復合材料柔性消能限高架結構的碰撞響應研究*

徐榮康 潘 晉 周初陽 許明財

(武漢理工大學交通學院1) 武漢 430063) (華中科技大學船舶與海洋工程學院2) 武漢 430074) (武漢力拓橋科防撞設施有限公司3) 武漢 430070)

復合材料柔性消能限高架結構的碰撞響應研究*

徐榮康1)潘 晉1)周初陽1)許明財2,3)

(武漢理工大學交通學院1)武漢 430063) (華中科技大學船舶與海洋工程學院2)武漢 430074) (武漢力拓橋科防撞設施有限公司3)武漢 430070)

限高防護架多采用固定式剛性結構，易造成車輛的損害，危及乘員安全.從減少車輛損傷和保障人員安全的角度出發，對現有的傳統限高架形式進行了改進，即以帶斜坡設計的復合材料箱型橫梁替代原結構的鋼橫梁，并采用ANSYS/LS-DYNA對車輛復合材料柔性消能限高架及傳統限高架的碰撞過程進行了數值模擬，獲得了碰撞系統的碰撞損傷變形、碰撞力-撞深，以及駕駛室加速度響應等結果.結果表明，與傳統剛性限高架結構相比，改進的復合材料柔性消能限高架結構避免了車輛被切削頂部的情況，使得車輛的損傷變形明顯減少，人員傷亡的可能性明顯降低；柔性消能限高架的復合材料橫梁可以更好地吸收車輛的動能，同時極大地降低車輛駕駛室的加速度，從而更好地保護乘員的安全.

限高架；碰撞；數值模擬；動力響應；有限元分析

0 引 言

限高防護架(以下簡稱“限高架”)作為保護“鐵跨公”橋梁極為重要的安全設施之一，在我國已經得到了廣泛地使用.設計一種能有效攔截限高車輛、保證橋梁安全，減小車輛破壞程度，保證乘員安全的限高架結構顯得很有意義.

張偉東[1]在限高架上安裝一種橡膠材質的緩沖器裝置組成了一種新型的立交橋梁防碰撞架，研究結果表明，緩沖器裝置能有效吸收部分碰撞時的能量.郝姍姍[2]采用ANSYS/LS-DYNA有限元軟件，對限高防護與超高車輛的碰撞進行了數值仿真與分析，對用剛性節點未加設橡膠緩沖器與加設橡膠緩沖器以及剛性連接與半剛性連接等多組模型進行有限元仿真、碰撞中的動力響應分析對比，結果表明，限高防護架加設橡膠緩沖器裝置后，部分內能轉化為橡膠緩沖器的彈性變形能，使整個碰撞的動力參數峰值降低，另外半剛性節點具備良好的耗能性能，能使車輛塑性應變能較少，損壞減輕，動力加速度 峰值降低，對車內人員的傷害減少.王金田等[3]使用有限元軟件模擬了鋼管混凝土鐵路橋與限高架在汽車碰撞過程，并比較了鋼管混凝土限高架和鋼管限高架的不同動力響應，研究結果表明，鋼管混凝土防護架的碰撞力均值更大，碰撞面位移更小，能夠更有效地保護鐵路橋的安全.Hudson[4]提出采用鋼支架以提高鐵路橋梁在受到撞擊時的整體性能，研究結果表明鋼支架可以增加橋梁的整體穩定性和抗沖擊能力；Schenker等[5]使用了泡沫鋁等新型吸能材料，研究結果表明泡沫鋁能顯著減弱爆炸產生的沖擊波以及碰撞產生的沖擊力，非常適合在限高架上使用以提高其力學性能；Hrishikesh[6]等采用給橋梁附加振動吸收器的方法來吸能以減少撞擊造成的破壞.

上述文獻主要采用數值仿真方法研究限高架碰撞中的動力響應，或通過在限高架上增設新型吸能材料及裝置以提升碰撞時的能量吸收能力，而對車輛與限高架的碰撞過程中駕駛室的碰撞加速度以及車輛的破壞程度和位置考慮較少.

文中對傳統限高架進行結構形式和橫梁材料上的改進，采用斜坡設計避免橫向剪切車輛，采用復合材料吸能降低汽車的碰撞力和加速度，從而減少車輛的破壞，保護乘客安全.

1 柔性消能限高架的設計

柔性消能限高架主要參照文獻[7]，采用圓管鋼結構形式，其典型結構示意圖見圖1.該型限高架主要由橫梁、立柱、基座3個部分組成，各個部件通過法蘭連接，基座由鋼筋混凝土澆筑而成，上有預埋連接件.橫梁和立柱主要由圓形鋼管組成，橫向與豎向鋼管通過焊接而成.

圖1 傳統限高架示意圖

為了減小橫梁的損傷，延長限高架使用壽命，同時能有效攔截超高車輛，橫梁設計不宜太弱，原則上應該越剛越好.但這樣會導致車輛超高部分被切削、人員傷亡的嚴重后果.為了避免這種情況，減小超高車輛的損傷程度，同時確保超高車輛能被有效地攔截，文中將傳統限高架橫梁用箱型結構替代.柔性消能限高架結構示意圖見圖2，其中圖2a)為箱型限高套箱的示意圖.限高套箱主要由鋼板和聚氨酯夾層板組成，迎撞面傾斜，其優點在于在碰撞時將水平碰撞力轉變成斜下壓的力，減少車頂被掀或者被切削的機會，同時使車頂往下壓縮變形，這對車輛來說是偏于安全的.限高套箱結構外部由金屬薄板包裹，內部為復合材料蜂窩結構，總體成外剛內柔的形式，有效減少超高車輛的碰撞損壞.通過蜂窩結構變形、復合材料失效等形式耗散能量、增加接觸面積同時延長撞擊時間，以便有效減小車輛的損傷變形、撞擊力以及車輛的加速度.

除限高套箱以外，柔性消能限高架的其余部分與傳統限高架一致，同樣由基座、立柱、橫向支撐和套箱等組成，其整體結構示意圖見圖2b).

圖2 柔性消能限高架示意圖

2 有限元模型

2.1 車輛的有限元模型

2.1.1 車輛模型選取

根據文獻[8]規定本次設計計算中的載重車輛取為中型載重汽車，汽車質量為11 t.文中車輛模型在美國國家碰撞中心(national crash analysis center，NCAC)發布的汽車碰撞的有限元模型中選取了一個約11 t重的集裝箱運輸車，代表超高車輛.

2.1.2 單元的定義

車身與底盤等金屬部件則采用SHELL163殼單元模擬，發動機、散熱器和傳動裝置等采用的是SOLID164實體單元.

2.1.3 材料的定義

車身與底盤材料選用的是分段線性塑性模型*MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTIC，發動機、散熱器和傳動裝置材料模型采用的是各向同性彈性材料模型*MAT_ELASTIC.相關參數為：材料密度ρ=7.8×103kg/m3；泊松比μ=0.27；初始屈服應力為σ0=310 MPa；彈性模量E=200 GPa；切線模量G=763 MPa.

2.1.4 網格劃分

車輛的網格尺寸取為局部碰撞區域網格35 mm，其他區域網格70 mm.網格劃分后，車輛模型共有46 257個單元，47 283個節點.車輛的有限元模型見圖3.

圖3 汽車的有限元模型

2.2 限高架結構的有限元模型

2.2.1 單元的選擇

柔性消能限高架立柱和立柱間支撐采用beam161單元，截面屬性為薄壁圓環，限高套箱采用shell163單元，模型主要尺寸參數如下：立柱高5 m；立柱間的支撐長1 131 mm；限高套箱長9 m.

傳統限高架都是由薄壁圓管組成，選用shell 163單元來建立模型.

2.2.2 材料的定義

柔性消能限高架的限高套箱的加強板以及立柱部分采用Q345鋼，選用Plastic Kinematic材料模型，相關參數與車身材料參數相同.限高套箱中的復合材料為玻璃纖維增強塑料，材料模型采用*MAT_ENHANC-ED_COMPOSITE_DAMAGE.本文中復合材料參數見表1.復合材料在沖擊載荷下的失效滿足Chang-Chang損傷準則[9].

傳統限高架全部采用Q345鋼，都選用Plastic Kinematic材料模型.

表1 復合材料力學性能

2.2.3 網格的劃分

柔性消能限高架網格尺寸取為局部碰撞區域網格35 mm，其他區域網格70 mm.網格尺寸控制確定之后，采用自動劃分的方法劃分網格.網格劃分后，限高架模型共有71 874個單元，67 151個節點,見圖4a).

傳統限高架網格尺寸取為局部碰撞區域網格35 mm，其他區域網格70 mm.網格劃分后，傳統限高架模型共有15 305個單元，15 311個節點，見圖4b).

圖4 限高架結構有限元模型

2.2.4 接觸、時間和工況的定義

柔性消能限高架與車輛各自采用自接觸(automatic single surface)，車輛與限高架之間采用面面接觸(automatic surface to surface).同時，根據文獻[10]的相關規定，車輛的撞擊速度取60 km/s，計算的求解時間設為0.5 s，時間間隔設為0.005 s.傳統限高架的相關定義同上.

圖5為柔性消能限高架及傳統限高架碰撞工況的有限元模型示意圖.

圖5 限高架與車輛碰撞的有限元模型

3 車輛碰撞柔性消能限高架和傳統限高架的對比分析

3.1 車廂的損傷變形

在整個碰撞過程中，車輛與柔性消能限高架或者傳統限高架碰撞時的最大變形都出現在車輛的上部車廂，因此主要對這1部分來進行損傷變形對比分析.圖6～7分別是車輛與傳統限高架和柔性消能限高架碰撞時車輛的損傷變形歷程.從2個圖的對比可以直觀地看出，與傳統限高架碰撞時車廂的損傷變形以“切削”為主，車廂受到了較大程度的破壞，而與柔性消能限高架相撞的車廂損傷變形以“擠壓”為主，整體變形較小，對乘客的傷害也較小.因此從減少車廂損傷、保護乘員安全的角度而言，柔性消能限高架較好.

圖6 車輛與傳統限高架碰撞時的車輛變形圖

圖7 車輛與柔性消能限高架碰撞時的車輛變形圖

3.2 限高架的碰撞力-撞深比較

圖8是柔性消能限高架和傳統限高架撞深較大區域某點的碰撞力-撞深歷程曲線的比較.由圖8可以看出，大部分情況下，傳統限高架和柔性限高架在相同撞深時，傳統限高架碰撞力較大.碰撞力-撞深曲線與坐標軸所圍成的面積即為限高架吸收的能量.柔性消能限高架碰撞力-撞深曲線與坐標軸圍成的面積較大，即其吸收的能量較多，吸能效果更好，吸能效率較高.

圖8 碰撞力-撞深曲線

3.3 車輛駕駛室的加速度響應比較

車輛駕駛室的加速度是衡量車上人員生命安全的重要指標.圖9是兩種碰撞場景下車輛駕駛室的加速度-時間歷程曲線比較圖.從圖9可以看出，車輛碰撞柔性消能限高架結構時，碰撞開始的瞬間加速度增量比較明顯，最大加速度達到5g左右，隨后迅速衰減至零值；而與傳統限高架碰撞時，最大加速度幾乎達到了20g，且碰撞加速度峰值之后仍有較大幅值的波動.因此，采用傳統限高架時，不但車輛駕駛室的加速度較大，且衰減較慢，會對乘員的生命安全產生較大的危險.

圖9 駕駛室加速度對比圖

4 結 論

1) 與柔性消能限高架碰撞的車輛車廂以擠壓變形為主，破壞區域較小，對乘員區域破壞較小；與傳統限高架碰撞車輛的車廂破壞切削車頂為主，破壞區域大，乘員區域破壞也較大.從減少車廂損傷、保護乘員安全的角度而言，柔性消能限高架較好.

2) 柔性消能限高架比傳統限高架的吸能效果更好，可以盡量減小碰撞產生的沖擊，能更好的保護車上人員的生命安全.

3) 與柔性消能限高架碰撞后，車輛駕駛室最大瞬時加速度僅為5g，且碰撞后加速度迅速衰減至零，對成員的保護作用明顯.相比而言，與傳統限高架結構碰撞后車輛最大加速度達20g，且碰撞過程中衰減速度較慢，對乘員的危害較大.

[1]張偉東.立交橋梁防沖撞裝置的設計與使用[J].鐵道建筑,2003(1):21-22.

[2]郝姍姍.帶緩沖裝置的限高防護架與超高車輛碰撞的動力響應分析[D].煙臺：煙臺大學，2011.

[3]鞠翱天，王金田.沖擊荷載下鋼管混凝土限高防護架的動力響應[J].煙臺大學學報(自然科學與工程版)，2012(2):156-162.

[4]HUDSON S. Bridge strikes-special topic report[J]. Railway Safety,2002(1):55-58.

[5]SCHENKER A, ANTEBY I, NIZRI E, et al. Foam-protected reinforced concrete structures under impact: experimental and numerical studies[J]. Journal of Structural Engineering,2005,131(8):1233-1242.

[6]HRISHIKESH S, STEFAN H, PAOLO G. Development of a bridge bumper to protect bridge girders from overheight vehicle impacts[J]. Computer-aided Civil and Infrastructure Engineering,2008,23：415-426.

[7]中鐵工程設計咨詢集團有限公司.鐵路限高防護架-設計圖[R].北京：中鐵工程設計咨詢集團有限公司,2003.

[8]交通運輸部公路局.公路工程技術標準:JTG B01—2014[S].北京：人民交通出版社，2005.

[9]何濤，楊競，金鑫.ANSYS10.0/LS-DYNA非線性有限元分析實例指導教程[M].北京:機械工業出版社，2007.

[10]交通運輸部公路局.公路路線設計規范:JTG D20—2006[S].北京：人民交通出版社,2006.

Research on Impact Response of Composite Flexible and Energy Dissipated Height Limit Protective Frame Structure

XU Rongkang1)PAN Jin1)ZHOU Chuyang1)XU Mingcai2,3)

(SchoolofTransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)1)(SchoolofNavalArchitecture&OceanEngineering,HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074,China)2)(WuhanLituoBridgeProtectionTechnologyCo.Ltd,Wuhan430040,China)3)

Nowadays, most height limit protective frames are rigid fixed structures, which are easily damaged by vehicle, causing danger to the passengers. In this paper, in order to reduce the vehicle damage and ensure the safety of passengers, the existing traditional height limit protective frame is improved; the steel beam of the original structure is replaced by a composite box beam with slope design. In addition, the collision process of vehicle and composite flexible and energy dissipated height limit protective frame structure is simulated by using nonlinear finite element software ANSYS/LS-DYNA. Some meaningful results, such as deformation, collision force-displacement and acceleration of the cab, are obtained. The numerical simulation results show that comparing with the traditional height limit protective frame, the proposed flexible and energy dissipated height limit protective frame’s ramp is improved to avoid the vehicle being cut, making the deformation of collision zone significantly smaller and reducing the possibility of casualties. Using composite materials can absorb the kinetic energy of the vehicle efficiently and can also make the acceleration of the cab reduce vastly, which can better protect the passengers’ safety.

height limit protective frame; collision; numerical simulation; dynamic response; finite element analysis

2017-01-13

*國家自然科學基金青年基金項目(51609192)、浙江省近海海洋工程技術重點實驗室開放基金項目(ZJOELAB-1602)、中央高校基本科研業務費專項資金(2015MS103)資助

U41

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.02.029

徐榮康(1994—)：男，碩士生，主要研究領域為工程結構與力學