救命的高速路防護欄

李 根 王華山 董浩宇 張國春 韓峻杰

（燕山大學，河北 秦皇島066000）

當汽車與傳統波形梁護欄相撞時，車輪容易被護欄立柱卡死而產生阻拌，這會大幅度降低防護欄的導向性，從而引發一系列讓人心痛的嚴重事故。為了從根本上避免阻拌，我們所設計的新型防護欄，通過使立柱后移來避免碰撞過程中車輛接觸側的車輪與立柱發生阻拌。并且為了降低生產成本、便于在傳統波形梁防護欄結構基礎上改造，新型的防護欄依然可采用運用于傳統的防阻塊、連接螺栓以及波形梁板。

1 高速路防護欄評價指標

本文的研究將通過《公路護欄安全性能評價標準》（JTG B05-01-2013）中提供的一系列護欄的評價指標與實驗方法來評價護欄的安全性能。該評價標準為公路護欄的安全性能評價提供了實驗與理論依據。

因為我們的新型防護欄是在傳統防護欄的基礎上改進的，因此我們在這里主要觀察分析新式高速路防護欄的阻擋功能與導向功能。

2 有限元模型的建立

2.1 車輛的有限元模型

汽車是一個含有眾多零部件且結構復雜的機器。因此，建立詳細的汽車幾何模型需要多個工程技術人員的協力合作，整個建模過程對我們此次的研究來說太過費時費力，并且由于我們技術能力有限。因此，我們決定所采用的Neon 汽車有限元模型。（由美國高速公路安全管理局NHTSA 所提供）Neon 汽車有限元模型的主要參數如下表所示：

2.2 波形梁防護欄的有限元模型

波形鋼護欄板有良好的耐撞性能和吸收能量的作用，其主要是為了防止失控車輛沖出道路并起到一定的導向作用。立柱是波形梁防護欄中非常重要的支撐部件，它主要承受彎矩。

圖1 新式立柱有限元模型

3 仿真的基本理論

LS-DYNA 是功能齊全的幾何非線性、材料非線性和接觸非線性程序。可以用于非線性動力學分析、多剛體動力學分析、熱分析和流體分析等。并且它擁有豐富的材料模式庫以及攜帶最為方便的自適應網格剖分功能。主要應用在汽車工業、航空航天、公路橋梁設計等領域。

3.1 單元類型

在車輛碰撞波形梁護欄的仿真中，常用的殼單元有HL 殼單元和BT 殼單元兩種。BT 殼單元產生于經典薄殼理論，BT 殼單元在計算效率上要大大高于HL 單元，故單元類型以四邊形BT 殼單元為主。因此，我們采用BT 殼單元。

3.2 模型的簡化

采用簡化法，即利用車輛的駛出角θ 來計算離去的距離Δ。當Δ ＞0m 時，表明車輛在駛出導向框時沒有越出導向框下邊緣線S;當Δ ＜0m 時，則表明車輛己經越出了導向框下邊緣線S。

3.3 波形梁板/防阻塊/立柱的材料參數的設置

波形梁板/防阻塊/立柱的材料參數可設置相同：密度為7865kg/m3，彈性模量取為200 MPa，剪切模量設為763MPa，屈服應力420MPa，泊松比0.27，應變率參數C 取40、P 取5。

4 新型護欄仿真與傳統護欄的對比

4.1 新型波形梁的安全性能仿真分析

車輛與新型高速路防護欄的碰撞仿真過程如圖2 所示。可以發現新型波形梁護欄的阻擋效果明顯，可以阻擋車輛的騎跨、翻越和穿越，防護欄零件和其脫離件也沒有侵入車內。并且通過觀察圖2，在保留優秀的阻擋效果的情況下。通過簡化模型計算分析，車輛碰撞后離去距離△=0.307m，表明車輛離開駛離點后的輪跡經過駛出導向框時，沒有越出導向框下邊緣線，可大幅減少發生二次事故的風險。因此，新型波形梁護欄的導向效果不錯。

4.2 新型與傳統波形梁防護欄的對比

在本文中，新型護欄與傳統護欄的安裝方式相同，而且再新型防護欄的設計中保留了傳統防護欄的防阻塊、波形梁板以及螺栓等零部件，在制造成本方面也僅在立柱上與傳統波形梁護欄有所區別，因此從批量生成后的經濟性來看，二者的經濟性是基本相同的。

圖2 車輛碰撞過程仿真

在安全性能方面，傳統防護欄和新型防護欄都沒有出現翻車、騎跨和穿越等現象，但是傳統波形梁護欄的立柱容易對汽車前輪產生了阻拌。由于出現了阻拌現象，導致傳統波形梁護欄的導向功能變差，增加了回彈回車道的可能性。傳統波形梁護欄的乘員碰撞后車輛離去距離△為-0.111m；而新型防護欄車輛離去距離△為0.307m。這些說明，新型防護欄的導向功能比傳統波形梁護欄的要好，新型波形梁具有更優秀的安全性能。

綜上所述，新型波形梁護欄具備較好的可行性，雖然新舊兩種防護欄具備相同的經濟性。但是在安全性能方面，傳統波形梁防護欄因為阻拌現象的存在無法克服導向性能不好的問題。而在新型波形梁防護欄結構中，由于不存在阻拌現象，同時具有不錯的阻擋功能和導向功能，因此，較前者具備更好的安全性能。