基于LS-DYNA的車輛與臨時防護設施碰撞仿真

王曉勇，何江李，朱　彤

(長安大學 汽車學院，陜西 西安　710064)

中國經濟的快速發展帶動了交通運輸行業的高速發展。目前，中國高速公路總里程位居世界第一。同時，汽車保有量和高速公路的增長使得道路交通安全備受關注。合理的防護設施不僅能在汽車發生碰撞時有效地保護駕駛人員，而且還能防止發生二次傷害。許多學者對交通安全防護設施的碰撞安全性做了大量的研究，從最初的實車足尺碰撞試驗發展到現在的計算機仿真試驗。雷正保[1]等人采用動態有限元法，研究了山區公路上混凝土護欄的碰撞特性，指出了當前混凝土護欄存在的問題。喬希永[2]等人研究了車輛-護欄碰撞的乘員風險評價方法，為中國護欄相關試驗研究及開發提供了借鑒。楊濟匡[3]等人采用有限元分析方法，研究了高速公路雙波形梁護欄對客車碰撞的防護性能，并對護欄結構進行了改進分析。張國勝[4]等人基于歐盟EN1317.2法規，選用乘用車與半剛性兩波形梁護欄進行了實車碰撞試驗，評估了車輛-護欄系統的安全性能。Gutowski[5-6]等人采用有限元仿真法，從護欄的最大偏轉和車輛動態響應評估研究了不同高度W型梁護欄的防護性能，還研究了用一個雙面護欄替換2個單面護欄的可行性。Prochowski[7]研究了不同質量和速度的車輛與可拆卸混凝土護欄的碰撞過程，得出了車輛沖擊能量與護欄位移的關系。這些研究表明：對于防護設施的研究集中在高速公路上固定護欄的防撞性能，且集中于波形梁護欄。對于道路施工或隔離時路旁的臨時防護設施性能的研究較少，且缺乏對它們的防護性能進行評價。臨時防護設施對于保障施工人員和車輛駕乘人員的安全都具有同樣重要的作用，研究并提高其防護性能勢在必行。作者擬選用注水防撞墩作為臨時防護設施，分別建立波形梁護欄、混凝土護欄及臨時防護設施3種防護設施的有限元模型并進行碰撞仿真，分析它們各自的防護效果，比較它們的防護能力，并分析各自的模式適應性。

1　汽車碰撞實驗基礎

汽車與防護裝置發生碰撞時，首先是以一定的角度斜沖向防護裝置，在碰撞發生后，防護裝置與汽車前端一側接觸，給汽車一定的作用力，碰撞產生的能量由車輛的變形和防護設施的變形吸收。同時，防護設施具有的導向作用，還會使車輛發生轉向，這個過程中又有一部分碰撞能量轉化為車輛轉向的能量。之后，車輛會與防護設施呈平行狀態，車輛尾部也會與防護設施發生碰撞。最后，車輛以一定角度駛出。理想的防護裝置應能使車輛在發生碰撞并轉向后回到原車道，這不僅使發生碰撞的車輛行駛時軌跡可控，而且可以增加安全性能，也不致影響后車的行駛安全。

《高速公路護欄安全性能評價標準(JTG/T F83-01-2004)》[8]中規定了護欄安全性能的評估采用3項基本準則，這些準則是從人、車、護欄三者各自的角度出發而制定的。

1) 結構完整性

防護設施的作用就是承受失控車輛沖擊的能量，保證車輛不會越出防護設施而造成更大事故。因此，防護設施應能有效地阻擋車輛并進行引導，避免車輛發生穿越、騎跨及下穿防護設施。同時，要符合標準中規定的最大動態變形量。最大動態變形量指的是車輛沖入護欄的最大位移。護欄的最大動態變形量在規定的指標內是可以保證安 全的[8]。

2) 乘員風險

乘員風險用來評價乘員在事故中所受到的傷害程度，根據碰撞過程中車輛在特定時間長度內的平均加、減速度和乘員的速度改變量來確定。護欄的安全性可采用車輛與護欄碰撞時的沖擊加速度作為判定指標。《高速公路護欄安全性能評價標準(JTG/TF83-1-2004)》指出，當車體3個方向(橫向、縱向、豎向)沖擊加速度均不超過20g時，車內乘員不會受到嚴重傷害。當試驗不具備安裝假人條件時，可以用車體質心加速度作為乘員安全性能評價指標。

3) 車輛運行軌跡

進行車輛運行軌跡的控制是為了防止車輛在發生碰撞后進入相鄰車道或發生橫轉、絆阻[9]等現象，導致更嚴重的二次事故[10]。但保證車輛絕對不會駛入相鄰車道是不現實的，能做的就是提高護欄的導向性能和緩沖性能。

根據3項基本準則，本研究將護欄的最大動態變形量和車體的加速度作為評估護欄安全性能的指標，在碰撞發生后，護欄的最大變形量小于 1 000 mm 時，可以認為安全；在碰撞過程中，車體的加速度小于20g時，可以認為安全。

2　仿真碰撞試驗條件及模型參數

碰撞試驗中最基本的條件是碰撞速度和碰撞角度。碰撞速度是指實際碰撞點前6 m以內測定的試驗車輛的實際行駛車速。為了與真實高速公路上汽車和防護裝置的碰撞更加接近，碰撞車速參考中國高速公路對車速的要求。同時，考慮到通常在發生此類突發事故時，駕駛人有可能采取緊急制動或轉向等措施以減小碰撞速度，依據中國JTJ074-94規范，采用設計車速的80%近似作為碰撞車速[11]。因此，車輛的碰撞速度定為 90 km/h。 碰撞角度是指碰撞發生時車輛的縱向中心線與護欄所成的夾角。根據《高速公路護欄安全性能評價標準(JTG/T F83-01-2004)》，確定碰撞角度為20°。

仿真試驗中車輛模型選擇轎車模型，防護設施選擇波形梁護欄、混凝土護欄及注水防撞墩3種形式。通過建立車輛與3類防護設施的有限元模型，比較研究不同防護設施的防護效果。轎車模型參數為：整車長4 380 mm，整車寬1 803 mm，整車高1 420 mm，軸距2 660 m，整備質量 1 570 kg。 波形梁護欄板(如圖1所示)尺寸為：B=310 mm，m=96 mm，H=85 mm，h1=83 mm，h2= 39 mm，E=14 mm，r1=24 mm，r2=24 mm，r3= 10 mm，α=55°，β=55°，θ=10°，t=3。圓柱形立柱尺寸為：長1 850 mm，外徑140 mm，壁厚4.5 mm?；炷磷o欄尺寸為：頂寬200 mm，底寬430 mm，高810 mm，單件長2 000 mm。注水防撞墩尺寸為：上寬250 mm，下寬480 mm，高 800 mm， 單件長1 500 mm，壁厚5 mm，裝水量250 kg。

圖1　波形梁護欄示意Fig. 1　The wave beam fence

3　碰撞系統有限元模型的建立

根據模型參數，利用SolidWorks和HyperMesh，分別建立碰撞中車輛與防護設施的幾何模型和有限元模型，并進行前處理。

3.1　車輛有限元模型

根據車輛各部件在碰撞仿真中的影響程度，為了提高建模效率，減少計算時間，將汽車上不同部分的單元網格尺寸采用不同的標準。在碰撞接觸區劃分網格時要求比較精細，而對于碰撞時接觸不到的區域劃分時可以適當加大網格尺寸。轎車車身網格尺寸確定為30 mm，保險杠網格尺寸確定為20 mm。車身網格單元選擇劃分質量較好的四邊形單元。建立車輛有限元模型時，共生成45 186個單元，55 207個節點。在建立模型時，采用1D質量單元(表示賦有質量值的單節點，由一個單節點和一個質量值定義。在不考慮結構變形的情況下，用于模擬結構的實際質量特性)進行配重，使車輛重心不會發生太大改變，如圖2所示。

圖2　車輛有限元模型Fig. 2　The finite element model of the vehicle

3.2　防護設施有限元模型

3.2.1波形梁護欄模型

波形梁護欄由波形梁板、防阻塊及圓柱形立柱組成。在碰撞過程中，波形梁板、防阻塊及立柱都會發生較大的變形來吸收能量，因此，劃分的網格尺寸較為精細。為了保證計算結果的精確，本研究確定網格尺寸為20 mm。波形梁護欄各部分均屬于薄板結構，有限元分析時將其視為殼單元，網格類型選擇劃分質量較好的四邊形單元。另外，3個組成部分之間的連接簡化成剛性連接。圓柱形立柱埋于地面以下400 mm處設置約束，限制其6個方向的自由度，模擬與地面的固定連接。建立的波形梁護欄各立柱間隔4 m，設置9跨，共36 m[12]。劃分后的波形梁有限元模型共78 501個單元，如圖3所示。

圖3　波形梁護欄有限元模型Fig. 3　The finite element model of the wave beam fence

3.2.2混凝土護欄模型

混凝土護欄為實體結構，建立有限元模型時，采用實體單元。根據汽車與防撞墩碰撞時接觸位置不同，將防撞墩按不同區域分割，并劃分不同的網格。實際中單個混凝土護欄長度為4 m，中間以鋼筋和混凝土凸塊連接[13]。由于碰撞仿真試驗中防撞墩長度較短，各單個混凝土護欄之間的連接可以認為是剛性的，因此，建立有限元模型時，直接建立一個整體混凝土護欄。實際中混凝土護欄與地面是以混凝土連接，可以看成剛性連接，因此，仿真模型中在混凝土護欄的底部設置約束，限制底部6個方向的自由度。混凝土護欄的長度與波形梁的長度近似，取30 m。通過劃分網格，共生成70 875個節點和51 375個單元，該模型如圖4所示。

圖4　混凝土護欄有限元模型Fig. 4　The finite element model of concrete fence

3.3.3臨時防護設施模型

臨時防護設施采用注水防撞墩，其為空心結構，外殼為高密度聚乙烯塑料，壁厚5 mm。為提高模型效率并簡化計算，對其進行幾何清理后，抽取模型中面，使之成為2D殼單元。這樣，在劃分有限元網格時，就可將其看成殼單元了。網格單元均采用四邊形單元。由于注水防撞墩的幾何模型下部為曲面結構，中間還有3個較大的孔，如果采用較大的網格尺寸，會造成較大的弦差和較小的雅克比值。為保證網格的質量，注水防撞墩有孔部分網格取20 mm，上部分圓弧過渡區網格取40 mm，規則區域網格尺寸取50 mm。本研究采用的注水防撞墩由20個單件組成，每個注水防撞墩的長度為1.5 m，共30 m。所有注水防撞墩有限元模型共90 080個單元。注水防撞墩本身可以靈活移動，底部不固定，只是各單件之間相互連接，該模型如圖5所示。

4　仿真試驗結果及分析

利用求解器LS-DYNA計算，可得出不同防護設施與車輛的仿真碰撞結果。

圖5　注水防撞墩有限元模型Fig. 5　The finite element model of the waterinjection anti-collision pier

4.1　車輛與波形梁護欄的碰撞

車輛與波形梁護欄碰撞后，護欄上最大變形量位置的位移曲線和車體Y向加速度曲線分別如圖6，7所示。

圖6　波形梁護欄的動態變形量Fig. 6　The dynamic deformation of wave beam fence

圖7　汽車與波形梁護欄碰撞的Y向加速度Fig. 7　Y-axis acceleration of collisionbetween a car and wave beam fence

從圖6中可以看出，當車輛與波形梁護欄發生碰撞時，護欄持續發生變形吸收碰撞能量，在160 ms處護欄的動態變形量達到最大，為 837 mm， 小于標準規定的1 000 mm，可以認為波形梁護欄能有效地攔阻失控車輛，吸收碰撞能量，引導車輛轉向回到原車道。

當模擬碰撞車輛無假人模型時，可用車體質心的加速度作為乘員風險的評估標準。因要研究在車輛行駛方向產生的加速度，故本研究用車體縱向加速度(即Y向加速度)代替質心加速度。從圖7中可以看出，當時間為25 ms時，車體與護欄開始發生接觸；當時間在25～170 ms之間時，車輛與波形梁護欄持續接觸，車體和護欄均發生了變形；當時間為170 ms時，車體質心的加速度達到最大，為-0.13 mm/ms2，換算成重力加速度約為13.27g，小于標準規定的20g?？梢哉J為在車輛與波形梁護欄發生碰撞時，護欄和車體產生的變形吸收了足夠的能量，使得車輛的動能逐漸釋放，車體加速度達到規定的安全范圍。

4.2　車輛與混凝土護欄的碰撞

車輛與混凝土護欄碰撞后，護欄上發生最大變形位置的位移曲線和車體Y向加速度曲線分別如圖8，9所示。

圖8　混凝土護欄的動態變形量Fig. 8　The dynamic deformation of concrete guardrail

圖9　車輛與混凝土護欄碰撞的Y向加速度Fig. 9　Y-direction acceleration of collision betweena vehicle and concrete guardrail

從圖8中可以看出，在此次碰撞過程中，混凝土護欄的位移為0 m/s。其原因是：混凝土護欄在有限元模型建立過程中賦予其剛體的屬性，材料本身不會發生相對位移；另一方面，由于混凝土護欄建造時，其底部與地面為固定連接，因此，建立有限元模型時，將混凝土護欄的底部進行約束，造成碰撞結果中混凝土護欄的位移很小。

從圖9中可以看出，在車輛與混凝土護欄發生碰撞接觸后，車體質心的加速度迅速增加。其原因是：雖然碰撞時車輛會吸收一部分能量，但由于所設置的混凝土護欄為剛體結構，在碰撞過程中不會發生變形來吸收能量，因此，車體質心的加速度相較于波形梁護欄的要大。另外，由于混凝土護欄為實體結構，在車輛與護欄發生碰撞后，輪胎沿著護欄側面爬升提高，在其上滑行一段距離并轉向，車輛的一部分動能轉化為車輛的勢能，減小了車輛碰撞時行駛方向的加速度峰值。在圖9中，當時間為150 ms時，車體質心的加速度達到峰值，為-0.17 mm/ms2，約為17.35g，小于標準規定的20g，但比較接近?？梢哉J為：混凝土護欄可以使失控車輛發生轉向，但對于緩沖吸收碰撞能量的效果不明顯。

4.3　車輛與注水防撞墩的碰撞

車輛與注水防撞墩碰撞后，防撞墩上發生最大變形位置的位移曲線和車體的Y向加速度曲線分別如圖10，11所示。

圖10　注水防撞墩動態變形量Fig. 10　The dynamic deformation of the water injection anti-collision pier

圖11　車輛與注水防撞墩碰撞Y向加速度Fig. 11　Y-direction acceleration of collision between a vehicle and the anti-collision pier

從圖10中可以看出，當車輛與注水防撞墩發生碰撞時，防撞墩本身發生塑性變形，吸收了碰撞能量，且由于防撞墩整體與地面無連接，護欄發生了一定的位移。在時間為175 ms處，護欄的動態變形達到最大，為548 mm，小于標準規定的1 000 mm，可以認為注水防撞墩能有效地攔阻失控車輛，吸收碰撞能量。由于防撞墩材料具有彈塑性特征，最大變形點處的變形量會減小，該曲線略有回落。

從圖11中可以看出，車輛與注水防撞墩碰撞時，車體質心加速度的總體趨勢是逐漸增加。當時間為167 ms時，車體質心加速度達到最大，為-0.14 mm/ms2，約為14.29g，小于標準規定的20g。在碰撞過程中，由車體、塑料外殼的變形及內部水的緩沖吸收能量，可較為明顯地減小碰撞時產生的加速度。

將不同防護設施與車輛碰撞的結果進行對比，見表1。

表1　車輛與防護設施碰撞的結果比較Table 1　Comparison of collision results between vehicle and protective equipment

從表1中可以看出，在汽車與波形梁護欄發生碰撞時，其加速度較小，可較好地緩沖碰撞能量。而波形梁護欄的動態變形量較大，對于小型車，可阻止其駛出道路，但對于大質量的客車或貨車，則有可能不能有效阻止其越出道路[14]。在汽車與混凝土護欄發生碰撞時，由于混凝土護欄本身的剛體強度大，護欄不會產生明顯的變形，大部分能量是由車與人承受，因此，其碰撞加速度遠大于波形梁護欄和注水防撞墩的。混凝土護欄的動態變形量很小，可有效防止失控車輛越出護欄駛離道路。當汽車與注水防撞墩發生碰撞時所產生的加速度小于其與混凝土護欄發生碰撞時所產生的加速度，其碰撞產生的護欄動態變形量也小于其與波形梁護欄發生碰撞所產生的護欄動態變形量。由于注水防撞墩常用于隔離道路，需要靈活移動，因此底部沒有與地面連接，當有大型車輛與其發生碰撞時，可能會發生較大的位移。

根據《高速公路護欄安全性能評價標準(JTG/T F83-01-2004)》中的說明，小型車和大型車在護欄碰撞中的評估側重點是不同的。對于小型車，要考察沖擊加速度對乘員的傷害；對于大型車，要考慮避免沖出路外，造成較大事故。因此，通過結果比較可以看出，波形梁護欄更適合于小型車，注水防撞墩對小轎車產生的沖擊加速度也較小，而混凝土護欄在碰撞中不易變形，承受沖擊能力強，可有效防止車輛越出道路，因此，比較適合于大型車輛行駛較多、路側環境比較惡劣的路段。混凝土護欄與周圍環境協調性較差，視線誘導性差，不利于大規模使用。同理，注水防撞墩也不如波形梁護欄。因此，波形梁護欄在高速公路上得到大規模應用。由于注水防撞墩材質為塑料，壽命約5 a，如果大規模使用會導致成本太高，維護不便，因此,主要用于施工期間的臨時安全設施，這對于保障施工人員的安全和降低成本具有較大的意義。另外可根據道路交通事故統計資料，在事故頻發的路段進行設置注水防撞墩，與混凝土護欄混合使用，而不必在全路段布置。

5　結論

理想的安全防護設施不僅能夠在與車輛發生碰撞時吸收大部分能量，還能夠阻止車輛沖出路外、引導失控車輛轉向，返回原車道。本研究通過建立轎車和3種常見的防護設施的有限元模型，經碰撞仿真，從護欄最大動態變形量和車體加速度2個方面比較了3類防護設施的防護效果，得到的結論為：

1) 波形梁護欄的能量吸收效果較好，但碰撞時易被破壞，失控車輛有可能沖出路外，目前應用范圍很廣。

2) 混凝土護欄在防止失控車輛越出道路方面效果較好，但其緩沖吸能效果差，可設置于路側環境差的路段。

3) 注水防撞墩在碰撞時產生的沖擊加速度比混凝土護欄的小，其動態變形量不是很大。由于移動方便，可廣泛用于需要臨時設置隔離的路段或施工場合，在某些較為危險的路段也可設置代替混凝土護欄。

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