高速公路碰撞能量衰減裝置設(shè)計(jì)與力學(xué)性能分析

郭紅軍

(中鐵建大橋工程局集團(tuán)第六工程有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130031)

0 引言

我國(guó)高速公路的快速建設(shè)與發(fā)展帶動(dòng)了各個(gè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，高速公路交通事故也不斷增多[1]。目前，我國(guó)高速公路交通事故約占總數(shù)的45%，其中車輛與護(hù)欄碰撞事故約占總數(shù)的66%[2]。在高速公路上設(shè)置防撞護(hù)欄是降低交通事故率和致死率的有效方法之一[3-7]，但對(duì)于護(hù)欄結(jié)構(gòu)選擇、吸能效果等方面還需要進(jìn)行深入研究。

薄壁能量衰減裝置是當(dāng)前研究關(guān)注的吸能緩沖方式，當(dāng)薄壁能量衰減裝置受到的外部沖擊載荷大于裝置壓潰峰值載荷時(shí)，外部的沖擊能量轉(zhuǎn)換為能量衰減裝置的塑性變形能，從而達(dá)到?jīng)_擊能量衰減的目的[8-11]。現(xiàn)有圓形管[12]、蜂窩管[13]、復(fù)合材料管[14]、泡沫填充管[15]等能量衰減裝置，在被撞擊過(guò)程中的承載力變化過(guò)程主要為3個(gè)階段：快速線性達(dá)到一個(gè)初始峰值(峰值載荷)；從峰值載荷處急劇下降進(jìn)入穩(wěn)態(tài)屈服漸進(jìn)階段，這一階段的主要特點(diǎn)是有規(guī)律的波動(dòng)起伏；被壓至“密實(shí)化”階段，這一階段的主要特點(diǎn)是承載力迅速增加。現(xiàn)有大多能量衰減裝置在壓潰變形過(guò)程中承載力不具恒定性[16]，壓潰變形過(guò)程中承載力相對(duì)恒定的能量衰減裝置成本較高[17]，不適用于高速公路護(hù)欄。因此，本文提出一種八邊薄壁型能量衰減裝置，并對(duì)其力學(xué)特性進(jìn)行分析。

1 能量衰減裝置設(shè)計(jì)與力學(xué)性能理論分析

根據(jù)能量衰減裝置應(yīng)具有恒反力的力學(xué)性能要求，把能量衰減裝置設(shè)計(jì)為八邊薄壁型。

當(dāng)車與能量衰減裝置發(fā)生撞擊時(shí)，受力可簡(jiǎn)化為受兩平板徑向?qū)骸Ｄ芰克p裝置在力的作用下是三次超靜定結(jié)構(gòu)，如圖1(a)所示。由于裝置所受載荷及結(jié)構(gòu)的對(duì)稱，取一次超靜定的1/4衰減裝置進(jìn)行分析，如圖1(b)所示，并把多余未知力設(shè)為彎矩，圖1(b)的能量衰減裝置彎矩如圖1(c)所示。

將單位彎矩、載荷彎矩代入結(jié)構(gòu)力學(xué)位移計(jì)算公式中，可得出系數(shù)式(1)和自由項(xiàng)式(2)。

圖1 構(gòu)件受力分析Fig.1 Force analysis of components

(1)

(2)

由式(1)～(2)可得：

(3)

由式(1)～(3)得出DC段上的彎矩式(4)、CB段上的彎矩式(5)、BA段上的彎矩式(6)：

(4)

(5)

(6)

式中：M為彎矩，N/m；L為能量衰減裝置邊長(zhǎng)，m；P為載荷，N；X為邊長(zhǎng)，m。

從圖1(c)可知，能量衰減裝置先在頂邊中部D點(diǎn)形成塑性鉸，然后在裝置右側(cè)邊上AB段形成塑性鉸，當(dāng)AB段形成塑性鉸時(shí)能量衰減裝置開始破損。可得能量衰減裝置初始破損載荷：

(7)

式中：Ms為能量衰減裝置塑性極限彎矩，N/m；σs為能量衰減裝置材料屈服強(qiáng)度，N/m2；L為能量衰減裝置邊長(zhǎng)，m；d為能量衰減裝置長(zhǎng)度，m；t為能量衰減裝置壁厚，m。

當(dāng)能量衰減裝置長(zhǎng)度大于邊長(zhǎng)時(shí)，E3應(yīng)當(dāng)乘以系數(shù)E1(考慮平面應(yīng)變)，得出修訂的能量衰減裝置初始破損載荷為：

(8)

從式(8)可知，能量衰減裝置的初始破損載荷與材料屈服強(qiáng)度、邊長(zhǎng)、長(zhǎng)度和壁厚等參數(shù)相關(guān)。

2 能量衰減裝置力學(xué)性能數(shù)值分析

2.1 數(shù)值模型幾何尺寸選取和建立

采用有限元軟件ABAQUS建立模型[18]，應(yīng)用Mises屈服準(zhǔn)則，動(dòng)態(tài)顯式算法計(jì)算能量衰減裝置被撞擊過(guò)程。能量衰減裝置的網(wǎng)格采用長(zhǎng)度為1～1.5 mm之間的四邊形單元。能量衰減裝置被撞擊過(guò)程為：首先建立1塊剛性板1并約束其所有自由度；然后建立能量衰減裝置，并把能量衰減裝置平放在剛性板1上；最后建立1塊與剛性板1平行的剛性板2，剛性板2從能量衰減裝置上方沿能量衰減裝置徑向以1 m/s的恒定速度壓下。

能量衰減裝置材料力學(xué)參數(shù)如表1所示。材料彈性模量為210 GPa，密度為7 850 kg/m3，泊松比為0.3。截面為正八邊形，由壁厚、長(zhǎng)度和邊長(zhǎng)3個(gè)幾何參數(shù)決定。考慮壁厚對(duì)能量衰減裝置的力學(xué)特性影響，研究8種壁厚尺寸的能量衰減裝置，如表2中B-1～B-8所示；考慮邊長(zhǎng)對(duì)能量衰減裝置力學(xué)特性影響，研究4種邊長(zhǎng)尺寸的能量衰減裝置，如表2中B-4，B-9～B-11所示；考慮長(zhǎng)度對(duì)能量衰減裝置力學(xué)特性影響，研究4種長(zhǎng)度尺寸的能量衰減裝置，如表2中B-4，B-12～B-14所示。

表1 材料力學(xué)參數(shù)Table 1 Material mechanics parameters

表2 能量衰減裝置幾何尺寸Table 2 Anti-collision device geometry mm

2.2 結(jié)果與分析

能量衰減裝置變形過(guò)程如圖2所示，從圖2可知， 先在能量衰減裝置的頂?shù)撞啃纬伤苄糟q線，然后在左右兩側(cè)形成塑性鉸線，當(dāng)形成的4條塑性鉸線長(zhǎng)度與裝置長(zhǎng)度一致時(shí)，能量衰減裝置開始破損；不同幾何參數(shù)和不同材料性能的能量衰減裝置均具有相同的破壞模式，這說(shuō)明能量衰減裝置具有可重復(fù)的變形破壞模式。

圖2 構(gòu)件變形Fig.2 Deformations of components

圖3 裝置承載力隨位移變化規(guī)律Fig.3 Variation of bearing capacity with displacement

圖4 裝置吸收能量隨位移變化規(guī)律Fig.4 The variation of absorbed energy with displacement of the device

能量衰減裝置的承載力-位移曲線如圖3所示、能量吸收特性曲線如圖4所示。從圖3～4可知，能量衰減裝置被撞擊過(guò)程中的能量吸收隨壓縮距離增加而近線性增加。能量衰減裝置被撞擊過(guò)程中的承載力變化趨勢(shì)分為4個(gè)階段：彈性受力階段、彈塑性受力階段、塑性受力階段(這一階段裝置承載力較為恒定，位移較大，吸能較多)和致密受力階段。能量衰減裝置被撞擊過(guò)程中具有較為恒定的承載力。

能量衰減裝置的壓潰峰值力、平均壓潰力和能量吸收3項(xiàng)性能指標(biāo)隨壁厚變化規(guī)律如圖5～6所示。從表3和圖5～6可得，不同壁厚的能量衰減裝置的沖程效率約為70%、載荷波動(dòng)系數(shù)約為1.29，說(shuō)明壁厚對(duì)能量衰減裝置的沖程效率和載荷波動(dòng)系數(shù)2個(gè)性能指標(biāo)沒(méi)有影響。能量衰減裝置的平均壓潰載荷、壓潰峰值載荷和吸能吸收3個(gè)性能指標(biāo)隨壁厚增加有非線性增大趨勢(shì)。

表3 能量衰減裝置防撞特性Table 3 Anti-collision device anti-impact characteristics

圖5 裝置峰值力隨壁厚變化規(guī)律Fig.5 Variation of peak load with wall thickness

圖6 裝置吸收能量隨壁厚變化規(guī)律Fig.6 The variation of absorbed energy with wall thickness

能量衰減裝置的壓潰峰值力、平均壓潰力和能量吸收3項(xiàng)性能指標(biāo)隨邊長(zhǎng)變化規(guī)律如圖7～8所示。從表3和圖7～8可得，不同邊長(zhǎng)的能量衰減裝置的沖程效率約為70%、載荷波動(dòng)系數(shù)約為1.29，說(shuō)明邊長(zhǎng)對(duì)能量衰減裝置的沖程效率和載荷波動(dòng)系數(shù)2個(gè)性能指標(biāo)沒(méi)有影響。能量衰減裝置的平均壓潰載荷、壓潰峰值載荷和吸能吸收3個(gè)性能指標(biāo)隨邊長(zhǎng)增加有線性減小趨勢(shì)。

圖7 裝置峰值力隨內(nèi)邊長(zhǎng)變化規(guī)律Fig.7 Variation of peak force with inner side length

圖8 裝置吸收能量隨內(nèi)邊長(zhǎng)變化規(guī)律Fig.8 The absorption energy of the device varies with the length of the inner side

能量衰減裝置的壓潰峰值力、平均壓潰力和能量吸收3項(xiàng)性能指標(biāo)隨長(zhǎng)度變化規(guī)律如圖9～10所示。從表3和圖9～10可得，不同長(zhǎng)度的能量衰減裝置的沖程效率約為70%、載荷波動(dòng)系數(shù)約為1.29，說(shuō)明長(zhǎng)度對(duì)能量衰減裝置的沖程效率和載荷波動(dòng)系數(shù)2個(gè)性能指標(biāo)沒(méi)有影響。能量衰減裝置的平均壓潰載荷、壓潰峰值載荷和吸能吸收3個(gè)性能指標(biāo)隨長(zhǎng)度增加而線性增大。

圖9 裝置峰值力隨長(zhǎng)度變化規(guī)律Fig.9 Variation of peak force with length of device

圖10 裝置吸收能量隨長(zhǎng)度變化規(guī)律Fig.10 The absorption energy of the device varies with length

3 結(jié)論

1)能量衰減裝置具有非常穩(wěn)定的變形破壞模式和較為恒定的承載力以及較小的載荷波動(dòng)性。

2)能量衰減裝置的邊長(zhǎng)、壁厚和長(zhǎng)度等幾何參數(shù)對(duì)裝置的沖程效率和載荷波動(dòng)系數(shù)性能指標(biāo)影響較小；能量衰減裝置的平均壓潰載荷、壓潰峰值載荷和總吸能性能指標(biāo)均隨壁厚、長(zhǎng)度幾何參數(shù)減小而線性減小；能量衰減裝置的平均壓潰載荷和壓潰峰值載荷隨邊長(zhǎng)增加而減小。