城市道路交通護欄穿透汽車玻璃探討

尹菲

摘要：城市道路交通護欄在于汽車碰撞后發生形變，變成薄壁長桿，隨后撞擊汽車前擋風玻璃，并對車內乘員的生命安全造成了威脅。因此研究城市道路交通護欄穿透汽車前擋風玻璃至關重要。

關鍵詞：城市道路交通護欄;薄壁長桿;前擋風玻璃

0? 引言

根據中華人民共和國公安部數據[1]，隨著人民生活水平的提高，城市機動車保有量日益增加，機動車駕駛人也逐漸增多。但是，道路上大量的機動車導致了各種類型的交通事故數量也呈上升趨勢。根據我國公安部道路交通安全研究中心數據顯示，城市道路交通事故在所有的城市道路交通事故中占比45.8%[2]。城市中因車輛碰撞事故導致的傷亡人數占全國的交通事故中約為38.8%。由此可見，城市道路交通安全形勢極為嚴峻，需要深度優化道路交通問題。

機動車輛的增多導致城市出現擁堵，城市道路中央隔離護欄應運而生，其在車輛分流方面作用明顯，有效降低了一般交通事故的發生率。雖然城市道路交通護欄已經成為了城市中一道靚麗的風景線，具有許多優點。但是城市道路交通護欄也有諸多弊端，在碰撞安全性上，某些現有的城市道路中央隔離護欄考慮不足，尤其是關鍵的結構上存在設計不合理、制造質量低劣等情況。機動車首先撞擊城市道路交通護欄，隨后受損的護欄穿透車體或車窗，給人民群眾生命財產安全造成重大損失。因此這也揭露出城市道路交通安全管理其實存在非常多的漏洞與不足，如圖1所示。全國范圍內多發的車輛與道路中央隔離護欄碰撞事故，使得人們將目光放在了城市道路交通護欄優化以及車輛的碰撞安全性上，車輛與護欄碰撞相關研究已經刻不容緩。

1? 研究意義

城市道路交通護欄在中國各地應用廣泛。但是由于相關的國家標準以及相關規定尚未有效完善、城市道路交通護欄質量參差不齊，因此與之相關的車輛碰撞城市道路交通護欄的事故也呈現上升的趨勢。研究發現，車輛在與城市道路交通護欄碰撞后，護欄會侵入汽車前端，對車輛造成嚴重的貫穿破壞，更有甚者會危及車內乘員的生命，造成人員的傷亡。

雖然目前我國汽車與城市道路交通護欄碰撞事故頻發，但是國內外研究人員針對車輛與城市道路交通護欄之間的碰撞研究幾乎沒有。城市道路交通護欄在碰撞車輛后車體的損傷機制人們還不清楚，薄壁長桿穿透汽車前擋風玻璃的機制也并不明確。此外，根據已有文獻發現，有關汽車夾層玻璃的仿真大多是關于PVB夾層在不可失效的情況下對玻璃的裂紋進行的仿真[3]，但是對于可失效（即可穿透）的夾層玻璃仿真研究尚未進行。而城市道路交通護欄與車輛碰撞后薄壁長桿穿透轎車擋風玻璃的現象切實存在，因此相關的研究是必要而又緊迫的。

玻璃作為汽車中的一個重要組成部分[4]，它在汽車中的使用范圍不斷增加。汽車碰撞安全性能測試中，汽車前擋風玻璃的安全性能至關重要。汽車前擋風玻璃的抗沖擊破壞強度極為關鍵，是評價其是否安全的重要指標。在車輛與城市道路交通護欄發生碰撞時，城市道路交通護欄破損后形變產生成的薄壁長桿可能會撞擊汽車前擋風玻璃并造成穿透，其安全性能指標影響著碰撞中的安全表現。

2? 車輛碰撞及相關仿真國內外現狀

2006年湖南大學的謝慶喜[5]等人通過使用有限元方法，研究了城市道路交通護欄立柱對汽車的絆阻效應形成機制，并且針對如何安全有效地解除護欄立柱對汽車絆阻效應提出了一種思路。2010年河北工業大學的劉孔杰[6]等人針對多種波形護欄使用有限元仿真軟件進行了分析，并且提出了切實可行的改進方案。同年，長沙理工大學的趙健、雷正保[7]等人針對中國城市道路交通事故、高速公路交通事故等一些現有的可有效解決的安全隱患問題，提出合適的碰撞實驗條件并修改了相關的評價標準。通過仿真分析，他們探討了交通事故中汽車碰撞的等級范圍、碰撞的一般車型、碰撞車輛的質量高低、碰撞速度及碰撞角度等試驗條件的確定。由此可以看出，我國在汽車被動安全領域已經有了不少進步，但是關于車輛碰撞城市道路交通護欄方向研究幾乎沒有。國內城市道路交通護欄在進行使用前也很少進行過碰撞實驗，缺少相關的實驗數據，亟需加強我國自主研究的積極性，提升城道路交通安全可靠性。

歐美和日本對于城市道路交通護欄的碰撞研究遠遠領先于我國。英國的汽車機構[8]于1993年首次針對轎車碰撞護欄進行了仿真研究。此后Daniel J.MacDonald[9]等針對混凝土制成的城市道路交通護欄進行了碰撞實驗，并分析研究了該種護欄的破損機理。HA Whiworth[10]等對城市道路交通護欄碰撞進行了有限元模擬計算分析并提出了一種相對可靠的優化方案。

3? 夾層玻璃碰撞破壞相關問題及國內外現狀

汽車前擋風玻璃其實質上是一種夾層玻璃。該種夾層玻璃的結構為兩層鋼化曲面玻璃中間有一中PVB材料的夾層。玻璃由于其具有硬度大剛性強等特點，在受到沖擊載荷后容易出現破碎的現象，玻璃破碎后發生大面積的皸裂，易對乘員造成嚴重損傷。因此現在的汽車企業經常會在汽車前擋風夾層玻璃中通過熱壓技術加入PVB膜，這種PVB膜可以保證汽車前擋風玻璃在沖擊下保持位置不變或發生小范圍破裂，有限減少了玻璃碎片飛濺，減輕乘員的損傷，保護乘員及行人。同時，PVB夾層因為其一定的強度特性，在受到沖擊載荷時夾層不會輕易被擊穿，具有形變吸能的優點。

Ji等人通過建立汽車前擋風玻璃在受到沖擊時玻璃破損的概率模型，發現夾層玻璃的性能與沖擊處玻璃的薄厚關系不大。Chris等人通過研究發現了PVB夾層厚度與下層玻璃失效的關系。Flocker等人建立了建筑用夾層玻璃在低速沖擊下的失效模型。Dharani等人通過研究玻璃碎片沖擊下下層玻璃的破壞特性問題，發現了下層玻璃破壞程度隨著上層玻璃厚度的增加而減小。Timmel通過汽車前擋風玻璃的準靜態四點彎曲實驗發現了位移與沖擊載荷的關系曲線。Zhao分析了汽車內乘員頭部沖擊汽車前擋風玻璃的實驗結果。

程晶晶通過建立落錘實驗結果，詳細觀察并研究了汽車前擋風玻璃裂紋擴展的全過程。臧孟炎等人對汽車強擋風玻璃在沖擊載荷下裂紋的擴展機理進行了更進一步的研究。2010年，劉博涵等人對汽車前擋風玻璃進行了準靜態壓縮實驗，實驗發現了聚乙烯醇縮丁醛（PVB）夾層玻璃材料的應力-應變關系，并且隨后利用汽車前擋風玻璃的動能吸收比，比較了汽車前擋風玻璃在不同沖擊條件下的吸能效果。2014年，劉博涵等人又在描述粘彈性材料本構行為的經典模型基礎上，增加體現了材料應變率效應的修正項，并且建立了可描述的PVB薄膜非線性大變形和應變率相關效應的力學特性分析模型。2015年，程效通過對比PVB中間膜的不同力學模型，綜合了多種建模方法并建立了單層、雙層、三層以及PVB膜粘彈性、彈塑性四種不同的有限元模型，最后對比了在這些方法下頭型沖擊器的加速度與時間關系曲線。

目前國內外關于汽車前擋風玻璃夾層的破壞性能研究大多著眼于裂紋擴展，對夾層玻璃的穿透眼角較少。

4? 后續研究方向

該項研究可以從汽車與城市道路交通護欄碰撞最為基礎的層面入手，通過對整車與城市道路交通護欄碰撞有限元模型的建立與有效性驗證，探究典型形式護欄與車輛碰撞后薄壁長桿結構的形成機制。此外，還可以探索城市道路交通護欄碰撞后形成的薄壁長桿結構穿透汽車前擋風玻璃的機制。最后通過有限元仿真的方法研究薄壁長桿穿透汽車前擋風玻璃后玻璃的破損情況，觀察汽車前擋風玻璃力學響應與約束條件之間的關系。

5? 結論

通過對薄壁長桿穿透的汽車前擋風玻璃的建模與仿真，可以研究出薄壁長桿穿透汽車前擋風玻璃的損傷機制。這項研究將有利于優化我國城市道路交通護欄的關鍵結構、更改護欄的材料、提升汽車碰撞安全性能尤其是關于汽車前擋風玻璃的設計與完善。對提升我國道路交通安全事業有著重要的理論依據和參考價值。

參考文獻：

[1]2017年全國機動車和駕駛人保持高位增長[J].道路交通管理，2018（02）：6.

[2]趙琳娜.城市道路交通事故特點及解決對策[J].汽車與安全，2018（05）：68-70.

[3]中共中央辦公廳國務院辦公廳印發《關于推進城市安全發展的意見》[J].中國安全生產科學技術，2018，14（01）：48.

[4]奚少新，徐良杰，劉啟遠，應聃.城市中央隔離欄安全性改善及優化研究[J].武漢理工大學學報（交通科學與工程版），2015，39（02）：427-431.

[5]謝慶喜，張維剛，鐘志華.波形梁半剛性護欄與汽車碰撞的仿真分析及其結構優化[J].客車技術與研究，2006（01）：10-12.

[6]劉孔杰，崔洪軍，郄彥輝.高速公路雙波梁鋼護欄改造方案碰撞實驗研究[J].交通世界（運輸.車輛），2010（Z1）：159-160.

[7]趙建，雷正保，王素娟，歐碧峰.高速公路跨線橋防撞護欄碰撞試驗條件及評價標準研究[J].交通科學與工程，2010，26（04）：65-69.

[8]Bateman D， Nicholls J C. Transport Research Laboratory[J]. Geographic Coordinate System， 2012.

[9]Daniel MacDonald， Alan Kirk. Precast Concrete Barrier Crash Testing， Final Report SPR 330 [J]. Oregon Department of Transportation & Federal Highway Administration， December 2001.

[10]HA Whitworth， R Bendidi， D Marzougui and R Reiss. Finite element modeling of the crash performance of roadside barriers[M].Woodhead Publishing， 2003.9.