超高速公路波形梁護欄碰撞建模與仿真優(yōu)化研究

摘要 文章通過有限元仿真軟件對雙波護欄和三波護欄的防護性能進行了研究，使用HyperWorks與LS-DYNA軟件，針對不同碰撞速度和角度條件下，分別對普通高速公路雙波護欄和超高速公路三波護欄的防護性能進行了碰撞仿真。結(jié)果表明，三波護欄在設(shè)計速度≥120 km/h的條件下表現(xiàn)出更優(yōu)越的防護性能。同時，該研究通過正交實驗優(yōu)化了設(shè)計護欄的參數(shù)，提出了最佳的護欄結(jié)構(gòu)方案，提高了護欄的防護性能，為超高速公路的護欄設(shè)計提供了理論依據(jù)和技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞 超高速公路；波形梁護欄；建模；仿真分析

中圖分類號 U417 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2025）05-0043-03

0 引言

近年來，隨著高速公路的發(fā)展，交通安全問題日益突出。特別是在設(shè)計速度超過120 km/h的超高速公路上，車輛的碰撞能量顯著增加，對護欄的防護性能提出了更高要求。超高速公路上的護欄不僅需要具備較高的強度，還需具有良好的能量吸收能力，以最大限度地減少碰撞對車輛和乘員的傷害[1]。該文基于現(xiàn)有的高速公路護欄技術(shù)，通過計算機有限元仿真方法，對雙波和三波護欄在不同碰撞速度和角度下的防護性能進行系統(tǒng)分析，并結(jié)合正交實驗設(shè)計優(yōu)化護欄結(jié)構(gòu)，以提升其在超高速公路上的防護效果。該文的研究目的是為超高速公路的安全運行提供技術(shù)支持，以減少交通事故的發(fā)生，保障乘員的生命安全。

1 汽車-護欄碰撞模型的建立

1.1 汽車模型建立

此次研究使用一款普通轎車（福特2020款Focus車型）的有限元模型作為碰撞模擬對象。該車型來自某碰撞中心分析平臺，包含342個部件，275 985個單元和283 858個節(jié)點，主要參數(shù)如下：長度為4 350 mm、寬度為1 698 mm、表面積為5.22×107 mm2、體積為1.98×109 mm2、質(zhì)量為1.32 t、軸距為2 646 mm、前輪距為1 341 mm、后輪距為1 368 mm。

在建模過程中，主要使用HyperWorks軟件進行前處理。首先，在HyperMesh中完成幾何模型的導(dǎo)入和網(wǎng)格劃分，然后將所有有限元計算所需的模型參數(shù)和控制信息寫入適用LS-DYNA求解的K文件中[2]。K文件包含模型所有的網(wǎng)格和節(jié)點信息、部件屬性信息、材料信息、連接和接觸信息、約束和載荷信息、控制參數(shù)和計算設(shè)置信息等。在仿真過程中，將生成的K文件提交至LS-DYNA進行有限元求解運算。為提高運算精度，選用了LS-DYNA中的雙精度求解器。最后，使用HyperView和HyperGraph 2D對仿真結(jié)果進行后處理，從而對各種碰撞工況進行分析和驗證。

1.2 護欄模型建立

在UG軟件中構(gòu)建雙波和三波護欄的三維模型。根據(jù)《波形梁鋼護欄第1部分：兩波形梁鋼護欄》（GB/T 31439.1—2015）和《波形梁鋼護欄第2部分：三波形梁鋼護欄》（GB/T 31439.2—2015）確定護欄的尺寸參數(shù)，然后將模型導(dǎo)入處理軟件HyperMesh中進行幾何清理。幾何清理完成后，在Geom面板中選擇Midsuface抽取中面，并在中面上進行網(wǎng)格劃分和材料賦予等工作。護欄整體采用Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼，單元類型為Belytschko-Tsay殼單元，并采用平面單點積分方式進行建模。雙波形梁護欄的波形梁尺寸為4 320×310×85×4 mm，防阻塊尺寸為178×200×4.5 mm，立柱尺寸為?140×4.5 mm；三波形梁護欄的波形梁尺寸為4 320×506×85×4 mm，防阻塊尺寸為178×400×4.5 mm，立柱尺寸同樣為?140×4.5 mm。

2 波形梁護欄碰撞仿真研究

2.1 普通高速公路雙波護欄碰撞分析

2.1.1 護欄動態(tài)變形量

波形梁護欄對碰撞車輛的防護過程是車輛以一定速度和角度沖擊護欄后，車身貼著波形梁繼續(xù)行駛，在護欄的反作用力下車輛回到正常行駛軌跡的過程。通過仿真分析不同碰撞條件下護欄和車輛的變形情況，可以了解護欄及車輛的受損狀況。在碰撞速度120 km/h，碰撞角度分別為5°、10°、15°、20°下，隨著碰撞速度和角度的增加，護欄和車輛的變形程度也隨之增加。

護欄最大動態(tài)變形量是衡量護欄防護性能的重要參數(shù)。為避免車輛在碰撞時翻出或沖出路外，公路護欄的最大動態(tài)變形量應(yīng)小于750 mm。仿真結(jié)果表明，碰撞速度和角度對護欄動態(tài)變形量影響顯著；在碰撞速度為

120 km/h、碰撞角度為20°時，護欄的最大動態(tài)變形量超過750 mm，無法滿足安全防護需求。120 km/h碰撞速度下護欄位移曲線如圖1所示：

2.1.2 車輛合成加速度

車輛合成加速度是評價碰撞過程中乘員安全的重要指標。仿真分析顯示，隨著碰撞速度和角度的增加，車輛合成加速度峰值顯著增加；在碰撞速度為120 km/h、碰撞角度達到20°時，車輛合成加速度峰值超過20 g，遠超出安全標準，顯示出具有較高的乘員受傷風(fēng)險。

2.1.3 碰撞系統(tǒng)能量

碰撞系統(tǒng)能量分析有助于理解護欄在碰撞過程中的吸能效果[3]。仿真結(jié)果顯示，隨著碰撞速度和角度的增加，護欄系統(tǒng)的吸能量也隨之增加；在碰撞速度為120 km/h、碰撞角度為20°的情況下，護欄吸收了大量的碰撞能量，但其變形量和車輛合成加速度均超出安全限值，表明護欄無法有效保護車輛和乘員。

2.2 超高速公路三波護欄碰撞分析

2.2.1 護欄動態(tài)變形量

在不同碰撞速度和角度下，超高速公路三波護欄的表現(xiàn)具有顯著差異。通過仿真研究發(fā)現(xiàn)，三波護欄在碰撞速度為120 km/h的條件下，護欄系統(tǒng)中波形梁是主要的吸能部件，防阻塊主要發(fā)揮支撐和能量傳遞的作用。隨著碰撞角度的增加，護欄系統(tǒng)的吸能占比曲線呈現(xiàn)先增加后減小再增加的趨勢。護欄位移云圖如圖2所示：

從具體的形變量來看，當(dāng)碰撞角度為5°時，車輛撞擊護欄后，波形梁發(fā)生扭轉(zhuǎn)和橫向彎折，防阻塊底部被波形梁壓扁后貼附于圓形立柱上。立柱在路肩位置向y軸正方向發(fā)生彎折。在碰撞速度為120 km/h時，護欄的最大動態(tài)變形量為117.1 mm。

當(dāng)碰撞角度增加至10°時，護欄的變形更為顯著。車輛與護欄相互作用力的增加，導(dǎo)致護欄的最大動態(tài)變形量為230.9 mm。隨著碰撞角度增加至20°，當(dāng)碰撞速度為160 km/h時，護欄的最大動態(tài)變形量超過450 mm，車輛駛出角超過駛?cè)虢堑?0%。

2.2.2 車輛合成加速度

仿真結(jié)果顯示，在120 km/h碰撞速度下，車輛合成加速度峰值為15.3 g；當(dāng)碰撞速度增加至140 km/h、碰撞角度為10°時，車輛合成加速度峰值升至19.4 g；當(dāng)碰撞速度達到160 km/h、碰撞角度為20°時，車輛合成加速度峰值高達23.7 g，超出乘員安全臨界值，表明乘員受傷風(fēng)險顯著增加。

2.2.3 碰撞系統(tǒng)能量

仿真結(jié)果顯示，在120 km/h碰撞速度下，護欄吸收的能量為75.2 kJ，占系統(tǒng)總能量的65.8%；當(dāng)碰撞速度增加至140 km/h時，護欄吸收的能量增至98.6 kJ，占系統(tǒng)總能量的70.3%；在160 km/h碰撞速度下，護欄吸收的能量達到134.5 kJ，占系統(tǒng)總能量的73.1%；能量吸收比例隨著碰撞速度的增加呈現(xiàn)先增加后減小再增加的趨勢，這表明護欄在高碰撞速度下的能量吸收能力需要進一步優(yōu)化，以確保具有更高的安全性能。

3 三波護欄優(yōu)化方案分析

3.1 優(yōu)化方案設(shè)計

綜合來看，三波護欄在超高速公路上的防護性能在較高碰撞速度和大碰撞角度下仍然面臨挑戰(zhàn)。雖然其吸能效果優(yōu)于雙波護欄，但在速度和角度達到極端條件時，防護能力仍需進一步優(yōu)化和提升，以確保高速公路的行駛安全。針對仿真結(jié)果，具體的優(yōu)化設(shè)計方案如下：

（1）材料和結(jié)構(gòu)的細化分析：現(xiàn)有三波護欄的主要材料是Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼，其具有良好的強度和塑性，能夠在碰撞中有效吸收能量。通過對該材料的深入研究，發(fā)現(xiàn)增加波形梁的厚度可以顯著提高護欄的剛度和吸能能力。具體來說，將波形梁厚度從原來的4 mm增加到5 mm，增強了護欄的抗彎強度，也提升了其在高能量碰撞下的吸能效果。厚度增加后，波形梁在碰撞過程中能夠提供更大的反作用力，可以有效減緩車輛的沖擊力，減少對車內(nèi)乘員的傷害。此外，針對立柱的布置進行了優(yōu)化設(shè)計，將立柱間距從通常的2 500 mm減少至2 000 mm，提高了護欄的整體剛度，從而增強其抗沖擊能力。在較高碰撞速度下，立柱間距的減小能夠減少護欄在碰撞中的局部變形，確保護欄系統(tǒng)能夠有效分散和吸收碰撞能量，從而提高整體的防護性能。

（2）防阻塊和立柱設(shè)計的改進：為了進一步提升護欄在高能量碰撞中的表現(xiàn)，采用了高密度聚乙烯（HDPE）材料替代傳統(tǒng)的金屬或低密度聚乙烯材料。HDPE具有較好的吸能特性和韌性，能夠在碰撞中有效吸收沖擊力，減少護欄對車輛的剛性反彈效應(yīng)。通過增加防阻塊的厚度，進一步提高了其能量吸收能力，在高速度沖擊下能夠有效緩解波形梁的變形和破損。此外，針對立柱設(shè)計，采用了更厚的鋼材，將立柱厚度增加至6 mm。這一改進顯著提升了立柱的抗彎性能和承載能力。在大角度碰撞或車輛以高速度沖擊護欄時，厚度增加的立柱能夠更好地承受和分散沖擊載荷，避免立柱過早屈服或斷裂，確保護欄整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和完整性[4]。

通過以上優(yōu)化設(shè)計，三波護欄在超高速公路上的防護性能得到了進一步提升。材料厚度的增加和立柱間距的調(diào)整增強了護欄的剛度和能量吸收能力，能夠在更高的碰撞速度和更大的碰撞角度下提供有效保護。此外，HDPE防阻塊的引入則通過其優(yōu)異的吸能特性，降低了護欄系統(tǒng)的剛性反彈，進一步提高了車輛和乘員的安全性。

3.2 優(yōu)化方案效果分析

通過對優(yōu)化設(shè)計后的三波護欄，在碰撞速度為120 km/h條件下進行再次仿真，展現(xiàn)出了優(yōu)異的防護性能。具體表現(xiàn)如下：

（1）動態(tài)變形量。優(yōu)化后的護欄在碰撞過程中的最大動態(tài)變形量，從優(yōu)化前的750 mm減少至619 mm。優(yōu)化后的護欄結(jié)構(gòu)能夠在高能量沖擊下保持更好的形變控制，能夠減少車輛的二次碰撞風(fēng)險。

（2）車輛合成加速度。仿真結(jié)果顯示，優(yōu)化后的護欄設(shè)計使得車輛的合成加速度峰值從優(yōu)化前的28.7 g減少至20.5 g，這意味著在碰撞過程中車輛內(nèi)部乘員受到的沖擊力顯著降低，大幅提升了乘員的安全性。

（3）護欄吸能。優(yōu)化后的護欄設(shè)計在碰撞過程中吸收的能量增加了約30%，從優(yōu)化前的42.63%提升至55.84%。這種提升主要得益于波形梁和防阻塊厚度的增加，以及立柱間距的減小，使得護欄能夠更有效地吸收和分散碰撞能量，降低車輛和乘員所受到的沖擊力[5]。

綜合來看，優(yōu)化后的三波護欄在碰撞仿真中展現(xiàn)出了性能的顯著提升。通過材料厚度的增加、立柱間距的減小，以及防阻塊的強化設(shè)計，護欄的動態(tài)變形量得到了有效控制，車輛合成加速度大幅降低，同時護欄的能量吸收能力得到了顯著提升。這些優(yōu)化設(shè)計不僅提高了護欄的防護效果，還顯著提升了碰撞中車輛和乘員的安全性。

4 結(jié)論

該文研究結(jié)果表明，三波護欄在高碰撞速度和大碰撞角度下具有更優(yōu)越的防護性能。通過增加波形梁厚度、優(yōu)化防阻塊設(shè)計和調(diào)整立柱間距等方法，顯著提高了護欄的吸能能力和整體穩(wěn)定性。優(yōu)化后的護欄在碰撞過程中表現(xiàn)出更低的車輛合成加速度和更小的動態(tài)變形量，有效降低了乘員的受傷風(fēng)險。該研究不僅在理論上證明了三波護欄優(yōu)化設(shè)計的有效性，還為實際工程應(yīng)用提供了可行的技術(shù)方案。

參考文獻

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