.汽車與護欄碰撞系統有限元模型的建立

汽車與護欄碰撞系統是一個復雜的系統，在建立汽車與護欄碰撞系統有限元模型之前，有必要了解一下護欄的分類以及護欄的評價標準，才能清楚的知道護欄的設置條件以及如何評價汽車與護欄碰撞后護欄的防護性能。在此基礎上，本文建立了汽車與護欄碰撞仿真有限元模型。

1）護欄分類

護欄作為高速公路上重要的安全設施，是一種縱向吸收碰撞能量的結構。護欄通過自身的變形或者車輛爬高來吸能，引導車輛恢復到正常的行駛方向，阻止車輛沖出路外或者駛入對面方向的車道，最大限度的減少乘員損傷，護欄對交通事故的防治尤其是對重大交通事故的防治具有相當重要的意義。護欄有很多種分類方法，按照碰撞后護欄的變形情況分為剛性、柔性、半剛性這三類護欄。剛性護欄常見的形式是混凝土護欄，是一種以一定斷面形狀的混凝土墻式構造。而柔性護欄是一種用多根賦予預緊力的纜索固定在立柱上而組成的結構，其主要形式為纜索護欄和柔性旋轉防撞桶。在此重點介紹本文的研究對象是多級緩沖公路護欄。

2）多級緩沖公路護欄

多級緩沖公路護欄是半剛性護欄的一種，而半剛性護欄是由波紋狀的鋼板以及鋼立柱和緩沖防撞桶組成的護欄形式，其具有一定的剛性和柔性，其最典型型式是就是多級緩沖公路護欄。該護欄主要依靠護欄的變形來吸能，延長碰撞過程的時間來降低車速，并迫使汽車恢復正常的方向，以減少乘員的受傷和確保車輛安全。多級緩沖公路護欄在國內外被廣泛使用，該護欄根據內置蜂窩孔的緩沖材料不同壓縮比可以分為單桶形護欄和多桶型護欄。由于當前我國公路上廣泛使用的是雙桶型多級緩沖公路護欄，下圖是我國高速公路上最常使用的多級緩沖公路護欄。

圖 1.1高速護欄模型

2.護欄碰撞初始條件

汽車碰撞護欄的條件根據車型不同、護欄防撞等級不同等因素的差異，初始條件設置也有所不同。我國公路護欄按防撞等級可分為：路側 B、A、SB、SA、SS 五級，目前在國內高速公路上廣泛使用的是 A 級波形梁護欄，與其相關的研究也最多。本文以雙桶多級緩沖公路護欄為研究對象。

多級緩沖公路護欄碰撞初始條件見表1.

 

3.護欄防撞性能評價標準

根據護欄性能評價標準的規定，在汽車與護欄碰撞試驗中，評價護欄的性能時主要考察如下三個方面，即車輛狀況、乘員狀況和護欄狀況。碰撞后護欄的變形情況、乘員損傷情況以及車輛運行狀態能較好的反映護欄的安全性能和防撞性能。我國的高速公路護欄評價標準 F83 規定的護欄防撞性能評價標準如表 2所示：

表 2 F83 規定的護欄防撞性能評價標準

最終確定本文對多級緩沖公路護欄防撞性能評價標準防撞性能評價的幾個重要指標：

1）汽車方面：采用標準 F83 的規定。車輛與護欄發生碰撞時，禁止車輛出現穿越、騎跨、翻越、下鉆護欄等現象；碰撞后護欄要能夠將車輛引導出去，并且車輛不發生掉頭、橫轉等現象；車輛在碰撞后的駛出角度應小于碰撞角度的60%；

2）乘員方面：采用標準 D81 的規定。車體合成加速度的最大值≤20g；

3）護欄方面：采用標準 F83 的規定。半剛性雙波形梁護欄的最大動態變形量≤1000mm。

在對護欄安全性能進行評價時，以上評價要素中如果有任何一項不符合規定，即認為所評價的護欄達不到要求。

4.汽車與護欄碰撞仿真流程

由于護欄的防護應考慮高速公路上大部分行駛車輛的安全，根據標準 F83 的規定，在對護欄進行實車足尺碰撞試驗時，需要采用小型車輛進行試驗。小型車輛主要考察車內乘員的安全性以及車輛的運行軌跡等。為此本文的有限元仿真也采用該車型來綜合考慮護欄的防撞性能，車型的選擇是根據標準 F83 來確定的，小型車輛的質量為 1.5t。因此本文選擇該車輛來代表高速公路行駛的大部分車輛。本文汽車與護欄碰撞仿真系統選取的護欄是高速公路常用的多級緩沖公路護欄，汽車模型建模工作是在前述有限元平臺HyperWorks 的 HyperMesh 模塊中完成的，然后利用 LS-DYNA 作為求解器，最后利用 Ls-prepost 進行后處理來完成整個建模仿真過程的，具體的建模仿真流程如下圖所示：

圖 4.1 建模仿真流程

5.有限元模型

1）汽車有限元模型

汽車是一個十分復雜的機器,由成百上千個零部件組裝而成。因此,要建立一個比較完的汽車模型,工作量非常大,所耗時間也較長,目前公認的建立一個整車模型的工作量是個人用一年時間。在汽車與護欄碰撞過程中,汽車前端和碰撞側即右側部分與護欄有接觸碰撞,產生的變形會比較大,對碰撞結果影響也會比較明顯。因此,在進行碰撞計算之前,在此汽車模型原有基礎上,對其前端和右側結構進行了單元網格質量和穿透等的調整,以提高計算精度。經過調整后,汽車整車有限元模型共有10547509個單元,927471個節點,總質1.627t。模型的其它技術參數如表所示,整車有限元模型如圖所示。

表3 研究用車尺寸

6.碰撞過程模擬

本章中,汽車與多級緩沖公路護欄的有限元模擬條件為：

1) 模擬碰撞過程中,將護欄視為剛性體,約束其所有的自由度,即不考慮護欄的變形、位移和破壞；

2) 充分考慮碰撞過程中汽車與護欄和地面的摩擦影響,不考慮空氣阻力等的影響；

3) 不考慮護欄段之間的連接方式,只考慮護欄截面形狀對碰撞的影響；

4) 不考慮汽車與護欄端部的碰撞；

5) 不考慮碰撞過程發生前后駕駛員對汽車的緊急操作,如制動、轉向等。汽車與型護欄的碰撞接觸時間大約為0.2s-0.4s。本文將模擬碰撞時間設定為0.6s。

本文在進行碰撞的仿真模擬時沒有安放假人,因此,在評價護欄性能時,以車體質心加速度作為乘員安全性能的代用指標。汽車質心三個方向的加速度和合成加速度曲線如圖所示。由于汽車行駛方向為正方向,因此方向和合成加速度峰值為負值,而和方向加速度峰值為正值,為了方便,峰值均取絕對值。由下圖圖中可以看出汽車質心、三個方向的加速度和合成加速度峰值分別為：18.5g、17.3g、18.25g和19.02g。雖然目前沒有超過碰撞要求安全值，但是對于不同碰撞速度，結果不可一概而論，對于告訴碰撞，瞬間汽車與護欄接觸反力相當大，其產生的加速度也十分巨大，僅考慮加速度值這一單向不具備說服力。再者，車輛碰撞破壞時，是一種高度非線性行為，其變化比較復雜，具體需要進一步探究車身吸能情況。

 

圖 6.1 質心X方向加速度

圖 6.2 質心Y方向加速度

圖 6.3  質心Z方向加速度

圖 6.4 質心合成加速度

對于對照組中碰撞速度從80-120km/h改變后，加速度上升比較明顯，在速度達到100km/h以上后，可知z和x方向的加速度峰值均超過20g，會使乘客嚴重受到傷害，因此，在此速度下不滿足防護要求。

1）碰撞沖擊力

碰撞中,護欄的最大變形量是評價護欄性能的一個指標,但是在本章模擬的汽車土護欄的碰撞過程中,由于緩沖材料的復雜性及本章研究重點為護欄截面尺寸等原因,將護欄設置成了揉性體。考慮到護欄的變形是由碰撞中的沖擊力而產生的,本章用碰撞沖擊力來側面反映護欄的變形。圖為碰撞中護欄受到的沖擊力。從圖中可知,在汽車與型護欄的碰撞過程中,護欄受到的最大沖擊力為300KN。

圖 6.5 碰撞接觸力

2）車身及護欄能量變化

圖 6.6 80km/h護欄旋轉桶吸能曲線

圖6.7 100km/h護欄旋轉桶吸能曲線

圖6.8 120km/h護欄旋轉桶吸能曲線

 

 

圖6.9  80km/h車身吸能曲線

圖6.10 100km/h車身吸能曲線

 

圖6.11 120km/h車身吸能曲線

  對比護欄防撞桶吸能曲線，可見隨著碰撞速度的增大，其護欄吸能作用增大，雖然隨著速度的增加，吸能作用增加減緩，但是總體呈現增加趨勢。對于增加作用減緩是因為隨著碰撞的進行，防撞材料急劇壓縮，可壓縮空間越來越小，導致無法進一步壓縮。

  對比車身吸能曲線，其與速度變化不明顯，說明在80km/h下，車吸能吸能作用，如吸能盒，汽車外殼等相關緩沖部位已經完全形變，此時的吸能主要由外部護欄承擔。