職業學院機電工程系，山東 濰坊 261108）

前言

高速公路是目前交通領域中一個重要的組成，而且占交通運輸的比重越來越大，2017年交通運輸行業統計公報顯示，我國的高速公路占所有道路的比例是世界第一，遠遠超過其他國家。波形梁護欄是高速公路防護系統的核心組成部件，是車輛在高速公路安全行駛的重要保障。近年來，由于國內物流的迅猛發展，高速上行駛的貨車比率逐年上升，造成貨車事故率上升，且造成的事故引發的人身財產損失較大。故本研究以貨車碰撞波形梁護欄有限元仿真模擬實車碰撞試驗，分析波形梁護欄在碰撞過程中發生的變形情況，并對波形梁護欄的安全防護性能進行評價[1]。

1 建立碰撞仿真模型

1.1 有限元模型的建立

高速公路安裝的波形梁護欄類型絕大多數是 A級和 B級，本文使用的波形梁護欄為A級的Gr-A-4E型。根據護欄尺寸等相關設計要求，通過三維建模軟件，得出波形梁護欄的三維立體模型，之后將三維立體模型導入到Hypermesh中，對其進行網格劃分，得出Gr-A-4E型波形梁護欄的模擬仿真文件，仿真模型局部視圖如圖1所示。

圖1 Gr-A-4E護欄仿真模型的局部視圖

貨車的三維模型是市面上常見的10t級的廂式貨車，由于廂式貨車的結構復雜，無法直接建立有限元模型，所以先通過SolidWorks建立貨車的立體結構，再將立體結構文件轉換為STP文件類型，之后導入到有限元軟件Hyperworks中，通過模塊Hypermesh對廂式貨車三維模型進行有限元網格劃分。為了減少網格劃分的工作量，在合理范圍內可以對廂式貨車結構進行必要的簡化處理，比如發動機的結構可以簡化成一個方塊剛體，一些對整車碰撞性能無明顯影響的小部件可以忽略不計。在前處理模塊hypermesh劃分網格的過程中，既要考慮仿真模型的精度，又要節約仿真計算的時間，所以在碰撞核心區域網格密，在非核心區域網格稀。四邊形網格是網格劃分的常見類型，但是三角形網格在網格劃分中也會出現，但由于三角形網格的仿真計算容易失真，所以盡量減少三角形單元在整個網格中的比率，針對板材殼類型的部件，其單元的相關要求如表1所示，從表上可知，三角形單元的比率要求小于5%[2]。

表1 板材殼單元質量要求

圖2 仿真分析模型

Gr-A-4E型波形梁護欄有限元模型與廂式貨車有限元模型建立耦合體系，形成一個整體碰撞仿真模型，如圖2所示，該碰撞仿真模型需要導入LS-DYNA進行計算分析。

1.2 碰撞初始條件

車輛在道路行駛過程中，如果發生碰撞事故，事故的嚴重性取決于碰撞時刻車輛的速度和車輛與護欄之間的夾角，所以碰撞的速度以及夾角設置很關鍵。

碰撞時的速度以及夾角的設置需要按照國家相關規范中的要求來，有著很嚴格的限定條件，通過查詢國家相關規范可知，此次貨車碰撞Gr-A-4E型波形梁護欄的碰撞初始角設置為20°，車輛碰撞初始速度設置為60km/h。

2 波形梁護欄與貨車的碰撞仿真分析

根據最新的公路護欄安全評價標準，判斷護欄的防護性能的指標主要是從護欄的阻擋功能、緩沖功能和導向功能這三個方面進行分析。通過LS-DYNA仿真軟件計算得到仿真碰撞結果，然后用Hyperworks對Gr-A-4E型波形梁護欄的三個安全防護性能指標進行分析處理，了解Gr-A-4E波形梁護欄的防護性能。

2.1 護欄阻擋功能分析

貨車在碰撞波形梁護欄的過程中，護欄應阻擋貨車駛出道路，防止廂式貨車發生二次碰撞事故，所以合理的護欄設置是關鍵，是道路安全與否的核心要素。從相關規范中查詢，護欄最大變形量為 1400mm，即護欄變形的最大極限值，超出該范圍的護欄被認定為不安全護欄。如圖3所示，分別是t=0、92、330、511ms時貨車碰撞波形梁護欄的即時情況，在t=511ms貨車沖出護欄，護欄發生嚴重變形，由此可見，護欄無法起到良好的阻擋功能。

圖3 護欄的變形情況

2.2 護欄緩沖功能分析

如圖3所示，貨車碰撞波形梁護欄，波形梁護欄的立柱絆阻貨車，貨車車體偏離正常的行駛道路。車體碰撞過程中發生絆阻效應會嚴重影響車內乘員的安全。通過 LS-DYNA軟件的計算分析，得出碰撞過程中車輛質心三個方向的加速度變化情況，如圖4所示，從三個坐標圖看出質心的三向加速度的最大值均在200m/s2以上，是乘員無法承受的加速度，乘員可能從駕駛室越出，造成重大的生命危險。由此可見，Gr-A-4E型波形梁護欄的緩沖功能不達標，不能降低車內乘員的加速度。

圖4 車體質心處X、Y、Z處加速度曲線（cmm/s2，s）

2.3 護欄導向功能分析

圖5 廂式貨車行駛軌跡

如圖5可知，當t=0ms，此時是仿真模型設置的貨車與Gr-A-4E型波形梁護欄碰撞的初始狀態，到t=33ms時，貨車開始接觸波形梁護欄，到t=125ms時，Gr-A-4E型波形梁護欄與貨車完全接觸，Gr-A-4E型波形梁護欄變形量較大，且廂式貨車前護板也發生變形，當t=511ms時，Gr-A-4E型波形梁護欄各個部件幾乎脫離，已經失去防護性能，廂式貨車也完全偏離正常的行駛道路，越過波形梁護欄，極有可能造成廂式貨車發生二次碰撞事故，造成更大的人身財產損失。由此可見，Gr-A-4E型波形梁護欄的導向功能無法達到安全評價標準的要求，無法滿足高速公路防護安全的要求。

3 結論

通過Hyperworks等仿真軟件建立Gr-A-4E型波形梁護欄與廂式貨車碰撞仿真體系，并分析Gr-A-4E型波形梁護欄的安全防護性能。由以上仿真模擬分析可知：

（1）Gr-A-4E波形梁護欄對貨車無法起到很好的阻擋功能，不能有效的阻擋車輛偏離正常的行駛軌道，需要改進其結構。

（2）通過碰撞仿真分析，可以了解廂式貨車結構方面存在的問題，可以對廂式貨車結構的優化提供參考。

（3）通過仿真模擬實車碰撞分析試驗是正確的研究方法，它不僅降低試驗成本，且可重復性強。

由于碰撞仿真試驗無法完全代替實車碰撞試驗，所以Gr-A-4E型波形梁護欄的安全防護性能是否達標，還需要和實車碰撞試驗做對比分析。