波形梁護欄土基的有限元模型研究

蔣昊

摘 要：波形梁護欄是我國最常見的一種公路安全被動防護設施，可有效吸收由車輛碰撞帶來的巨大碰撞力。有限元仿真是目前研究車輛碰撞護欄領域中最重要的技術手段，在護欄有限元建模過程中常常用固定約束代替土壤對立柱的承載力作用，從而對仿真結果造成了一定誤差。通過固定基與土基模型的吸能機理的研究，來驗證土基在有限元仿真中的影響。結果表明，常用的簡化固定基有限元模型跟實際碰撞的情況有一定的出入，建立土基實體模型在提高仿真精確度方面具有很大的作用。

關鍵詞：交通工程;護欄;土基模型;有限元仿真

中圖分類號：U417.12 文獻標識碼：A

0 引言

隨著我國車輛保有量的大幅度增加，公路護欄作為公路中最主要的交通安全防護設施，在與高速行駛的車輛發生碰撞時，通常會發生劇烈的塑性變形以及產生劇烈的碰撞能量變化，導致護欄設施材料失效、部件損壞以及汽車行駛方向失控等。由于車輛-護欄碰撞的實車足尺碰撞試驗成本高，試驗過程不可重復。隨著科學技術的發展，計算機仿真技術在交通事故安全管理方面的研究顯出很大的優越性。眾多研究學者利用有限元顯示動力學技術手段來進行車輛碰撞護欄仿真，以此減少實車足尺碰撞試驗的次數，減少成本投入，并經過實車碰撞驗證，其誤差可達到10%以內，其優勢不言而喻。波形梁護欄的立柱在車輛碰撞過程中主要承受彎矩，起到非常重要的支撐作用，波形梁護欄立柱土基通過受載后的變形可以耗散整個碰撞系統的碰撞能量，對于護欄結構設計以及緩沖效能而言是有利的。我國目前學者在有限元建模過程中主要采用固定基的方式來對車輛碰撞波形梁護欄進行仿真分析，固定基即不建立土壤模型，直接在護欄立柱進行自由度約束來模擬土基對立柱的承載作用，用固定基模擬土壤的承載作用雖能節約計算求解時間，但固定基不能較好的模擬土基的支撐作用，從而造成仿真結果與實車碰撞試驗結果的誤差偏大。因此建立土基實際模型，研究土基模型的建立對車輛碰撞波形梁護欄數值仿真的精確度提高的影響意義重大。本文基于最新規范[1]中的實車碰撞試驗結果對土基進行有限元仿真分析以驗證土基在仿真過程中的作用，對車輛碰撞護欄有限元仿真技術領域具有重大意義。

1 碰撞條件及有限元建模

碰撞仿真條件及評價標準依據現行規范中所提出的護欄碰撞安全性評價標準[2]進行仿真分析，護欄結構設計參考最新規范[1]中關于A級三波波形梁剛護欄的尺寸。有限元仿真所用的求解軟件選用Ls-Dyna動力學軟件進行求解計算，其中非線性動態顯示算法可以解決高速車輛碰撞及構件大變形效應等相關問題的求解分析。有限元模型的前處理軟件采用Hypermesh軟件，后處理采用Hyperview查看碰撞動畫文件以及通過Hypergraph圖形數據處理軟件進行車體質心加速度的濾波處理以此求出車體質心的加速度變化趨勢。固定基有限元模型選用鋼圈進行約束，鋼圈材料采用Ls-Dyna軟件中的線彈性材料即24號材料卡片，鋼圈固定基可選用20號剛性材料以此對護欄立柱進行約束，并在其底部進行約束使其不發生位移。網格大小劃分為20 mm，其中對于變形處可進行加密處理來提高計算精確度，護欄有限元模型采用殼單元屬性中的Belytschko-Tsay算法來進行計算，土基采用圓柱體形狀，單元屬性為實體單元，采用8節點6面體實體單元，在該圓柱體的外表面施加無反射邊界條件并約束其邊界自由度，以此來模擬土基的無限界域。土基材料參考文獻[3]中使用經過實驗驗證的土壤材料MAT_SOIL_AND_FOAM（5號材料），該模型假定土壤逐級變化，土壤在碰撞過程中產生的變形為各向同性。車輛碰撞設置終止時間為0.3 s，該時間可完整的反應車輛碰撞的整個過程，并節省了計算時間。最后需進行各個求解卡片的參數設置，如沙漏可采用默認的類型，即粘性沙漏控制，該算法可大大降低系統的求解計算時間，設置好各個求解卡片后可輸出成型的K文件并提交到顯示動力學求解器即可。

2 有限元仿真求解

通過上述有限元模型的建立以及各項材料、接觸、沙漏等參數卡片的設置，利用求解器求解計算后得出文件數據后對相關文件進行分析及查看，后處理器對碰撞的動態過程進行查看，同時對輸出的節點文件、能量輸出文件、動態圖畫文件進行分析處理。如圖1所示為車輛碰撞建立過立柱土基的護欄模型的動態結果，三張碰撞過程動態運行圖依次對應的時間點為0 s、0.1 s、0.3 s。從圖中可以看出護欄緩沖導向功能良好，土基單元在碰撞后會發生變形，與實際情況中車輛碰撞護欄時產生的巨大碰撞力會使立柱土基發生形變的現象相吻合，說明該土壤模型能較好的反映土壤的形變吸能狀態，具有可靠性。碰撞動畫上顯示，可見小客車碰撞護欄后在0.3 s以后平穩的駛出。實測的車身加速度信號由位于小車質心處的三維加速度傳感器測取，在數值仿真中通過輸出質心點的ASCII加速度文件并通過后處理對加速度文件中的曲線數據進行10 ms平均并濾波處理后，可以得出車輛在碰撞護欄后的各向最大加速度值，并參考評價規范進行安全性評價。在進行護欄碰撞仿真分析中，設置的第一組工況為立柱固定基模型工況，第二組試驗為立柱帶有土基的模型工況。第一組工況仿真結果中的X、Y向最大加速度分別約為131.6 m/s2、112.7 m/s2，護欄最大動態變形量為840 mm。該三組數據分別與實車碰撞試驗數據的誤差為9%、27%、8%。第二組工況仿真結果中的X、Y向最大加速度分別約為128 m/s2、145 m/s2，護欄最大動態變形量為760 mm。該三組數據分別與實車碰撞試驗數據的誤差為5%、6%、2.6%。從此可以得出有設置土基的模型通過有限元仿真求解得出的三項評價指標的相對誤差較未設置土基的相對誤差小，仿真精度較高。同時可以通過各部件能量的變化來分析各部件的吸能情況，車輛在碰撞護欄時是通過將自身的巨大碰撞動能轉化為護欄的內能及土基的內能，所以可以通過土基內能的變化情況與設置固定基時立柱內能的變化情況進行對比，從而可以比較土基在波形梁護欄的有限元仿真碰撞中所起到的吸能緩沖作用。

3 總結

本文對車輛與新版規范中所設計的三波波形梁護欄進行了有限元非線性顯示動力學的碰撞仿真模擬分析，通過對固定基以及真實護欄土壤模型的對比仿真碰撞模擬分析，并與實車足尺碰撞試驗結果進行對比，得出土基模型在仿真實驗中可以減少分析誤差的作用，在護欄的碰撞效應是比較明顯的，是不容忽視的，是護欄建模中需要考慮的因素。考慮到土基失效后的持續變形，實際的吸能效果將會更為突出，同時考慮到護欄土基的建立會加大仿真求解的計算時間，在仿真實驗中可根據實際情況對護欄土基的模型進一步優化來大大降低有限元仿真的求解時間。我國由于各地地理環境因素的影響，其波形梁護欄立柱的土壤成分也具有較大變化，如何根據不同的土壤環境條件來對立柱進行承載力分析，同時如何對不同土壤條件的立柱埋深深度進行量化，對減少材料損耗及降低經濟成本具有重大的意義，也是我們學者今后需要重點研究的對象。

參考文獻：

[1]JTG/T D81—2017，公路交通安全設施設計細則[S].

[2]JTG B05-01—2013，公路護欄安全性能評價標準[S].

[3]李勇，楊潤林.地基土體對貨車與波形梁護欄碰撞效應的影響[J].工程科學學報，2016，38（04）：589-594.