基于LS-DYNA的橋墩防撞裝置性能研究

張林凱,何見強,陳忠宇

(武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院，湖北 武漢 430063)

0 引 言

隨著城市交通運輸業(yè)的迅速發(fā)展,在日常交通運輸過程中,車輛與橋墩發(fā)生碰撞的事故時有發(fā)生。車輛撞擊橋梁不僅是嚴(yán)重的交通事故,還會導(dǎo)致橋梁損毀,造成經(jīng)濟損失的同時對人生命造成威脅。目前,中國對于車橋碰撞及防撞裝置的研究尚處于起步階段,相關(guān)規(guī)范也不完善,因此對車橋碰撞和防撞裝置研究很有必要。本文主要研究不同材料的附著式防撞裝置對橋墩防撞性能的影響,通過防撞裝置消耗能量,使其傳遞給橋墩的能量大大減小,起到保護橋墩的作用。

泡沫鋁屬于多孔金屬材料,近年來,泡沫鋁憑借質(zhì)量輕、吸能效率高等優(yōu)點,被大量地應(yīng)用于制造緩沖裝置、減震裝置以及保險杠等安全裝置。徐東豐[1]分析了汽車撞擊帶有泡沫鋁防護裝置橋墩的外部動力響應(yīng)問題,證明了泡沫鋁防護裝置對橋墩可以起到保護作用。橡膠混凝土作為一種新型的骨料混凝土,可以吸收大量能量,而并不改變混凝土中各組成材料的化學(xué)性能[2]。李偉龍[3]設(shè)計了一種橡膠混凝土覆層作為橋梁的防撞結(jié)構(gòu),證明了采用橡膠混凝土材料作為防撞層是可行的。

目前,許多學(xué)者對不同材料組合而成的防撞裝置也進行了相應(yīng)的研究。胥睿[4]對鋼板-橡膠混凝土復(fù)合覆層應(yīng)用于橋墩防撞做了介紹;唐進元等[5]設(shè)計了一種基于泡沫鋁“三明治”結(jié)構(gòu)的新型斜井跑車防護裝置,采用鋁合金材料作為夾層板,分析其吸能特性和可能的失效形式;劉海證等[6]研究了泡沫鋁外包混凝土橋墩的防撞性能,證明其能對車輛、橋墩都起到很好的保護作用。本文設(shè)計了一種泡沫鋁外包橡膠混凝土防撞裝置,其綜合了泡沫鋁和橡膠混凝土各自的優(yōu)點,并將其與泡沫鋁防撞裝置和橡膠混凝土防撞裝置進行對比,通過能量轉(zhuǎn)化、撞擊力大小和裝置撞深分析來研究整個碰撞過程的動力響應(yīng)。

1 有限元模型概況

1.1 車輛模型

本文參考了一輛Ford 800卡車模型,相關(guān)技術(shù)參數(shù)可以查詢得到[7]。整個車輛有限元模型主要由車頭、保險杠、車架、車廂等部位組成,在簡化車輛模型中,需要對車輛結(jié)構(gòu)的特性進行準(zhǔn)確模擬,包括質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量、結(jié)構(gòu)重力以及剛度等。車輛各部位的詳細材料參數(shù)見表1。

表1 車輛各部位材料參數(shù)

車橋碰撞是一個大變形、高壓、高應(yīng)變的過程,在碰撞過程中車頭和保險杠的變形非常大,還有可能出現(xiàn)嚴(yán)重的屈曲、壓潰破壞,因此還需要考慮材料的失效和應(yīng)變率影響,故此處采用了Cowper-Symonds模型,其屈服應(yīng)力公式如下:

(1)

式中:EP表示材料塑性硬化模量,由下式給出:

(2)

相關(guān)參數(shù)見表2。

表2 車頭材料模型參數(shù)

車廂材料不直接參與碰撞,則可以當(dāng)作剛性體來模擬,這樣可以提高計算效率,并可通過車廂的殼單元厚度來模擬不同質(zhì)量的車輛進行研究。

1.2 橋墩模型

本文選取荊州市毛市段某引橋?qū)嵭膱A柱橋墩作為研究對象,直徑為1.5 m,高為7 m,采用SOLID 164實體單元進行模擬,混凝土等級為C30。混凝土材料抗壓、抗拉等力學(xué)性能比較復(fù)雜,其本構(gòu)模型的研究也有相關(guān)理論。本文橋墩模型采用在高速碰撞領(lǐng)域中運用較多的HJC損傷本構(gòu)模型,其等效屈服應(yīng)力強度如下式所示:

(3)

上式各參數(shù)含義通過查閱文獻[8]查閱可知,不在此一一贅述。混凝土材料本構(gòu)參數(shù)的具體取值見表3。

表3 HJC材料本構(gòu)參數(shù)表

1.3 防撞裝置模型

泡沫鋁防撞裝置采用顯式SOLID 164單元,厚度為0.3 m,泡沫鋁材料選用LS-DYNA材料庫中的MAT-63號可壓縮泡沫材料模型(關(guān)鍵字為MAT-CRUSHABLE-FOAM)來模擬。在車橋碰撞過程中,需要考慮材料的應(yīng)變率影響,泡沫鋁材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為:

(4)

表4 泡沫鋁材料本構(gòu)參數(shù)取值

橡膠混凝土材料采用HJC本構(gòu)模型來模擬,厚度為0.3 m,參考李偉龍學(xué)者的橡膠混凝土材料靜力力學(xué)性能試驗及壓滯回試驗確定橡膠混凝土材料模型的計算參數(shù)。相關(guān)參數(shù)見表5,未標(biāo)注參數(shù)與表3相同。

表5 橡膠混凝土材料 HJC本構(gòu)參數(shù)表

泡沫鋁外包橡膠混凝土，采用0.2 m厚的泡沫鋁材料并外包0.1 m的橡膠混凝土材料,材料各參數(shù)如上所述。最終建立的有限元模型如圖1所示。

圖1 車-防撞裝置-橋墩碰撞有限元模型

2 碰撞結(jié)果分析

本文采用總質(zhì)量為8 t的卡車以80 km/h的速度分別與帶有上述三種防撞裝置的橋墩進行正面對中碰撞模擬,運用LS-PrePost軟件進行后處理,對碰撞過程中的動力響應(yīng)進行分析。

2.1 能量時程分析

圖2～圖4分別是泡沫鋁防撞裝置、橡膠混凝土防撞裝置和泡沫鋁外包橡膠混凝土防撞裝置的能量時程變化圖,從圖中可以看出:總質(zhì)量為8 t的卡車以80 km/h的速度撞擊三種防撞裝置的總能量為1.96×106J,碰撞結(jié)束后三種工況的界面滑移能分別為4.35×104J、3.53×104J、4.39×104J,分別占總能量的2.2%、1.8%、2.2%,采用全積分的方式使沙漏能始終為0,沙漏能和界面滑移能之和不超過總能量的10%,計算結(jié)果滿足有限元仿真計算要求[9],驗證了上述三種防撞裝置有限元模型的可靠性。

從整個系統(tǒng)的動能時程曲線可以看出,碰撞過程中,車輛的動能逐漸轉(zhuǎn)化為防撞裝置和橋墩的內(nèi)能,小部分轉(zhuǎn)化為接觸界面的滑移能,動能減小的速度隨時間變小,這是因為隨著時間增加防撞裝置產(chǎn)生相應(yīng)的變形,強度開始增加,隨后動能有小幅上升,是因為防撞裝置強度的增加和橋墩的阻滯作用,出現(xiàn)了速度反彈,但回彈速度非常小,最后趨于穩(wěn)定。系統(tǒng)的內(nèi)能和動能曲線變化趨勢幾乎相反,符合實際碰撞過程變化規(guī)律。

圖2 泡沫鋁防撞裝置能量時程圖

圖3 橡膠混凝土防撞裝置能量時程圖

圖4 泡沫鋁外包橡膠混凝土防撞裝置能量時程圖

2.2 撞擊力分析

圖5表示的是三種防撞裝置在碰撞過程中的橋墩撞擊力時程圖,從中可以看到帶有防撞裝置后橋墩所受的撞擊力峰值明顯下降,無防撞裝置時撞擊力峰值為6 175 kN,峰值出現(xiàn)時間為0.009 s。增設(shè)防撞裝置后,泡沫鋁防撞裝置、橡膠混凝土防撞裝置、泡沫鋁外包橡膠混凝土防撞裝置撞擊力峰值分別為4 389 kN、4 866 kN、4 717 kN,與無裝置時橋墩所受撞擊力分別減小了28.9%、21.2%、23.6%,撞擊力峰值出現(xiàn)時間分別為0.012 s、0.008 s、0.010 s,泡沫鋁防撞裝置撞擊力減少得最多,但基本和泡沫鋁外包橡膠混凝土防撞裝置差別不大,橡膠混凝土防撞裝置撞擊力減少得最少。說明了泡沫鋁材料和橡膠混凝土具有很好的吸能特性,泡沫鋁外包橡膠混凝土防撞裝置吸能特性介于兩者之間,但基本與泡沫鋁防撞裝置相同。

圖5 車-防撞裝置-橋墩模型撞擊力時程圖

2.3 裝置撞深分析

圖6是三種防撞裝置撞深時程曲線圖,其最終塑性撞深分別為7.81 cm,1.15 cm、5.86 cm,從而可以看出,泡沫鋁防撞裝置產(chǎn)生了最大變形,其剛度最小,最大變形為8.82 cm;橡膠混凝土防撞裝置最大變形僅為1.50 cm,其剛度最大;泡沫鋁外包橡膠混凝土防撞裝置剛度介于兩者之間,最大變形為6.27 cm。防撞裝置的剛度與撞深呈負相關(guān),即在保證撞擊力滿足規(guī)范要求的前提下,防撞裝置結(jié)構(gòu)的剛度與其撞深成反比,因此可以看出泡沫鋁防撞裝置的結(jié)構(gòu)剛度最小,橡膠混凝土防撞裝置結(jié)構(gòu)剛度最大,而泡沫鋁外包橡膠混凝土結(jié)構(gòu)剛度介于兩者之間,說明泡沫鋁外包橡膠混凝土防撞裝置兼具兩種材料的特性,不僅可以吸收大量能量,且不會產(chǎn)生較大的裝置變形。

圖6 防撞裝置撞深時程曲線圖

3 結(jié)束語

本文運用ANSYS/LS-DYNA軟件建立了三種不同防撞材料的車-防撞裝置-橋墩有限元模型,并簡要介紹了仿真模型的單元類型、材料以及相應(yīng)參數(shù)的取值。通過一典型工況,對三種材料的防撞裝置碰撞過程中能量轉(zhuǎn)化、撞擊力大小和裝置撞深進行了相應(yīng)分析。結(jié)果表明:三種裝置中泡沫鋁防撞裝置撞擊力減少得最多,但基本和泡沫鋁外包橡膠混凝土防撞裝置差別不大,橡膠混凝土防撞裝置撞擊力減少得最少;泡沫鋁防撞裝置剛度最小,橡膠混凝土防撞裝置剛度最大,泡沫鋁外包橡膠混凝土防撞裝置剛度介于兩者之間,其兼具泡沫鋁材料和橡膠混凝土的受力特點,具有良好的吸能特性,能在產(chǎn)生較小的變形值的情況下吸收更多的能量。