汽车与高速公路护栏碰撞模拟：安全性能的精准评估

汽车与护栏碰撞系统有限元模型的建立

汽车与护栏碰撞系统是一个复杂的系统，在建立汽车与护栏碰撞系统有限元模型之前，有必要了解一下护栏的分类以及护栏的评价标准，才能清楚的知道护栏的设置条件以及如何评价汽车与护栏碰撞后护栏的防护性能。在此基础上，本文建立了汽车与护栏碰撞仿真有限元模型。

1）护栏分类

护栏作为高速公路上重要的安全设施，是一种纵向吸收碰撞能量的结构。护栏通过自身的变形或者车辆爬高来吸能，引导车辆恢复到正常的行驶方向，阻止车辆冲出路外或者驶入对面方向的车道，最大限度的减少乘员损伤，护栏对交通事故的防治尤其是对重大交通事故的防治具有相当重要的意义。护栏有很多种分类方法，按照碰撞后护栏的变形情况分为刚性、柔性、半刚性这三类护栏。刚性护栏常见的形式是混凝土护栏，是一种以一定断面形状的混凝土墙式构造。而柔性护栏是一种用多根赋予预紧力的缆索固定在立柱上而组成的结构，其主要形式为缆索护栏和柔性旋转防撞桶。在此重点介绍本文的研究对象是多级缓冲公路护栏。

2）多级缓冲公路护栏

多级缓冲公路护栏是半刚性护栏的一种，而半刚性护栏是由波纹状的钢板以及钢立柱和缓冲防撞桶组成的护栏形式，其具有一定的刚性和柔性，其最典型型式是就是多级缓冲公路护栏。该护栏主要依靠护栏的变形来吸能，延长碰撞过程的时间来降低车速，并迫使汽车恢复正常的方向，以减少乘员的受伤和确保车辆安全。多级缓冲公路护栏在国内外被广泛使用，该护栏根据内置蜂窝孔的缓冲材料不同压缩比可以分为单桶形护栏和多桶型护栏。由于当前我国公路上广泛使用的是双桶型多级缓冲公路护栏，下图是我国高速公路上最常使用的多级缓冲公路护栏。

图 1.1高速护栏模型

2.护栏碰撞初始条件

汽车碰撞护栏的条件根据车型不同、护栏防撞等级不同等因素的差异，初始条件设置也有所不同。我国公路护栏按防撞等级可分为：路侧 B、A、SB、SA、SS 五级，目前在国内高速公路上广泛使用的是 A 级波形梁护栏，与其相关的研究也最多。本文以双桶多级缓冲公路护栏为研究对象。

多级缓冲公路护栏碰撞初始条件见表1.

3.护栏防撞性能评价标准

根据护栏性能评价标准的规定，在汽车与护栏碰撞试验中，评价护栏的性能时主要考察如下三个方面，即车辆状况、乘员状况和护栏状况。碰撞后护栏的变形情况、乘员损伤情况以及车辆运行状态能较好的反映护栏的安全性能和防撞性能。我国的高速公路护栏评价标准 F83 规定的护栏防撞性能评价标准如表 2所示：

表 2 F83 规定的护栏防撞性能评价标准

最终确定本文对多级缓冲公路护栏防撞性能评价标准防撞性能评价的几个重要指标：

1）汽车方面：采用标准 F83 的规定。车辆与护栏发生碰撞时，禁止车辆出现穿越、骑跨、翻越、下钻护栏等现象；碰撞后护栏要能够将车辆引导出去，并且车辆不发生掉头、横转等现象；车辆在碰撞后的驶出角度应小于碰撞角度的60%；

2）乘员方面：采用标准 D81 的规定。车体合成加速度的最大值≤20g；

3）护栏方面：采用标准 F83 的规定。半刚性双波形梁护栏的最大动态变形量≤1000mm。

在对护栏安全性能进行评价时，以上评价要素中如果有任何一项不符合规定，即认为所评价的护栏达不到要求。

4.汽车与护栏碰撞仿真流程

由于护栏的防护应考虑高速公路上大部分行驶车辆的安全，根据标准 F83 的规定，在对护栏进行实车足尺碰撞试验时，需要采用小型车辆进行试验。小型车辆主要考察车内乘员的安全性以及车辆的运行轨迹等。

为此本文的有限元仿真也采用该车型来综合考虑护栏的防撞性能，车型的选择是根据标准 F83 来确定的，小型车辆的质量为 1.5t。因此本文选择该车辆来代表高速公路行驶的大部分车辆。

本文汽车与护栏碰撞仿真系统选取的护栏是高速公路常用的多级缓冲公路护栏，汽车模型建模工作是在前述有限元平台HyperWorks 的 HyperMesh 模块中完成的，然后利用 LS-DYNA 作为求解器，最后利用 Ls-prepost 进行后处理来完成整个建模仿真过程的，具体的建模仿真流程如下图所示：

图 4.1 建模仿真流程

5.有限元模型

1）汽车有限元模型

汽车是一个十分复杂的机器,由成百上千个零部件组装而成。因此,要建立一个比较完的汽车模型,工作量非常大,所耗时间也较长,目前公认的建立一个整车模型的工作量是个人用一年时间。

在汽车与护栏碰撞过程中,汽车前端和碰撞侧即右侧部分与护栏有接触碰撞,产生的变形会比较大,对碰撞结果影响也会比较明显。因此,在进行碰撞计算之前,在此汽车模型原有基础上,对其前端和右侧结构进行了单元网格质量和穿透等的调整,以提高计算精度。

经过调整后,汽车整车有限元模型共有10547509个单元,927471个节点,总质1.627t。模型的其它技术参数如表所示,整车有限元模型如图所示。

表3 研究用车尺寸

6.碰撞过程模拟

本章中,汽车与多级缓冲公路护栏的有限元模拟条件为：

1) 模拟碰撞过程中,将护栏视为刚性体,约束其所有的自由度,即不考虑护栏的变形、位移和破坏；

2) 充分考虑碰撞过程中汽车与护栏和地面的摩擦影响,不考虑空气阻力等的影响；

3) 不考虑护栏段之间的连接方式,只考虑护栏截面形状对碰撞的影响；

4) 不考虑汽车与护栏端部的碰撞；

5) 不考虑碰撞过程发生前后驾驶员对汽车的紧急操作,如制动、转向等。汽车与型护栏的碰撞接触时间大约为0.2s-0.4s。本文将模拟碰撞时间设定为0.6s。

本文在进行碰撞的仿真模拟时没有安放假人,因此,在评价护栏性能时,以车体质心加速度作为乘员安全性能的代用指标。汽车质心三个方向的加速度和合成加速度曲线如图所示。由于汽车行驶方向为正方向,因此方向和合成加速度峰值为负值,而和方向加速度峰值为正值,为了方便,峰值均取绝对值。

由下图图中可以看出汽车质心、三个方向的加速度和合成加速度峰值分别为：18.5g、17.3g、18.25g和19.02g。虽然目前没有超过碰撞要求安全值，但是对于不同碰撞速度，结果不可一概而论，对于告诉碰撞，瞬间汽车与护栏接触反力相当大，其产生的加速度也十分巨大，仅考虑加速度值这一单向不具备说服力。

再者，车辆碰撞破坏时，是一种高度非线性行为，其变化比较复杂，具体需要进一步探究车身吸能情况。

图 6.1 质心X方向加速度

图 6.2 质心Y方向加速度

图 6.3  质心Z方向加速度

图 6.4 质心合成加速度

对于对照组中碰撞速度从80-120km/h改变后，加速度上升比较明显，在速度达到100km/h以上后，可知z和x方向的加速度峰值均超过20g，会使乘客严重受到伤害，因此，在此速度下不满足防护要求。

1）碰撞冲击力

碰撞中,护栏的最大变形量是评价护栏性能的一个指标,但是在本章模拟的汽车土护栏的碰撞过程中,由于缓冲材料的复杂性及本章研究重点为护栏截面尺寸等原因,将护栏设置成了揉性体。考虑到护栏的变形是由碰撞中的冲击力而产生的,本章用碰撞冲击力来侧面反映护栏的变形。图为碰撞中护栏受到的冲击力。从图中可知,在汽车与型护栏的碰撞过程中,护栏受到的最大冲击力为300KN。

图 6.5 碰撞接触力

2）车身及护栏能量变化

图 6.6 80km/h护栏旋转桶吸能曲线

图6.7 100km/h护栏旋转桶吸能曲线

图6.8 120km/h护栏旋转桶吸能曲线

图6.9  80km/h车身吸能曲线

图6.10 100km/h车身吸能曲线

图6.11 120km/h车身吸能曲线

对比护栏防撞桶吸能曲线，可见随着碰撞速度的增大，其护栏吸能作用增大，虽然随着速度的增加，吸能作用增加减缓，但是总体呈现增加趋势。对于增加作用减缓是因为随着碰撞的进行，防撞材料急剧压缩，可压缩空间越来越小，导致无法进一步压缩。

对比车身吸能曲线，其与速度变化不明显，说明在80km/h下，车吸能吸能作用，如吸能盒，汽车外壳等相关缓冲部位已经完全形变，此时的吸能主要由外部护栏承担。

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