冲击载荷下双波梁护栏的显示动力学仿真

张琳　孙静　王芳芳

摘 要：以ANSYS Workbench为仿真计算平台，通过非线性显示动力学，探讨护栏板变形量、护栏能量吸收能力以及质量块加速度曲线；对带加强筋的自升高式护栏防阻块和传统六棱柱形防阻块进行碰撞分析对比，探究2种防阻块高度提升量和能量吸收能力情况，并进行参数优化设计。分析结果表明：该护栏吸收碰撞能量能力强，抵抗变形能力优越；带加强筋的自升高式护栏防阻块性能优于传统防阻块，可为护栏的工程应用提供有益参考。

关键词：加强筋；防阻块；双波梁护栏；显示动力学

中图分类号：U417.12 文献标志码：B

Explicit Dynamics Simulation of Doublewave Beam Guardrail Under Impact Load

ZHANG Lin， SUN Jing， WANG Fangfang

（College of Mechanical and Electronic Engineering， Shandong University of Science and Technology， Qingdao 266590， Shandong， China）

Abstract： The deformation， energy absorption ability of guardrail and mass acceleration curve were explored by means of nonlinear explicit dynamics in the simulation platform of ANSYS Workbench. Comparison on the impact of stiffened heightadaptive obstruction block and the traditional hexagonal prismshaped obstruction block was conducted in order to study their lift height and energy absorption capability， and parameters were optimized. The results show that the guardrail is superior in impact energy absorption and distortion resistance； stiffened heightadaptive obstruction block beats the traditional obstruction block in performance.

Key words： stiffener； obstruction block； doublewave beam guardrail； explicit dynamics

0 引 言

公路护栏是确保公路工程安全运营的重要防护保障，其安全防护作用已经被人们充分认识，对护栏的系统研究也在逐步展开。作为一种确保道路交通安全的重要基础设施，护栏应具有以下作用：阻绊作用，防止车辆穿出路外[1]；校正行驶轨迹，使车辆恢复到正常车道；意外发生时降低对车内人员的伤害；良好的视线导向性[2]。

目前，30%以上的高速公路事故为车辆撞击护栏。随着中国标准车型的不断变化，家用SUV（运动型多用途汽车）、重型货车等一系列质量大、重心高的车型比例逐年增加，加剧了这一现象的发生，使得中国现阶段投入使用的护栏的安全防护作用不断减弱[34]。

本文提出一种带加强筋的自升高式护栏防阻块，将它安装于双波梁护栏系统后，可形成一种新型双波梁护栏。以ANSYS Workbench为平台，采用非线性显示动力学算法对该护栏系统进行有限元分析，着重探讨护栏板变形量以及防阻块对能量的吸收能力；对带加强筋的自升高式防阻块和传统六棱柱型防阻块进行碰撞性能对比，探究2种防阻块的高度提升量和能量吸收能力，并对提出的带加强筋的自升高式护栏防阻块进行单部件参数优化设计，为工程应用提供参考。

1 护栏系统结构模型

本文提出的新型半刚性双波梁护栏结构如图1所示，包括传统双波梁护栏板、H型立柱、带加强筋的自升高式护栏防阻块、连接螺栓。利用长连接螺栓将防阻块安装在立柱的顶部，护栏板与防阻块之间通过短连接螺栓连接[58]。参照《公路交通安全设施设计规范》（JTG D81—2006），立柱高度G取750 mm，防阻块安装高度H取600 mm，立柱间距L取2 000 mm，如图1所示。

本文提出的带加强筋的自升高式护栏防阻块，包括前面板、顶板、后面板和底板；在顶板靠近护栏板的一侧冲压2个上加强筋，加强筋的长度约为顶板长度的3/4；在底板靠近护栏板的一侧冲压2个下加强筋，加强筋的长度约为底板长度的3/4；后面板由钢板的2个接头叠加而成，在叠加处加通孔，用于固定防阻块，防阻块由整块钢板冲压弯制而成，结构如图2所示。该防阻块结构简单，易于加工。

这种护栏的工作原理是：在碰撞过程中，车辆先接触到护栏板，车辆的碰撞力传递到护栏板，然后护栏板向防阻块挤压，由于在顶板靠近护栏板一侧冲压了2个上加强筋，在底板靠近护栏板一侧冲压了2个下加强筋，顶板和底板靠近护栏板一侧的强度高于靠近立柱一侧，因此顶板和底板均在靠近立柱侧先发生变形；同时由于顶板和底板均存在向上的倾角，在碰撞过程中顶板和底板将绕靠近立柱一侧的拐角向上转动，并带动前面板向上抬升，从而使护栏板向上抬升，以保证护栏板的高度与车辆碰撞护栏时因上升趋势而引起的高度抬升相一致；此外，防阻块的上、下底板分别冲压了2个加强筋，提高了防阻块的能量吸收能力。

2 护栏系统分析

分析时用质量块模拟车辆，尺寸为400 mm×320 mm×300 mm，设置为刚性，质量块正面碰撞护栏。护栏模型各部分材料属性选用Q235钢材。立柱和护栏网格的划分方式采用扫掠网格划分，单元属性选用Solid Shell单元；防阻块网格划分方式采用六面体主导网格划分，并对圆角及加强筋处进行网格优化，划分网格后共得到172 795个单元和315 671个节点。网格划分完成后，设定护栏结构中每根立柱与路面的接触为固定约束。

仿真采用Explicit Dynamics模块，对质量块施加16667 m·s-1的初始速度，求解时间为10 ms。选择AUTODYN求解器，探究护栏的总体变形量、能量吸收能力以及质量块的加速度曲线，结果如图3所示。

从图3（a）可知，护栏整体的变形量较小，最大变形量发生在护栏板施加载荷的位置，约为175 mm，满足公路护栏安全性能评价标准中的规定。从图3（b）中可知，护栏及护栏整体能量吸收能力良好，受到的最大等效应力发生在防阻块的拐角处以及护栏板与质量块的连接处，约为467 MPa。另外，图3（c）所示的质量块加速度曲线表明，该护栏具有良好的防护性。

3 防阻块性能对比分析

根据《公路交通安全设施设计规范》（JTG D81—2006）内容，传统防阻块大多数采用六棱柱形；但是，六棱柱形防阻块在车辆发生碰撞时，由于连接螺栓与立柱的牢固连接使得防阻块不能自适应抬升护栏高度，降低了护栏防护的有效性。为克服上述问题，提出了这种带加强筋的自升高式护栏防阻块。

运用ANSYS Workbench中的Explicit Dynamics显示动力学模块，对带加强筋的自升高式护栏防阻块和传统六棱柱形防阻块进行碰撞动力学分析，着重探讨2种防阻块的高度提升量和能量吸收能力。首先分别建立2种“防阻块质量块”的耦合模型，将车辆模型简化为217 mm×217 mm×217 mm的质量块，将网格尺寸Sizing选项中的Relevance Center设定为Medium，选项Span Angle Center设定为Fine，并对拐角和圆角处进行网格优化，得到的模型如图4所示。

如图5（a）所示，带加强筋的自升高式护栏防阻块在经过质量块的碰撞后，最大高度提升量约为29 mm；图5（b）所示的传统六棱柱形防阻块的高度提升量仅为0.06 mm。由此判断出带加强筋的自升高式护栏防阻块可自适应提升高度，且高度提升的性能远优于六棱柱形防阻块。图6（a）所示带加强筋的自升高式护栏防阻块的最大等效应力约为547 MPa，图6（b）所示传统护栏防阻块的最大等效应力约为450 MPa。可以看出，本文带加强筋的自升高式防阻块比传统防阻块的应力集中明显，对碰撞能量的吸收能力强。

4 单部件参数优化设计

通过显示动力学对本文提出的带加强筋的护栏防阻块进行单部件参数优化设计。防阻块初始厚度选为4 mm，利用“防阻块质量块”的耦合模型，确保防阻块的宽度不变，对3、4、5 mm不同厚度的防阻块依次进行显示动力学分析，探究不同厚度防阻块的能量吸收能力。由于上文已给出初始厚度下防阻块的能量吸收曲线，此处只给出3 mm和5 mm厚度下防阻块的能量吸收能力曲线，如图7所示。

从图7以及图6（a）的能量吸收能力曲线可以看出，随着厚度的增加，防阻块对能量吸收能力的变化不明显，主要表现为求解时间内各种厚度的防阻块所吸收的能量大约都为550 MPa。说明在碰撞过程中不同厚度的防阻块都有效发挥了能量吸收作用，考虑到制造成本，可选择防阻块厚度为4～5 mm。

5 结 语

通过上述对新型双波梁护栏的分析研究：对防阻块性能的对比以及防阻块单部件参数优化设计，可得如下结论。

（1）本文针对目前高速公路护栏研究现状提出的新型双波梁护栏，在与SUV、大型货车等发生碰撞时，防护性能大大增强，对碰撞能量的吸收能力强，满足公路安全设计规范。

（2）通过非线性显示动力学分析可知，无论从防阻块的高度提升量还是对碰撞能量的吸收能力来说，自升高式防阻块的性能远远优于传统六棱柱形防阻块，且考虑成本因素防阻块厚度宜为4～5 mm。

参考文献：

[1] 刘建勋，唐 辉.高速公路双条半刚性护栏结构设计[J].重庆交通大学学报：自然科学版，2012，31（1）：6871.

[2] 李建伟，李 铮.单波梁钢护栏创新设计与应用[J].科学技术与工程，2010，10（21）： 53345339.

[3] 谢玉洪.高度自适应半刚性护栏的研究[D].长沙：长沙理工大学，2004.

[4] 刘建勋，唐 辉，张翼峰，等.半刚性双波护栏与双条半刚性护栏防撞性能仿真对比[J].重庆交通大学学报：自然科学版，2012，31（2）：279282.

[5] 张晓晴，黄小清，汤立群.高速公路护栏的冲击动力学分析有限元模型[J].计算机仿真，2007，24（3）：266269.

[6] 谢庆喜，张维刚，钟志华.波形梁半刚性护栏与汽车碰撞的仿真分析及其结构优化[J].客车技术与研究，2006，29（1）：1012.

[7] 于学兵，毛娟娟，刘丽萍.半刚性三波护栏与客车碰撞的仿真分析[J].汽车科技，2009（3）：5458.

[8] 刘丛国，于建国.新型高速公路中央分隔带护栏的设计与研究[J].机电产品开发与创新，2010，23（5）：170171，177.

[责任编辑：杜卫华]