基于ABAQUS有限元仿真的車輛碰撞護欄動力響應

劉唐志, 張翔, 劉通, 劉星良

(重慶交通大學交通運輸學院, 重慶 400074)

據統計,中國高速公路上近30%的道路交通事故與汽車碰撞護欄有關,由此造成的惡性交通事故比例占高速公路交通事故的62%以上,有將近1/3的人員死亡事故發生在車輛與路側護欄碰撞中[1]。波形梁護欄作為最常見的道路交通防護設施,能有效地防止交通事故的發生,如何提升波形梁護欄防護能力成為當前研究的熱題。

1962年,美國便開展車輛碰撞護欄實車試驗,并發布首個車輛碰撞護欄足尺試驗標準,此法要求實驗設備精度高,但準備周期長、成本高、可重復性差。計算機仿真技術能模擬不同條件下的實際碰撞情況,處理復雜模型和邊界條件,且仿真精度在誤差范圍內,是目前主流的車輛護欄碰撞研究方法。

學者們基于ABAQUS、Dyna、HyperView等有限元仿真軟件對車輛碰撞護欄動力響應進行仿真研究。Yao等[2]、Atahan[3]利用LS-DYNA構建車輛護欄碰撞仿真模型,分析車輛碰撞過程中護欄的安全防護性能,并通過實車碰撞試驗驗證仿真模型可靠性。Rnek等[4]對嵌入土壤的立柱進行了一系列現場沖擊試驗,以確定3種不同土壤條件的最佳立柱埋置深度。Ozcanan等[5]以S235JR、S275JR和S355JR級鋼為護欄材料,使用仿真碰撞試驗構建目標函數和約束條件,采用代理模型RBF探尋護欄最優材料屬性。張淑寶[6]將組裝式鋼構件與原有混凝土護欄進行連接,提出分離式混凝土護欄,經實車碰撞與仿真測試驗證,護欄防護等級達到SAm級。崔洪軍等[7]、李文勇等[8]、王維利等[9]基于LS-DYNA、HyperMesh等有限元仿真軟件從車輛平均速度、車輛加速度、車輛導向出口角度等多個指標,研究護欄防護能力的可靠性指標。李霞等[10]對路側A級護欄進行升級改造,分別為增加立柱埋深、在立柱中澆筑混凝土、梁板上方增加橫隔梁,利用 LS-DYNA建立了車輛-護欄碰撞仿真實驗模型,對3種形式的波形梁護欄的防撞性能進行了驗證。荊坤等[11]結合實車試驗和計算機仿真方法,研究梁板尺寸、立柱幾何形狀等因素對車輛加速度的影響關系。崔洪軍[12]為使活動護欄兼具強防護能力與高靈活性能,在混凝土護欄內部設計一套移動裝置,利用有限元軟件對裝置各部分進行受力模擬計算,通過實車實驗與仿真測試驗證了新型活動護欄的可靠性。韓海峰等[13]認為車輛碰撞角度與碰撞速度隨道路線型的變化而變化,開展了基于UC-win/Road的駕駛模擬試驗與有限元仿真,考慮碰撞角度、硬路肩寬度與曲線曲率對碰撞角度速度的影響,確定基于實驗車輛的85%分位的碰撞能量,提出將其作為護欄碰撞的防護能量。劉航等[14]提出了雙層雙波型梁護欄的改造形式,保持原有護欄不變的基礎上,在原有立柱內內嵌立柱,新增一塊加強型防阻塊進行連接,改造后護欄滿足SB級防護水平。焦馳宇等[15]提出一種新型鋁合金防撞護欄替代傳統型鋼護欄,通過增大螺栓直徑與法蘭盤厚度,鋁合金護欄安全性良好。唐俊義等[16]提出裝配式的倒U形截面形式的橋梁人車隔離防撞護欄。研究指出,倒U形截面形式可大幅增加護欄橫向剛度,提升傳統護欄防撞性能。

當前研究多關注于新型結構與舊護欄改造提升防護能力,缺乏針對不同車型碰撞的護欄響應規律分析研究。此外,護欄安全評價中的車輛碰撞條件較為單一,無法體現碰撞隨機性。因此,現首先建立多車型的車輛-護欄有限元仿真碰撞模型,隨后選取護欄防護能力最弱位置及立柱作為碰撞點位,基于加速度、最大變形量及應力評價指標,分析護欄在不同位置碰撞的防護響應規律及閾值,為路側護欄安裝設計及智慧護欄感知系統研發提供依據。

1 有限元模型建立

1.1 護欄模型

波形梁護欄是高速公路上使用最為廣泛的道路安全設施,護欄由波形梁板、立柱、防阻塊、緊固件構成,以國內常用的國內二級、三級、四級道路常用的3 mm厚波形梁護欄為研究對象。根據《公路波形梁鋼護欄》(JTT 281—2007)三級防護護欄等級要求設置波形護欄整體模型,單個波形梁板采用BB01標準欄板建立3D仿真模型如圖1所示,波形形狀為圓弧形,欄板詳細尺寸如表1所示。立柱截面尺寸Φ140 mm×4.5 mm,總高度2 150 mm,其中1 400 mm埋于地下,750 mm立于地上。防阻塊尺寸178 mm×200 mm×3 mm,托架300 mm×70 mm×4.5 mm,半徑R=57 mm[17]。

表1 BB欄板尺寸Table 1 BB guardrail size

圖1 波形梁護欄模型Fig.1 Waveform beam guardrail model

參照《公路交通安全設施設計細則》(JTG/T D81—2017),設置波形護欄總長72 m,立柱間距設置2 000 mm,由18張護欄構成[18]。立柱底部1/4處施加全約束以模擬土壤對立柱的約束作用,護欄各部件之間連接使用Tie單元模擬護欄與螺栓之間的鏈接。材料參數:護欄采用Q235鋼彈塑性材料參數,其密度、彈性模量、泊松比、屈服強度及極限強度如表2所示。

表2 材料參數Table 2 Material properties

1.2 車輛模型

汽車整車模型包括很多零部件模型,一般由駕駛室、車架、發動機、貨柜、傳動系、制動系、驅動橋、輪胎、前后懸架等子系統組成。建立完整的整車模型工作量巨大,計算處理復雜,耗時久。研究主要針對護欄碰撞響應進行分析,對汽車內部部件不關注,因此對車輛模型進行簡化,減少計算處理時間。

根據《公路護欄安全性能評價標準》(JTGB 05-01—2013)防護等級三級護欄中規定的試驗車輛類型,選取1.5 t小型客車、10 t中型客車、10 t中型貨車3種車輛[19]。小型客車的幾何尺寸4 600 mm×1 770 mm×1 370 mm,模型單元數49 707個。中型客車的幾何尺寸為8 090 mm×2 440 mm×3 035 mm,模型單元數72 991個。中型貨車的幾何尺寸為7 460 mm×2 290 mm×3 100 mm,模型單元數79 351個(表3)。由于車輛構架大多由金屬板件沖壓而成,單元類型均設置為薄殼單元,適用于計算大變形、大位移的情況。在hypermesh中完成對車輛模型的幾何建模,導入ABAQUS中,3種車型的幾何模型如圖2所示。

圖2 車輛有限元模型Fig.2 Vehicle finite element model

選擇面面接觸和自接觸兩種方式模擬車輛護欄自身及二者之間的接觸情況,靜摩擦因數和動摩擦因數均設置為0.15,地面與輪胎的摩擦系數設置為0.2。

2 多工況實驗設計

根據《公路護欄安全性能評價標準》(JTGB 05-01—2013)中試驗要求規定,半剛性護欄設置不得小于70 m。因此,護欄模型由18張護攔板連接而成,每張護欄板長4 320 mm。將第一張護攔板中間位置定義為1號節點,從左至右按照1～18號依次排序,選取11～13號護攔板位置進行碰撞試驗,設置2個碰撞初始接觸點,分別是護欄波形梁跨中位置、波形護欄立柱位置,結合表4可看出各工況的初始碰撞位置,如圖3所示。

表4 數值仿真模擬工況Table 4 Numerical simulation conditions

圖3 碰撞節點示意圖Fig.3 Collision node diagram

依據《公路護欄安全性能評價標準》A級防護護欄實車試驗要求規定,將試驗碰撞角度設定為20°,碰撞速度分別為100 km/h和60 km/h,碰撞點設置在沿行車方向護欄跨中1/3長度處。為貼近車輛實際碰撞的隨機情況,增設一處碰撞位置,即立柱位置,此處剛度最大且明顯區別與其他碰撞位置,分析護欄在多種車型多碰撞位置下的動力響應規律,豐富路側空間護欄安裝和設計參考依據。根據初始碰撞條件共設計6個數值仿真模擬工況,如表4所示。

3 仿真數據結果與分析

通過ABAQUS軟件進行車輛與護欄及傳感器節點的碰撞仿真分析,選擇加速度、位移、應力3項常規指標作為有限元仿真分析輸出數據指標,分析多車型不同碰撞位置下車輛碰撞動力響應變化情況,X1、Y1、Z1工況表示3種車型與波形梁跨中位置相撞,X2、Y2、Z2表示3種車型與護欄立柱位置相撞,并分別得到不同輸出指標的時程曲線及響應特點和規律。由于車輛與護欄存在30°碰撞角度,將數據按Xsin30°+Ycos30°輸出碰撞行進方向曲線及按Ysin30°+Xcos30°輸出垂直護欄方向曲線,處理后輸出各節點位置綜合加速度曲線及位移曲線。

3.1 加速度時程曲線

沖擊加速度是護欄感知車輛碰撞的關鍵采集參數之一。圖4(a)、圖4(b)分別為1.5 t小型客車以20°傾角、100 km/h速度撞擊護欄跨中位置及立柱位置時,護欄沿路側方向(Y向)的沖擊加速度變化曲線。

圖4 小型客車加速度曲線Fig.4 Impact acceleration curve of mini-car

從圖4(a)中可看出,X1工況小型客車撞擊12號節點(波形梁跨中位置),剛碰撞時加速度值便迅速增大至最大值,前后節點(11號、13號節點)的加速度均在短暫延遲后(t=0.005 s)開始波動變化。隨碰撞持續,3個節點的加速度曲線均呈震蕩變化趨勢,符合客觀規律。X1工況下3處節點護欄所受沖擊加速度值均未超過常規沖擊加速度測量上限。從圖4(b)中可知,X2工況小型客車撞擊立柱位置(12號鋼管),剛碰撞時加速度值便迅速增加且變化劇烈,且6倍于X1工況最大加速度值。前節點(11號節點)加速度遠大于后節點(12號節點),符合客觀規律。而11號節點和12號鋼管位置護欄所受沖擊加速度均超過常規沖擊加速度測量上限,會造成護欄事故檢測傳感設備損壞,更換成本較高。

可見,在1.5 t小型客車兩種碰撞位置下,護欄的最大加速度值均位于碰撞接觸位置,撞擊鋼管位置的工況加速度值遠大于撞擊波形梁跨中位置工況。撞擊立柱位置最大加速度值為跨中位置的6倍多,立柱位置前節點最大加速度值為跨中位置的3倍左右,后節點位置的加速度變化與碰撞位置無明顯相關性。可對護欄前中后3處節點處加速度值大小進行綜合比較,進而判斷車輛撞擊護欄位置。相較而言,護欄防護效果對車輛撞擊立柱位置的情況較差,需管理人員進一步判斷現場情況,以及時做出針對性決策。

圖5(a)、圖5(b)分別為10 t中型客車以20°傾角、60 km/h速度撞擊護欄跨中位置及立柱位置時,護欄沿路側方向(Y向)的沖擊加速度變化曲線。

由圖5(a)可知,Y1工況3處節點的加速度均無明顯波動,護欄加速度響應較小,無特別劇烈的沖擊。11號節點處t=0.30 s時護欄加速度突增至最大值,說明車輛在11號節點處發生絆組。Y2工況車輛與護欄立柱位置相撞后,3處節點的加速度發生明顯變化。t=0.255 s時11號節點的加速度突增達到最大值,說明車輛在11號節點處發生絆組。

與1.5 t小型客車相比,10 t中型客車不同撞擊位置碰撞情況中均發生絆組,沖擊加速度值均超過常規加速度測量計的范圍。當撞擊節點位于波形梁中間位置時,波形護欄對小型客車與中型客車防護性能好,加速度曲線波動相對平緩。當碰撞節點位于立柱位置時,碰撞前后節點護欄沖擊加速度峰值出現時間提前,且最大加速度值遠高于Y1工況。

同樣地,圖6(a)、圖6(b)分別為10 t中型貨車以20°傾角、60 km/h速度撞擊護欄跨中位置及立柱位置時,護欄沿路側方向(Y向)的沖擊加速度變化曲線。

由圖6(a)可知,Z1工況車輛與護欄跨中位置相撞后,3處節點的加速度值均在常規測量計的測量范圍內波動。11號節點在0.325 s加速度陡增至最大值,說明此時車輛發生了絆組,護欄所受沖擊加速度值遠大于正常接觸時,差異最大相差10倍。從圖6(b)可以看出,中型貨車撞擊護欄立柱位置時,與Z1工況相比,Z2工況下的加速度波動變化更劇烈,碰撞點的沖擊加速度在剛接觸時就達到最大值,隨后不斷震蕩收斂。11號節點與12號節點均無較大的波動變化。

中型貨車碰撞位置不同沖擊加速度有較大區別,對車輛防護性能差異明顯,峰值加速度相差2倍左右。撞擊立柱位置處護欄加速度值較大,在碰撞接觸時就達到最大值,前后節點加速度無明顯波動變化,表明車輛接觸形梁位置在碰撞開始階段吸收了絕大部分能量,存在波形梁變形嚴重等問題,護欄對大型車防護性差。

3.2 位移時程曲線

設置護欄主要是阻擋車輛并導正其行駛方向,禁止車輛任何形式的穿越、翻越、騎跨、下穿護欄。但是道路路側空間有限,因此護欄最大橫向位移是護欄安全評價的主要標準之一。圖7(a)、圖7(b)分別為1.5 t小型客車碰撞護欄跨中位置及立柱位置的位移時程響應曲線。

圖7 小型汽車位移曲線Fig.7 Displacement curve of mini-car

X1工況下12號節點(碰撞點)處的位移逐漸增大,最大位移達0.4 m,11號節點(前節點)處位移開始增大,最大變形量達到0.5 m,超過碰撞點處最大位移值。X2工況下3處節點均在碰撞開始時出現明顯位移變化,前節點處最大位移0.7 m,碰撞點處最大位移0.4 m,說明該工況下護欄變形量大。綜合比較而言,1.5 t小車撞擊波形梁護欄,當撞擊位置為立柱位置時,波形梁護欄整體變形量更大,前節點位移超過一般路肩范圍0.5 m,具有一定的危險潛在性,但基本滿足車輛防護效果。

此外,圖8(a)、圖8(b)分別為10 t中型客車碰撞護欄跨中位置及立柱位置的位移時程響應曲線。

圖8 中型客車位移曲線Fig.8 Displacement curve of medium bus

從圖8中可以看出,Y1工況碰撞點處的位移最先增加至最大位移0.6 m,隨著碰撞過程持續,前節點處最大位移達1.2 m,變形量大于1 m不滿足規范安全評價要求,說明護欄對中型客車防撞性能較差。Y2工況下12號節點處的位移較小,最大位移為0.3 m,而前節點處最大位移達0.8 m。相較于Y1工況,Y2工況下的護欄變形量降低,說明A級波形梁護欄剛性較弱,10 t客車撞擊波形梁跨中位置時具有沖出路外可能性。立柱位置護欄剛性較強,變形量小,由車輛自身吸收多數碰撞能量,對乘員具有一定危險性。

同理,圖9(a)、圖9(b)分別為10 t中型貨車碰撞護欄跨中位置及立柱位置的位移時程響應曲線。

圖9 中型貨車位移曲線Fig.9 Displacement curve of medium truck

Z1工況11號節點護欄最大位移達1.345 m,超過護欄安全評價要求1 m范圍,說明該護欄防撞性能不合格。Z2工況車輛撞擊12號鋼管位置,11號節點護欄最大位移0.668 m,12號鋼管位置最大位移達0.31 m,12號節點位移0.186 m。綜合而言,相比X1工況,護欄位移變形量均降低50%,說明碰撞過程中車輛吸收了大部分撞擊能量。

綜上可知,不同車型與碰撞位置不同導致位移變形圖分布特征明顯,1.5 t車型撞擊下護欄最大位移為0.7 m,10 t車型最大位移均超過1 m,最高達1.35 m,10 t車型不同碰撞位置引起的最大位移相差50%。

3.3 應力時程曲線

護欄應有效阻擋和導向車輛并自身不發生斷裂或破壞,通過護欄的彈性、塑性變形有效阻止車輛沖出路外,所以車輛碰撞過程中護欄應力強度應小于材料的極限強度。圖10為1.5 t小型客車撞擊波形梁跨中位置及立柱位置護欄所有節點應力變化情況。

圖10 小型客車應力曲線Fig.10 Stress curve of mini-car

X1工況下11、12、13號節點處的最大應力分別為224、212、95.7 MPa。12號碰撞節點應力最先達到224 MPa,接近護欄材料Q235鋼的屈服強度235 MPa,3處節點均為超過護欄屈服強度,護欄處于彈性變形階段,變形后可恢復;X2工況下,11號節點、12號節點最大值分別為247 MPa和66.8 MPa。11號節點在t=0.17 s時應力接近屈服強度,節點處應力在200～250 MPa波動持續了0.1 s,最高達247 MPa超過材料屈服極限,在0.1 s的時間內材料發生了塑性變形,此階段應力的增加可導致較大的變形。與X1工況相比較,X2工況波形梁板受到應力更大,最大應力超過護欄屈服強度,發生了塑性變形。

同理,圖11(a)、圖11(b)分別為10 t中型客車碰撞護欄跨中位置及立柱位置的節點應力變化情況。

圖11 中型客車應力曲線Fig.11 Stress curve of medium bus

Y1工況下11號、12號、13號節點最大應力分別為329.1、182.1、68.6 MPa。11號節點處應力剛碰撞時均處于200 MPa內,在t=0.33 s時應力才超過屈服強度,僅持續0.02s左右,此時發生了塑性變形,最大值接近護欄材料的破壞強度,較小應力的增長可能產生較大的變形量,具有高風險性;Y2工況下,11號、12號節點最大應力分別為221.9 MPa與100 MPa。所有節點均處于彈性變形階段。

圖12(a)、圖12(b)分別為10 t中型貨車碰撞護欄跨中位置及立柱位置的節點應力變化情況。

圖12 中型貨車應力曲線Fig.12 Stress curve of medium truck

Z1工況下,11號、12號、13號節點最大應力分別為328.3、215、77.1 MPa。11號節點在t=0.25 s后,最大應力在200～300 MPa波動,超過護欄材料屈服強度,在該區間內持續了0.1 s,此時波形梁板處于塑性變形階段,該階段應力的增加可導致較大的變形,從位移變形圖中亦得到驗證,在0.1 s時間內最大變形量接近1 m,具有較高風險性;Z2工況下,11號、12號最大應力分別為221.9 MPa與193.6 MPa,所有節點應力均小于屈服強度內,處于彈性變形階段,護欄防護性滿足要求。

結合上述6種工況的應力變形曲線可以看出,不同噸重車型與撞擊位置對應力變化曲線有明顯影響。其中,撞擊點位于立柱位置時,各車型撞擊下波形梁應力情況均不超過屈服強度,處于彈性變形階段,護欄防護性好。當撞擊點位于波形梁跨中部分時,10 t車型撞擊下波形梁應力均超過屈服強度,達到塑性變形階段,結合位移變化曲線圖觀察可以看出,10 t車輛在碰撞過程末尾均出現較大程度的位移增加,即由于波形梁應力過大而導致,表明A級波形梁護欄對10 t重型車輛防護性差。

4 結論

經分析,不同車型撞擊下護欄沖擊加速度響應具有明顯差異,10 t車型撞擊下護欄所受的最大沖擊加速度顯著高于1.5 t小客車,可通過護欄加速度值判別碰撞事故車輛類型及危險程度。除1.5 t小客車外,10 t車型碰撞護欄所受沖擊加速度值均超過常規傳感器測量上限,易造成常規加速度計高額的更換與維護成本,因此當前主流護欄事故檢測技術應選擇高額加速度值傳感器。

在10 t車型不同碰撞位置撞擊下,護欄的最大橫向動態位移相差達50%。當護欄位于鄰水臨崖等危險路段路側時,應以波形梁跨中處為碰撞位置,考慮最嚴重的護欄變形情況。當路側凈向空間較大時,應以立柱為碰撞位置進行實驗,考慮乘員最嚴重加速度值。

1.5 t車型撞擊下護欄最大位移為0.7 m,10 t車型最大位移均超過1 m,最高達1.35 m。在進行護欄安裝設計時,小型車輛通行較多路段,路側最邊緣至護欄空間留有0.5～1 m即可滿足安全導出需求。當大型車輛通行比例較高時,路側外邊緣至護欄空間應留有1～1.5 m安全距離,以保證車輛安全導出。

1.5 t車型撞擊下碰撞點處護欄應力最大值247 MPa,接近護欄材料屈服應力,護欄材料基本仍處于彈性形變階段,護欄仍具有較高安全防護性,碰撞后可僅維修碰撞點處護欄。在10 t車型撞擊下最大應力為329 MPa,碰撞點及前方處護欄材料均達到塑性變形階段甚至接近斷裂狀態,A級護欄對貨車防護性能較差,護欄經10 t車型碰撞后需及時更換或維修碰撞點及前方一跨護欄,保證護欄處于完整防護能力水平。

研究僅以1.5 t小車車型和10 t客車、貨車車型為研究對象,未來可考慮重型車輛和運動型多用途汽車(sport utility vehicle,SUV)車型,進一步研究車型與碰撞位置對護欄的動力響應特性。