公路交通中汽車防撞護欄性能比選及優化

張藍月　鄒鵬

【摘 要】隨著交通運輸的發展，交通安全問題也逐漸突出，公路護欄是公路交通安全防護最為常見的措施。文章進行了汽車模型的簡化模擬驗證，建立了汽車-護欄耦合顯示動力學數值模型，研究了雙波形梁、雙條形梁、三波形梁、柔性四纜索不同類型的護欄的防撞性能，得到護欄在汽車撞擊作用下的變形、耗能效果，結果表明：半剛性護欄和柔性護欄在汽車碰撞過程中變形量在安全范圍內，柔性護欄的吸能效果較差，但其單位質量耗能率大于半剛性護欄，且增加耗能器優化后的柔性護欄可實現更高的單位質量耗能率和吸能比。

【關鍵詞】交通安全; 護欄; 數值模擬; 優化

【中圖分類號】U417.1+2【文獻標志碼】B

隨著我國交通運輸體系不斷完善，我國高速公路通車里程居世界第一位，由此產生的交通安全問題也愈發不可忽視。據統計顯示，在我國每年1/3的高速公路交通事故為車輛與路側結構的碰撞，且該比例呈逐年上升趨勢[1]。因此在公路上設置合適的防撞護欄對特、重大惡性交通事故的防治，具有重大意義。

護欄作為高速公路的主要安全設施，起著吸收汽車撞擊能量、減小汽車碰撞加速度峰值重要作用，另一方面它可以將失控車輛導向正常的行駛方向的關鍵作用。護欄按力學特性可分為：剛性護欄、半剛性護欄和柔性護欄三類[2]。本文從雙波形梁半剛性護欄入手，利用LS-DYNA有限元軟件進行汽車撞擊仿真模擬，分析護欄在碰撞過程中的最大橫向變形量、撞擊力、吸能情況等動態力學響應;進一步對已有幾種形式的護欄（雙條形梁護欄[3]、三波形梁護欄、柔性四纜索護欄）進行汽車撞擊仿真模擬，比選各個護欄結構的吸能效果;對護欄形式進行優化設計，采用增加耗能器的方法，使其材料成本、自重更低的同時，擁有更優的吸能效果。

1 碰撞仿真總體流程

一個完整的有限元模型需經歷前處理、求解和后處理三個過程。為了真實再現汽車撞擊護欄的動態過程，更好地反映護欄的動力力學特性，采用圖1所示的仿真模擬流程[2]。

2 汽車有限元模型的建立

2.1 汽車模型簡化

按照我國規范中[3]規定的初始碰撞條件，在美國碰撞安全分析中心（CCSA）選用了一款符合要求的汽車模型，如圖2所示。為提高計算效率對現有精細汽車模型進行簡化，保留汽車原結構的形狀及布置，將車身簡化為空間框架結構，忽略不涉及碰撞的部分車身蒙皮對總體強度和剛度的加強作用;并對車身中的曲梁進行以直代曲處理;汽車底盤采用相交鋼板提高整體剛度和車身完整性，前端碰撞區域考慮實際碰撞情況，采用弧形鋼板模擬;例如發動機等質量集中處，采用加集中質量點的方式保證質量分布[5]。簡化后的模型如圖3所示。

2.2 汽車簡化模型驗證

對已有汽車模型的簡化，車輛的碰撞性能有可能發生變化，因此需對簡化后的模型進行驗證。驗證的初始條件為：汽

車正前方60 mm處為剛性墻，賦予轎車初速度90 km/h，使其與剛性墻發生正面碰撞。如圖4、圖5所示，簡化模型與精細模型的動力響應（變形、能量、速度）等基本一致，可驗證該簡化汽車模型的正確性。

3 護欄有限元模型的建立

本文研究比選的護欄有四種，包括雙波形梁護欄、雙條形梁護欄、三波形梁護欄、柔性四纜索護欄，如圖6所示。此處以雙波形梁護欄為例說明護欄有限元模型的建立過程，該護欄由雙波形護欄板、立柱、防阻塊和地基等幾部分組成[6]，護欄總長20 m，共5跨，包括6根立柱，根據JTG/T D81-2017《公路交通安全設施設計細則》[7]對各部分進行建模。

3.1 波形梁護欄板的模擬

圓柱形立柱外徑為114 mm、厚度為4.5 mm、高1 850 mm，750 mm位于地面上、1 100 mm埋于地基中。其中，防阻塊是波形梁護欄板與立柱之間的承力部件，可通過自身變形吸收一部分碰撞能量，將護欄板受到的碰撞沖擊力分散傳遞給多根立柱，使護欄板受力更均勻，增加護欄結構的整體強度，護欄整體有限元模型如圖7所示。模型中單元類型采用*SECTION_SHELL四節點殼單元，選用Belytschko-Tsay單元類型，采用多段線性彈塑性材料模型，具體材料屬性見表1。

3.2 護欄各組件的連接

護欄板與防阻塊、防阻塊與立柱之間采用焊點（Spotweld）單元來模擬螺栓的連接效果[8]。焊點單元的失效判別準則為：

式中：fsn為點焊所能承受的軸向極限拉力，取70 kN;fss為點焊所能承受的軸向極限剪切力，取45 kN;Sn為點焊所能承受的拉力;Ss為點焊所能承受的剪切力;m為法向點焊指數，取值為2;n為剪切點焊指數，取值為2。

4 汽車-護欄耦合模型的建立

模擬的雙波形梁護欄選用Am防撞等級，因此采用的汽車碰撞初始條件為：初始碰撞速度90 km/h，碰撞角度20 °，沖擊位置為護欄跨中兩根柱之間的護欄板中部。如圖8所示。

模型邊界條件：護欄立柱固定地面以下部分，車身骨架之間采用剛接，輪胎無滑動、與地面為滾動摩擦。模型接觸關系：車身骨架的梁柱與護欄、地面為自動梁-面接觸，耦合模型間其他部件為自動面-面接觸。

4.1 碰撞模擬結果分析

在碰撞仿真過程中，車輛未發生翻越、下鉆等現象，護欄結構基本完整，說明護欄阻擋能力合格[9]。在0.04 s，汽車跟護欄發生接觸;0.32 s汽車左前輪與護欄第三根柱發生碰撞;0.625 s汽車在撞擊后轉變角度離開護欄，但護欄未能完全成功將車輛導向正確行駛方向。從圖9中可以看到，第二、第三和四立柱處變形較為嚴重，在0.23 s時護欄出現最大變形610 mm（圖10），小于標準規定的1 000 mm[4]。

從圖12（a）中可以看出，隨著碰撞過程的延續，汽車動能在碰撞后急速下降，護欄產生塑性變形，內能增大;由于碰撞中摩擦做功和熱量的耗散，系統的總能量有下降。其中雙波形梁護欄耗能占總能量的比例為78.77 %，汽車碰撞后加速度橫向和縱向的峰值分別為10.3g、4.34g，均小于標準規定的20g[4]，說明其緩沖功能合格。

4.2 各護欄形式的比選

選取在我國高速公路應用較為廣泛的幾種護欄形式：雙波形梁護欄、雙條半剛性護欄、三波形梁護欄和柔性四纜索護欄進行吸能效果比選。

從圖10可知三波形梁護欄最大橫向變形量最大為636 mm，柔性四纜索護欄最大橫向變形量最小為400 mm，均小于規范規定的1 000 mm。從圖11可以對比幾種護欄汽車車身的X向（汽車行進方向）加速度，發現雙波形梁護欄對汽車的緩沖效果最明顯，柔性纜索護欄對汽車的緩沖效果最差。

從圖12可知三波形梁護欄的碰撞吸能比最大為84.45 %，柔性四纜索護欄的碰撞吸能比最小為56.13 %，可以得出柔性四纜索護欄的吸能效果最差，三波形梁護欄的吸能效果最好。

4.3 護欄優化設計

由方案比選可知，柔性四纜索護欄（圖13）的耗能比率最低，僅為56.13 %，因此針對此方案進行優化設計，在纜索兩端添加耗能器（圖14）提高護欄的變形能力和緩沖能力。

在汽車碰撞護欄過程中，耗能器成功啟動進入拉伸段工作，實現了更好的耗能效果。如圖15所示。優化后的柔性纜索護欄變形能力增大，具有更優的緩沖能力，且最大變形量492 mm仍小于規范規定的1 000 mm，符合要求。優化后的柔性纜索護欄與其他形式的護欄相比，在相近的吸能比下，其質量可減少一半以上。優化后的柔性纜索護欄與其他類型的的沖擊結果對比如表2所示。

5 結論

結合上述不同類型護欄的比選，可得到以下結論：

（1）符合規范的幾種類型的護欄均能滿足安全防護要求，變形量在安全范圍之內。

（2）柔性護欄的橫向變形小于半剛性護欄，柔性護欄的吸能效果較差，但其單位質量耗能率大于半剛性護欄，且柔性護欄可成功將汽車導向至正確行駛方向。

（3）增加耗能器優化設計后的柔性護欄單位質量耗能率出現了顯著提升，且耗能能力增加了20 %。

參考文獻

[1]于學兵，毛娟娟，劉麗萍.半剛性三波護欄與客車碰撞的仿真分析[J].汽車科技，2009（3）：54-58.

[2]鄭玉娜.基于車身碰撞安全性的高速公路護欄的結構優化設計[D].長沙：湖南大學，2013.

[3]唐輝.高速公路雙條半剛性護欄設計及碰撞仿真研究[D].重慶：重慶交通大學，2011.

[4]JTG/T FB3-01-2004 高速公路護欄安全性能評價標準[S].

[5]毛娟娟.客車與半剛性護欄碰撞的有限元分析與模擬[D].大連：大連理工大學，2008.

[6]張鵬，周德源，馮英攀.基于數值模擬的半剛性護欄性能優化[J].同濟大學學報，2008，36（11）：1531-1536.

[7]JTG/T D81-2017.公路交通安全設施設計細則[S].

[8]雷正保，楊兆.汽車—護欄碰撞系統的安全性研究[J].汽車工程，2006，28（2）：152-158.

[9]劉建勛，唐輝，張翼峰，等.半剛性雙波護欄與雙條半剛性護欄防撞性能仿真對比[J].重慶交通大學學報，2012，31（2）：279-282.

[定稿日期]2021-03-02

[作者簡介]張藍月（1995～），女，碩士，研究方向為防護結構。