客车与半刚性双波梁护栏碰撞过程的研究

王金轮，周云郊，兰凤崇

1) 深圳大学机电与控制工程学院，深圳518060；2) 华南理工大学机械与汽车工程学院，广州510640

【交通物流 / Transportation Logistics】

客车与半刚性双波梁护栏碰撞过程的研究

王金轮1，周云郊2，兰凤崇2

1) 深圳大学机电与控制工程学院，深圳518060；2) 华南理工大学机械与汽车工程学院，广州510640

针对高速公路上客车与路侧防护栏的碰撞问题，建立某大型客车有限元模型和常见现行道路上的Q235双波梁钢护栏的有限元模型，采用Dyna求解器，研究车速为80 km/h、碰撞角为20°时，客车-护栏碰撞系统的动态响应过程. 结果表明，双波梁护栏对客车的防护作用较差，虽可在一定程度上校正失控车辆，但客车最终会跨越护栏；客车前下端变形严重，但不会侵入乘员生存空间；护栏在碰撞过程中吸收的内能占车辆初始总动能的50%以上，可有效减缓汽车速度，降低道路交通事故的严重程度.

结构力学；客车碰撞；半刚性双波梁护栏；道路交通事故；行驶轨迹；生存空间

客车与路侧护栏的碰撞是高速公路上常见的事故形式. 护栏作为高速公路最主要的交通安全设施，是汽车发生失控、偏离正确行驶方向时保护汽车和乘员安全的最后防线. 一方面, 它可吸收部分汽车撞击能量，减小汽车碰撞减速度峰值；另一方面，可尽量迫使失控车辆回到正确的行驶方向. 事实证明，现役护栏可显著降低交通事故的严重程度，合理设置防撞护栏是道路交通的重要环节[1-3].

现有外对车辆与防撞护栏碰撞的研究主要采用实车碰撞试验和计算机仿真分析两种方法. 实车碰撞试验是用实际车辆冲撞护栏模拟现实交通事故的一种研究方法，它可得到车辆在撞击过程中的运动轨迹和运动姿态、车辆与护栏的变形和损伤特征，以及碰撞冲击力等真实的技术参数，能有效评价护栏的安全性，但成本高、周期长、重复性差，且具风险性[4-5]. 所以，多数学者采用计算机仿真来研究客车与防护栏的碰撞过程，如于学兵等[6]对半刚性三波护栏与客车碰撞进行了仿真分析；毛娟娟[7]通过改变初始碰撞速度、碰撞角度、护栏与客车之间的摩擦系数等分析不同因素对护栏防护能力的影响. 这些研究或者采用了简单的梁单元客车模型，或者采用了道路上并不常见、非实际应用的Q235钢材的三波护栏. 本研究针对现行道路条件下常见的Q235材质双波梁护栏，研究了某款长11.7 m的大型客车与护栏碰撞的动态响应过程.

1 半刚性双波梁护栏

半刚性双波梁护栏是一种以双波纹状栏板相互拼接，并由主柱支撑的连续结构. 它利用土基、立柱和横梁的变形吸收碰撞能量，并迫使失控车辆改变方向，回到正常行驶方向，防止车辆冲出路外，保护车辆和乘客，减少事故造成的损失. 波形梁护栏刚柔相济，具有较强的碰撞能量吸收能力和较好的视线诱导功能，能与道路线形相协调，外形美观，损坏处容易更换[8-10].

半刚性双波梁护栏由双波梁板、圆形立柱和六边形防阻块组成. 其中，① 双波梁板由带钢按照4 320 mm的跨度分段生产，并用高强度螺栓连接，厚度为4 mm，截面尺寸如图1. 碰撞中各段波形梁板间很少产生剪切分离现象，故在建模中采用了一个整体的波形梁板； ② 圆形立柱是外径为114 mm，厚4.5 mm的圆管，立柱全长1 850 mm，埋入地下1 100 mm；③ 防阻块是护栏梁板和立柱之间的连接件，厚度为4.5 mm，截面尺寸如图2. 一方面它能将碰撞力分配到更多跨距结构上，其变形也会吸收一定碰撞能量；另一方面它将护栏梁板托出立柱一段距离， 在一定程度上减弱了立柱对车轮的绊阻效应[11-12].

图1 梁板尺寸Fig.1 Beam size

图2 防阻块尺寸Fig.2 Prevention block size

本研究针对一段总长为76 m(19跨)、20段立柱和防阻块的护栏进行研究，立柱间距为4 m. 根据日本土木研究所等单位对护栏立柱强度的试验结果，埋入土中的立柱，加载后的弯曲位置大约位于地表下400 mm处. 因此，将地表下400 mm处设置成塑性铰，约束立柱单元节点的全部自由度[7]. 采用4节点壳单元进行网格划分，厚向积分点数取3，材料用*MAT_24#分段线性弹塑性模型. 梁板和立柱分别通过高强度螺栓与防阻块连接，螺栓孔中心离地高度为600 mm，仿真采用刚性单元模拟，即不考虑螺栓的失效. 连接位置见图3.

图3 护栏有限元模型Fig.3 Finite element model of barrier

2 客车有限元模型与验证

某大型客车长11.7 m，采用板壳/六面体单元划分网格建立有限元模型，单元数为90 067个. 底盘零件主要由WL510制成，如纵梁、横梁、前后连接板等；前、后、左、右侧围及顶盖由Q235制成，材料的参数设置如表1[10,13]，采用*MAT_24#分段线性弹塑性材料模拟. 模型不考虑蒙皮、内饰、玻璃及非承载结构件如行李舱门等，简化后整车质量9 t，整车所承受的主要载荷及数值大小见表2，并以集中质量的方式施加到相应的节点上.

表1 客车材料参数Table 1 Coach material parameters

表2 客车载荷参数Table 2 Coach loading parameters kg

对车桥和轮胎模型进行简化处理，在Hyper-mesh软件中采用*MAT_ELASTIC模拟车桥、轮胎的材料特性，弹性模量设置为2.10×103GPa. 由于车桥、轮胎弹性模量为2.10×103GPa，远大于其余部件的弹性模量2.07×102GPa，在碰撞中忽略车桥、轮胎的形变与吸能.

当行李舱处被施加4.67 t外界荷载时，前后轴荷载分配比例模型计算值为1.00∶1.18，实际车辆测量值为1.00∶1.19. 加载后利用ATOS光学扫描仪采集实际车辆18个特征点相对基准平面的z向变形量fz，实测变形量与计算值基本吻合，见图4.

图4 弯曲刚度验证Fig.4 (Color online) Bending stiffness verification

3 客车-护栏碰撞系统

3.1 碰撞初始条件

汽车与护栏相撞，碰撞初始条件不同，汽车的响应及护栏的变形亦不同. 例如，① 碰撞速度越大，碰撞越激烈，汽车减速度越大，护栏变形就越严重；② 碰撞发生在护栏越薄弱的地方，护栏变形越大；③ 碰撞初始角是汽车行驶速度方向与护栏纵向之间的夹角，此角度越大，汽车垂直于护栏方向上的动量越大，碰撞就越激烈. 参照《高速公路护栏安全性能评价标准》，实际行驶中客车多以约80 km/h的时速沿高速公路慢车道行驶，因此本研究取客车碰撞初速度为80 km/h，碰撞初始角为20°，初始接触点位于护栏中间位置，见图5所示. 定义车辆坐标系原点与质心重合，x轴平行于地面指向道路前方，y轴与x轴垂直并指向驾驶员左手方向，z轴通过车辆质心指向上方，图5中①至⑤表示汽车模拟碰撞中接触的一系列护栏立柱位置.

3.2 边界条件

实际碰撞中，地面在受到挤压、剪切作用时会吸收一定的碰撞动能，吸收能力主要取决于路面的等级和土体强度. 由于土壤的力学性能难以获取，本研究假设路面在碰撞中不发生变形，视为一平整的刚性面，碰撞过程中客车不会驶出路面.

3.3 接触类型

表3列出了客车-护栏碰撞系统中的5种接触类型. 由于客车以一定角度与护栏发生碰撞，客车所受护栏反作用力可分解为沿负x方向的纵向力和沿正y方向的横向力. 纵向力有使车辆减速并沿顺时针偏转的倾向；横向力有使车辆逆时针偏转的倾向，即产生使车辆恢复正常行驶轨道的校正作用.

护栏提供的横向作用力是否足够大，能否推动车辆向道路内侧偏转返回正常行车路线，这与车辆和路面间的摩擦系数有关. 该摩擦系数越小，碰撞中推动车辆偏转所需护栏横向作用力越小，车辆越容易返回正常行车线. 需要说明的是，碰撞中轮胎与路面间既有滑动摩擦，又有滚动摩擦，在轮胎的

总体运动中，两种摩擦成分所占比例不易确定，且若轮胎的滑动摩擦系数与滚动摩擦系数相差较大，将会产生一定的计算误差.

表3 接触类型与摩擦系数Table 3 Contact types and the corresponding coefficients of friction

4 仿真结果分析

4.1 车辆行驶轨迹

如图6，碰撞过程前期，车辆右侧车门处与护栏①号和②号立柱处保持接触(开始计时)，形成支点向前滑移，100 ms时此支点驶近护栏①号立柱，致立柱产生屈服并向外弯曲，至200 ms右前轮驶过①号立柱时，并未发生车轮绊阻现象. 由于护栏对车辆的拦阻作用不明显，护栏横向变形渐增，护栏立柱倾倒的角度渐大，至400 ms时右前轮驶过倒地的②号立柱后，车辆横跨在护栏上，前轮被抬起41 mm，后轮仍着地. 此后，车辆与护栏间的接触支点移至车辆的前围板左下角及左侧油箱骨架，车辆依次撞倒③号和④号立柱，并在护栏的约束下，行驶方向不断被校正，逐渐与前方护栏方向保持平行，截至计算终止时间1 s时，车辆/车头以与x轴成0.60°的夹角停在④号和⑤号立柱之间.

图6 车辆行驶轨迹Fig.6 (Color online) Coach moving trace

图7 位移-时间变化历程Fig.7 (Color online) Displacement-time curves

图8 速度-时间变化历程Fig.8 (Color online) Velocity-time curves

车辆质心位移δ及速度v随时间的变化如图7和图8. 碰撞终了时，车辆沿x方向纵移17.3 m，沿y方向横移3.9 m，z方向位移最大为76 mm. 车辆沿纵向的速度下降了42.5%，横向速度降低了63.4%，可见车辆横向速度比纵向速度下降得快.

4.2 侧倾角度分析

碰撞过程中车辆的侧倾角度γ随时间的变化历程如图9. 由于客车的惯性很大且整车重心高度大于车与护栏接触点高度，导致碰撞开始时刻产生的侧倾角度较大(侧倾方向指向护栏外侧)，其后由于①号立柱弯曲使护栏的拦截作用减弱，在重力作用下侧倾角度渐减，并在250 ms时刻达到最小值. 自250 ms后，由于车头驶近②号立柱，并最终跨在护栏上，护栏作用在车辆上的横向力增大，产生促使车辆向外翻转的力矩增大，导致车辆侧倾角越来越大， 并在1.0 s时刻达到最大值8.35°.

图9 侧倾角度-时间变化历程Fig.9 Tilting angle-time curve

4.3 变形分析

由于两波护栏的安装高度相对客车高度小很多，导致客车-护栏系统的碰撞初始点位于前围与右侧围交接处下部，虽然乘客门下横梁可以传递纵向力及第1牛腿可以传递横向力，但由于此处有乘客门，其结构刚度较弱，导致塑性变形比较剧烈. 在碰撞过程后半时期，护栏横在客车前围左下角和左侧油箱之间，导致这两处的零件产生塑性变形，特别是左侧油箱骨架的变形十分严重. 而车身上部骨架变形很小，没有侵入到乘员的生存空间．

对护栏来说，计算至1.0 s时，共计有5段栏板被毁坏，4根立柱产生了明显的弯曲变形，其中有2段栏板和3根立柱完全倒地.

4.4 能量及碰撞力分析

图10为系统E-t历程，车辆初始动能为2.24×103kJ，随着碰撞过程的进行，动能逐渐减小，系统的内能和接触界面能逐渐增大. 至1.0 s时，系统吸收的内能为0.86×103kJ，接触界面能为0.61×103kJ，可见车辆与护栏间的接触摩擦消耗了很大一部分车辆动能.

图10 客车-护栏系统的能量-时间变化历程Fig.10 (Color online) Energy-time curves for coach-battier collision

在系统吸收的总内能中，车辆结构塑性变形(除车桥、轮胎外的零部件)吸收能量为0.38×103kJ，占44.3%；护栏吸收能量为0.48×103kJ，占55.7%. 可见两者吸收的内能相近，在客车-护栏碰撞系统的仿真中，不能把车辆简化为刚体来处理.

如图11，在护栏吸收的总内能中，梁板吸能为0.31×103kJ，占64.4%；立柱和防阻块的吸能为0.17×103kJ，占35.6%. 可见，梁板通过自身的塑性弯曲和拉伸消耗了大部分碰撞能量，是客车-护栏碰撞系统中的主要承载件.

图11 护栏吸能-时间历程Fig.11 (Color online) Energy-time curves of barrier

图12为乘客门处①号立柱下端输出的碰撞力f历程曲线．由见，y方向碰撞力最大，随后为x方向和z方向. 随着碰撞进行，500 ms后①号立柱下端逐渐与护栏脱离接触，3方向的碰撞力渐趋于0.

图12 碰撞力-时间历程Fig.12 (Color online) Stress-time curves

4.5 应变率效应的影响

采用Cower-Symonds模型定义材料的应变率系数C和P值来考虑应变率效应．其中，C=40.4，P=5[14]. 计算结果以内能为例，如图13．碰撞后1.0 s时，不考虑应变率效应，系统吸收内能为0.86×103kJ；考虑应变率效应，系统吸收内能为0.78×103kJ，误差为-9.3%.

图13 应变率对吸能的影响Fig.13 Strain rate effect on energy absorption

4.6 客车安全性评价与护栏优化

由于客车整车质量大，本研究中碰撞条件下整车的动能很大，碰撞进行到1.0 s时，车辆还剩余约1/3的动能没被吸收，而此时客车已经跨过了护栏，所以如果护栏外侧是坡道，客车可能已经失去平衡或者翻下坡道，导致更严重的翻滚事故. 就车辆本身来说，一方面，碰撞中乘客门处变形严重，碰撞后可能无法开启；另一方面，左右侧油箱受到严重挤压，有可能发生油箱破裂漏油的危险.

针对潜在的危险，建议采取以下措施：① 加强乘客门处下横梁的强度，提高该处结构的刚度；② 加强护栏立柱的强度，防止其过早弯曲而失去对客车的拦截作用，如立柱材料由Q235升级为WL510时，系统吸收的内能由0.86×103kJ增至0.93×103kJ，车辆质心横向位移由3.9 m减至3.7 m；③ 在事故多发地段采用三波梁护栏，其标准安装高度比双波梁护栏高，且强度和刚度比双波梁护栏大， 防御及导向能力更强[6]； ④ 开发能同时对小汽车和大客车起较好防护作用的新型护栏结构[15].

5 结 论

针对客车与Q235双波梁护栏的碰撞问题，通过碰撞过程中车辆的行驶轨迹、车辆与护栏的变形及能量变化情况，研究客车-护栏碰撞系统的安全性，结果显示：

1)车速为80 km/h，碰撞角为20°条件下，客车将跨越护栏，且其行驶方向不断得到校正，终与前方护栏方向保持平行. 碰撞发生后的1.0 s时，车辆纵向行驶17.3 m，横向移动3.9 m，最大侧倾角度为8.35°．

2)客车乘客门下端及左右侧油箱变形严重，而车身上部骨架变形很小，未侵入乘员生存空间．护栏有5段栏板被撞毁，4根立柱产生了明显的塑性弯曲．

3)客车结构的塑性变形吸收了总内能的44.3%，在客车-护栏碰撞系统的仿真实验中，不能把车辆简化为刚体来处理；梁板吸能占护栏吸收总能量的64.4%，是客车-护栏碰撞系统中的主要承载件.

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【中文责编：方 圆；英文责编：木 南】

2014-11-21；Accepted：2015-03-17

Collision process between coach and semi-rigid dual-wave barrier

Wang Jinlun1, Zhou Yunjiao2, and Lan Fengchong2†

1) College of Mechatronics and Control Engineering, Shenzhen University, Shenzhen 518060, P.R.China 2) School of Mechanical and Automotive Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, P.R.China

Finite element models of a large coach and Q235 dual-wave beam barrier normally utilized on highway are established to investigate the coach-barrier collision process. The LS-DYNA solver is used to simulate the dynamic response process with a coach speed of 80 km/h and a collision angle of 20°. The results show that the protective effect of the dual-wave barrier on the coach is poor. Although the loss of control of the coach could be corrected to a certain extent, the coach would still run across the barrier eventually. Even though serious deformation at the front-lower end of the coach is observed, the occupant survival space is not invaded. The barrier absorbs more than half of the initial kinetic energy of the vehicle during a collision, which can effectively decrease the coach velocity and reduce the severity of road accidents.

structural mechanics; coach collision; semi-rigid dual-wave barrier; road accident; traveling trace; survival space

：Wang Jinlun, Zhou Yunjiao, Lan Fengchong. Collision process between coach and semi-rigid dual-wave barrier[J]. Journal of Shenzhen University Science and Engineering, 2015, 32(3): 324-330.(in Chinese)

U 461.91

A

10.3724/SP.J.1249.2015.03324

国家自然科学基金资助项目(61403259)；深圳大学科研基金资助项目(00035695)

王金轮(1984—)，男(汉族)，山东省潍坊市人，深圳大学讲师、博士.E-mail: wangjl84@szu.edu.cn

Foundation：National Natural Science Foundation of China (61403259); Natural Science Foundation of Shenzhen University (00035695)

† Corresponding author：Professor Lan Fengchong. E-mail: fclan@scut.edu.cn

引 文：王金轮，周云郊，兰凤崇．客车与半刚性双波梁护栏碰撞过程的研究[J]. 深圳大学学报理工版，2015，32(3)：324-330.