救命的高速路防護(hù)欄

李 根 王華山 董浩宇 張國(guó)春 韓峻杰

（燕山大學(xué)，河北 秦皇島066000）

當(dāng)汽車與傳統(tǒng)波形梁護(hù)欄相撞時(shí)，車輪容易被護(hù)欄立柱卡死而產(chǎn)生阻拌，這會(huì)大幅度降低防護(hù)欄的導(dǎo)向性，從而引發(fā)一系列讓人心痛的嚴(yán)重事故。為了從根本上避免阻拌，我們所設(shè)計(jì)的新型防護(hù)欄，通過(guò)使立柱后移來(lái)避免碰撞過(guò)程中車輛接觸側(cè)的車輪與立柱發(fā)生阻拌。并且為了降低生產(chǎn)成本、便于在傳統(tǒng)波形梁防護(hù)欄結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上改造，新型的防護(hù)欄依然可采用運(yùn)用于傳統(tǒng)的防阻塊、連接螺栓以及波形梁板。

1 高速路防護(hù)欄評(píng)價(jià)指標(biāo)

本文的研究將通過(guò)《公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B05-01-2013）中提供的一系列護(hù)欄的評(píng)價(jià)指標(biāo)與實(shí)驗(yàn)方法來(lái)評(píng)價(jià)護(hù)欄的安全性能。該評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為公路護(hù)欄的安全性能評(píng)價(jià)提供了實(shí)驗(yàn)與理論依據(jù)。

因?yàn)槲覀兊男滦头雷o(hù)欄是在傳統(tǒng)防護(hù)欄的基礎(chǔ)上改進(jìn)的，因此我們?cè)谶@里主要觀察分析新式高速路防護(hù)欄的阻擋功能與導(dǎo)向功能。

2 有限元模型的建立

2.1 車輛的有限元模型

汽車是一個(gè)含有眾多零部件且結(jié)構(gòu)復(fù)雜的機(jī)器。因此，建立詳細(xì)的汽車幾何模型需要多個(gè)工程技術(shù)人員的協(xié)力合作，整個(gè)建模過(guò)程對(duì)我們此次的研究來(lái)說(shuō)太過(guò)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，并且由于我們技術(shù)能力有限。因此，我們決定所采用的Neon 汽車有限元模型。（由美國(guó)高速公路安全管理局NHTSA 所提供）Neon 汽車有限元模型的主要參數(shù)如下表所示：

2.2 波形梁防護(hù)欄的有限元模型

波形鋼護(hù)欄板有良好的耐撞性能和吸收能量的作用，其主要是為了防止失控車輛沖出道路并起到一定的導(dǎo)向作用。立柱是波形梁防護(hù)欄中非常重要的支撐部件，它主要承受彎矩。

圖1 新式立柱有限元模型

3 仿真的基本理論

LS-DYNA 是功能齊全的幾何非線性、材料非線性和接觸非線性程序。可以用于非線性動(dòng)力學(xué)分析、多剛體動(dòng)力學(xué)分析、熱分析和流體分析等。并且它擁有豐富的材料模式庫(kù)以及攜帶最為方便的自適應(yīng)網(wǎng)格剖分功能。主要應(yīng)用在汽車工業(yè)、航空航天、公路橋梁設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。

3.1 單元類型

在車輛碰撞波形梁護(hù)欄的仿真中，常用的殼單元有HL 殼單元和BT 殼單元兩種。BT 殼單元產(chǎn)生于經(jīng)典薄殼理論，BT 殼單元在計(jì)算效率上要大大高于HL 單元，故單元類型以四邊形BT 殼單元為主。因此，我們采用BT 殼單元。

3.2 模型的簡(jiǎn)化

采用簡(jiǎn)化法，即利用車輛的駛出角θ 來(lái)計(jì)算離去的距離Δ。當(dāng)Δ ＞0m 時(shí)，表明車輛在駛出導(dǎo)向框時(shí)沒(méi)有越出導(dǎo)向框下邊緣線S;當(dāng)Δ ＜0m 時(shí)，則表明車輛己經(jīng)越出了導(dǎo)向框下邊緣線S。

3.3 波形梁板/防阻塊/立柱的材料參數(shù)的設(shè)置

波形梁板/防阻塊/立柱的材料參數(shù)可設(shè)置相同：密度為7865kg/m3，彈性模量取為200 MPa，剪切模量設(shè)為763MPa，屈服應(yīng)力420MPa，泊松比0.27，應(yīng)變率參數(shù)C 取40、P 取5。

4 新型護(hù)欄仿真與傳統(tǒng)護(hù)欄的對(duì)比

4.1 新型波形梁的安全性能仿真分析

車輛與新型高速路防護(hù)欄的碰撞仿真過(guò)程如圖2 所示。可以發(fā)現(xiàn)新型波形梁護(hù)欄的阻擋效果明顯，可以阻擋車輛的騎跨、翻越和穿越，防護(hù)欄零件和其脫離件也沒(méi)有侵入車內(nèi)。并且通過(guò)觀察圖2，在保留優(yōu)秀的阻擋效果的情況下。通過(guò)簡(jiǎn)化模型計(jì)算分析，車輛碰撞后離去距離△=0.307m，表明車輛離開(kāi)駛離點(diǎn)后的輪跡經(jīng)過(guò)駛出導(dǎo)向框時(shí)，沒(méi)有越出導(dǎo)向框下邊緣線，可大幅減少發(fā)生二次事故的風(fēng)險(xiǎn)。因此，新型波形梁護(hù)欄的導(dǎo)向效果不錯(cuò)。

4.2 新型與傳統(tǒng)波形梁防護(hù)欄的對(duì)比

在本文中，新型護(hù)欄與傳統(tǒng)護(hù)欄的安裝方式相同，而且再新型防護(hù)欄的設(shè)計(jì)中保留了傳統(tǒng)防護(hù)欄的防阻塊、波形梁板以及螺栓等零部件，在制造成本方面也僅在立柱上與傳統(tǒng)波形梁護(hù)欄有所區(qū)別，因此從批量生成后的經(jīng)濟(jì)性來(lái)看，二者的經(jīng)濟(jì)性是基本相同的。

圖2 車輛碰撞過(guò)程仿真

在安全性能方面，傳統(tǒng)防護(hù)欄和新型防護(hù)欄都沒(méi)有出現(xiàn)翻車、騎跨和穿越等現(xiàn)象，但是傳統(tǒng)波形梁護(hù)欄的立柱容易對(duì)汽車前輪產(chǎn)生了阻拌。由于出現(xiàn)了阻拌現(xiàn)象，導(dǎo)致傳統(tǒng)波形梁護(hù)欄的導(dǎo)向功能變差，增加了回彈回車道的可能性。傳統(tǒng)波形梁護(hù)欄的乘員碰撞后車輛離去距離△為-0.111m；而新型防護(hù)欄車輛離去距離△為0.307m。這些說(shuō)明，新型防護(hù)欄的導(dǎo)向功能比傳統(tǒng)波形梁護(hù)欄的要好，新型波形梁具有更優(yōu)秀的安全性能。

綜上所述，新型波形梁護(hù)欄具備較好的可行性，雖然新舊兩種防護(hù)欄具備相同的經(jīng)濟(jì)性。但是在安全性能方面，傳統(tǒng)波形梁防護(hù)欄因?yàn)樽璋璎F(xiàn)象的存在無(wú)法克服導(dǎo)向性能不好的問(wèn)題。而在新型波形梁防護(hù)欄結(jié)構(gòu)中，由于不存在阻拌現(xiàn)象，同時(shí)具有不錯(cuò)的阻擋功能和導(dǎo)向功能，因此，較前者具備更好的安全性能。