泡沫鋁夾芯板橋墩防撞裝置性能分析

摘 要：【目的】為了滿足橋墩防撞裝置的結構設計要求和質量需求，提高其使用壽命和綜合性能，設計一種泡沫鋁夾芯板橋墩防撞裝置，并對其性能進行分析研究。【方法】根據原有的橋墩防撞裝置，依據等質量原則，設計泡沫鋁夾芯板防撞裝置。使用ANSYS Workbench進行顯示動力學分析，模擬車輛與橋墩正碰撞過程，提取整個碰撞周期內應力和變形量的時間歷程曲線，得出動態過程中產生的最大應力和變形量?！窘Y果】泡沫鋁夾芯板橋墩防撞裝置在碰撞沖擊載荷作用下，整體結構的最大應力為491.02 MPa，最大變形量為280.31 mm?！窘Y論】經過上述仿真分析可得出，該泡沫鋁夾芯板結構在防撞性能方面的優越性，為后續生產泡沫鋁夾芯板橋墩防撞裝置提供技術支持。

關鍵詞：泡沫鋁；防撞裝置；顯示動力學分析

中圖分類號：TH164 文獻標志碼：A 文章編號：1003-5168（2024）19-0030-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.19.006

Performance Analysis of Anti-Collision Device for Foam Aluminum Sandwich Plate Pier

LI Zhihui ZHENG Xiang XU Lei CUI Haoran SUN Haobo

（School of Mechanical Engineering， Chaohu University， Hefei 238024，China）

Abstract：[Purposes] In order to meet the structural design and quality requirements of bridge pier anti-collision devices， and improve its service life and comprehensive performance， a anti-collision device for foam aluminum sandwich panel was designed and its performance was analyzed. [Methods] According to the original bridge pier anti-collision device， the anti-collision device of foam aluminum sandwich panel is designed according to the principle of equal quality. By using ANSYS Workbench for display dynamics analysis， simulating the process of a vehicle colliding with a bridge pier， and extracting the time history curve of stress and deformation throughout the entire collision cycle， this paper determines the maximum stress and deformation generated during the dynamic process. [Findings] Under the impact load， the maximum stress of the overall structure is 491.02 MPa， and the maximum deformation is 280.31 mm. [Conclusions] After the above simulation analysis， it can be concluded that， the superiority of the foam aluminum sandwich panel structure in anti-collision performance provides technical support for the subsequent production of foam aluminum sandwich panel pier anti-collision device.

Keywords： foam aluminum; anti-collision device; display dynamic analysis

0 引言

隨著橋梁交通的快速發展，車輛與橋墩之間的碰撞事故時有發生，嚴重威脅著人員、車輛和橋梁的安全。橋墩作為橋梁的重要組成部分，其穩定性和安全性直接關系到整個橋梁的承載能力和使用壽命。因此，橋墩防撞裝置的研究與應用顯得尤為重要。

余葵等［1］在2022年為解決白果渡嘉陵江大橋的橋墩防撞安全問題，提出了一種自浮式復合材料防撞裝置，并運用LS-DYNA軟件建立了船—橋墩—防撞裝置的三維分析模型，將有無防撞裝置的情況進行對比。結果表明：安裝防撞裝置后，在最不利的正撞工況下，船舶撞擊力峰值降低55 %，最大等效應力減少44 %，具有良好的防撞效果。王喬［2］為有效降低北方地區春季開江流動冰排對橋墩造成的損傷，設計了一種橋墩防冰撞裝置，并對其防冰撞效果進行了數值模擬研究。結果表明：橋墩頂部的最大位移和最大加速度可分別減小50 %和70 %以上，防撞裝置對橋墩起到了很好的保護作用。胡峰強等［3］針對汽車撞擊橋墩問題，設計了聚氨酯（PU）泡沫材料防撞裝置，利用有限元軟件建立車輛—橋墩撞擊模型。結果表明：PU材料具有良好的吸能能力，能有效地吸收沖擊力，減小橋墩撞擊力。張林凱等［4］提出泡沫鋁、橡膠混凝土和泡沫鋁外包橡膠混凝土三種材料的防撞裝置，運用ANSYS/LS-DYNA軟件建立三種防撞裝置模型，從能量轉化、撞擊力和裝置撞深三部分進行動力響應分析。結果表明：泡沫鋁外包橡膠混凝土防撞裝置具有良好的緩沖吸能特性。郭錚等［5］針對現有橋墩防撞裝置存在緩沖效果差、不易安裝和修復等問題，提出采用具有優良耗能緩沖性能的泡沫鋁和聚氨酯材料進行多層組合的防撞裝置。結果表明：泡沫鋁和聚氨酯材料均具有穩定的變形破壞模式和較長的應力平臺區，可持續穩定地吸收能量。

橋墩防撞裝置的研究已經取得了一定成果，而泡沫鋁夾芯板作為一種新型防撞材料，因其優良的緩沖吸能和較輕的質量，也逐漸受到研究者的關注。泡沫鋁夾芯板防撞裝置通過其獨特的結構設計和材料性能，能夠有效地吸收碰撞能量，降低對橋墩的沖擊，從而保護橋墩的安全與穩定。

本研究基于既有的橋墩模型碰撞試驗，建立簡化的車輛撞擊帶有泡沫鋁夾芯板防撞裝置的橋梁三維實體有限元模型，分析在車輛撞擊載荷下，防撞裝置所受的應力和變形量。

1 碰撞模型設計

本研究設計的防撞裝置為三明治夾芯結構，即鋼板—泡沫鋁—鋼板結構［6］，中間為實體圓柱橋墩。防撞裝置與橋墩采用膠接的方式進行連接，泡沫鋁材料密度為300 kg/m3，防撞裝置截面如圖1所示。防撞裝置的高度應高于車輛撞擊點，因此，在本模型中取防撞裝置和橋墩的高度為0.8 m。由于防撞裝置粘結于直徑為1 000 mm的橋墩上，所以防撞裝置的內徑選為1 000 mm。防撞裝置的厚度偏于保守地取為190 mm，其中內外層鋼板厚度為20 mm，中間泡沫鋁厚度為150 mm。

2 碰撞分析理論

碰撞分析是一種廣泛應用的技術，主要用于模擬物體在碰撞過程中的動態響應，目的是通過模擬碰撞過程預測結構的變形、應力分布。碰撞時系統滿足的動力分析方程見式（1）。

[Mμ+Cμ+Kμ=Ft] （1）

式中：[M]為結構質量矩陣；[C]為結構阻尼矩陣；[K]為結構剛度矩陣；[μ]為節點加速度向量；[μ]為節點速度向量；[μ]為結點位移向量；[Ft ]為隨時間變化載荷向量。

在任意給定的時間t，式（1）可以看作是一系列考慮了慣性力[Mμ]和阻尼力[Cμ]的靜力平衡方程。在ANSYS軟件動力分析中，使用Newmark方法計算動力響應的后局部誤差估計，在離散的時間點上求解這些平衡方程，兩個連續時間點之間的時間增量稱為積分時間步長（Integration time step）。這種算法可以自動調節至適合的步長，使誤差的估計逐漸趨于0，從而得到可靠的數值解［7］。

3 有限元分析

3.1 有限元模型

顯示動力學分析主要用于求解高度非線性的動力學問題，這些問題通常發生在極短的時間內，如幾毫秒甚至更短。非常適合用來模擬汽車與橋墩之間碰撞過程中的動態響應。

為方便計算，對汽車和防撞裝置進行了簡化處理。假設汽車為剛性體，汽車與防撞裝置正向碰撞時最大水平速度為20 m/s、碰撞時間為0.01 s，內外鋼板材料為STEEL 1006，泡沫鋁的參數見表1。其中：ρA為密度，EA為彈性模量，υA為泊松比，γ為材料在受壓縮或拉伸時的彈性響應特性。

在ANSYS Workbench顯示動力學模塊設置各接觸區域為綁定，通過控制網格尺寸對模型進行網格劃分，使用四邊形為主的網格劃分，在可能產生形變和應力的部位進行細化，控制網格大小為30 mm，生成169 002個節點，134 334個單元。防撞裝置有限元模型如圖2所示。

3.2 結果分析

顯示動力學分析求解車與橋墩正碰撞的典型工況下的動態響應。提取防撞裝置的應力分析結果如圖3所示。碰撞過程中應力時間歷程曲線如圖3（a）所示，從圖中可以看出，在0.009 s時防撞裝置應力達到最大峰值，提取此時刻的防撞裝置應力云圖如圖3（b）所示，防撞裝置的最大應力為491.02 MPa。

提取防撞裝置的變形量分析結果如圖4所示。碰撞過程中變形量時間歷程曲線如圖4（a）所示。從圖中可以看出，在0.01時防撞裝置的位移達到最大峰值，提取此時刻的防撞裝置總變形云圖如圖4（b）所示，防撞裝置的最大變形量為280.31 mm。

4 結論

本研究以車輛—橋墩碰撞問題為背景，為減小車輛—橋墩撞擊過程中橋墩與車輛的損傷，在橋墩局部設計泡沫鋁夾芯板防撞裝置?；诩扔械能囕v—橋墩撞擊試驗，建立車輛—橋墩撞擊三維實體有限元模型，研究了車與橋墩碰撞的動態響應特征，得到以下結論。

①利用既有的橋墩防撞裝置根據等質量原則設計一種新型泡沫鋁夾芯板防撞裝置，通過使用ANSYS Workbench進行顯示動力學分析，使用四邊形為主的網格劃分，添加接觸面約束，設置碰撞速度和時長，模擬車輛與橋墩正碰撞過程。

②提取整個碰撞周期內應力和變形量的時間歷程曲線，得出動態過程中產生的最大應力和變形量。結果表明，該結構的最大應力為491.02 MPa，最大變形量為280.31 mm。

③由分析結果得知，該泡沫鋁夾芯板結構在防撞性能方面表現出色，可為后續生產泡沫鋁夾芯板橋墩防撞裝置提供技術支持，以滿足橋墩防撞裝置的結構設計要求和質量需求，提高其使用壽命和綜合性能。

參考文獻：

［1］ 余葵，程明，彭炳力，等.白果渡嘉陵江大橋防撞裝置的防撞性能研究［J］.水道港口，2022，43（6）：751-758.

［2］ 王喬.北方地區橋墩防冰撞裝置設計及效果評價［J］.山東交通科技，2023（2）：93-95.

［3］ 胡峰強，林嘉盛，熊鑫，等.聚氨酯泡沫防撞材料裹覆橋墩的車輛撞擊數值模擬［J］.南昌大學學報（理科版），2022，46（4）：423-427.

［4］ 張林凱，何見強，陳忠宇.基于LS-DYNA的橋墩防撞裝置性能研究［J］.工程與建設，2021，35（5）：873-875，881.

［5］ 郭錚，易雪斌，王斌，等.橋墩泡沫鋁基組合防撞裝置耗能機理及緩沖效果［J］.鐵道建筑，2023，63（5）：87-93.

［6］ 張均閃.鈦/泡沫鋁/鈦復合三明治結構的制備及力學性能研究［D］.山東：山東理工大學，2023.

［7］ 馮領香，魏建國，王森林，等.一種可自調步長的改進Newmark算法［J］.河北農業大學學報，2004（3）：111-114.