基于ANSYS/LS-DYNA连续玄武岩纤维材料护栏碰撞吸能分析

朱长华,赵 宝,裴浩楠,刘 迅

(长安大学 公路学院,陕西 西安 710064)

基于ANSYS/LS-DYNA连续玄武岩纤维材料护栏碰撞吸能分析

朱长华,赵 宝,裴浩楠,刘 迅

(长安大学 公路学院,陕西 西安 710064)

为了解决波形梁钢护栏在使用过程中出现的使用寿命短,耐腐蚀性能差等问题,结合国内外对纤维增强复合材料的研究,提出连续玄武岩纤维材料护栏.利用碰撞分析有限元软件ANSYS/LS-DYNA模拟小型汽车碰撞护栏过程,分析碰撞过程中连续玄武岩材料护栏吸能特性,研究结果表明,连续玄武岩纤维护栏在变形与吸能方面能够满足规范要求.

连续玄武岩纤维;护栏;ANSYS/LS-DYNA;能量吸收

在我国,高速公路防撞护栏一般为半刚性护栏,即钢制波形梁护栏,而广泛应用的钢制波形梁护栏在使用过程中有两个突出的问题:使用寿命和碰撞性能.钢制护栏在一般的天气条件下,平均使用寿命大约为15年,但是在酸雨、盐雾现象频繁出现的南方,在使用过程中会出现严重锈蚀现象.而纤维增强复合材料具有良好的抗腐蚀性和耐久性,弹性模量相比于钢材也较小.在1990年,美国联邦公路管理局就提出了玻璃纤维复合材料护栏研究,他们研究的目标就是寻求一种耐撞性能好,吸能性能好,寿命长的新型材料护栏[1].在国内,记国庆提出玻璃钢复合材料用于道路护栏[2],哈尔滨工业大学的王鹏对高速公路复合材料护栏进行了研究[3].而连续玄武岩纤维具有化学稳定性能好,拉伸强度高,耐疲劳性能好,耐腐蚀性能好,并且连续玄武岩纤维弹性模量是钢材的一半左右,利用其优良的特性,提出连续玄武岩纤维护栏,如果连续玄武岩纤维能够应用到成品化护栏,就可以拟补钢制护栏的问题.新型材料用于成品化护栏,除了各项指标应满足规范要求以后,材料也应该有着良好的吸能特性.本文将利用ANSYS/LS-DYNA模拟车辆碰撞连续玄武岩纤维护栏[4],并与钢制波形梁护栏对比,分析连续玄武岩纤维护栏的碰撞吸能特性.

1 连续玄武岩纤维护栏

1.1连续玄武岩纤维简介

连续玄武岩纤维是一种典型的高技术无机纤维结构和功能材料,也是一种典型的能源节约、环境友好型的纯天然绿色纤维,其耐酸耐碱[5],抗紫外线性能强,有很好的耐环境腐蚀性能.

1.2连续玄武岩材料参数

连续玄武岩纤维的密度约是钢材的1/3,故同等尺寸下,纤维材料护栏的质量将大大减轻,这也就便于护栏的运输与安装,由于玄武岩纤维护栏的弹性模量相比于钢制护栏要小,故在护栏厚度方面,将玄武岩纤维护栏厚度设计为6 mm(普通钢制波形梁护栏厚3 mm).护栏的防阻块与立柱均采用Q235钢.国内厂商生产的玄武岩纤维弹性模量一般在80～110 GPa之间,本次模拟选取的是100 GPa,材料密度选取为2.65 g/cm3[5-6],材料失效准则采用Chang-Chang失效准则.具体参数如表1.

1.3玄武岩材料护栏设计

玄武岩纤维护栏的设计应用的是《高速公路安全设施设计及施工规范》中的双波波形梁护栏,防阻块为A型防阻块,圆形立柱.本文护栏设计采用5跨每跨4 m的设计.基本尺寸图见图1,有限元模型图见图2.

表1 材料基本参数Table 1 Material parameters

图1 护栏立柱断面图Fig.1 The cross-section diagram of upright of barrier

图2 护栏有限元模型Fig.2 The finite element model of barrier

2 建立碰撞仿真系统

为了更加准确的模拟碰撞分析过程,控制沙漏能,并且控制计算时间,在建模过程中需要对单元的类型以及积分算法进行选择设定,护栏之间连接的模拟以及接触条件的定义对仿真性也有着重要的影响

2.1单元类型

在本文仿真模拟过程中,汽车采用ANSYS/LS-DYNA提供的Solid164三维实体单元,采用单点积分算法,这样处理可以缩短计算时间,并且也可以较好的处理沙漏问题.对于防阻块,立柱与波形梁,都是采用shell163薄壳单元,采用Belytschko-Wong-Chiang壳单元算法,该算法适用于处理大变形问题[7].

2.2护栏各部分之间的连接

对于护栏,防阻块,立柱之间的连接,一般有两种方法进行模拟:一种是共用节点法,共用节点法在碰撞过程中两个部分是不会发生脱离的,这和实际情况不相符.另一种是节点约束法,该方法是将两个部件相对应的部分的自由度进行约束.本文采用的是节点约束法进行模拟.

2.3控制接触参数

接触参数的控制,对于模型的仿真性有着很大的影响.在接触问题的处理中,采用的自动面面接触ASTS类型,立柱与防阻块之间的静动摩擦系数均为0.15.车辆与波形梁护栏之间的静动摩擦系数均为0.2.车辆与地面之间的静、动摩擦系数为0.6、0.2.

由于本文主要研究波形梁护栏的防撞吸能特性,在碰撞过程中,大部分能量被护栏吸收,故从能量吸收角度上看,可以将汽车近似为刚体处理[8],车辆模型简化尺寸为3.0 m×1.8 m×1.2 m.采用刚体材料,汽车对护栏的冲击会变得更大,这对于护栏受力是不利的,但是这对于研究护栏防撞性能来说是有利的,这样做还可以大大减少计算时间.地面采用刚性墙模拟,车辆初始速度为100 km/h,车重1.5 t.

车辆碰撞仿真系统模型如图3.

图3 碰撞系统Fig.3 Collision system

3 碰撞吸能分析指标

本次模拟是基于ANSYS/LS-DYNA的碰撞仿真模拟,波形梁能量吸收值是最直观的指标,因此,通过波形梁的能量吸收值定量的分析材料碰撞吸能特性.其次,对于高速公路护栏,可以通过波形梁最大动态变形量来定性的判断护栏材料吸能效果[9].本文将通过波形梁最大动态变形量,波形梁能量吸收值来分析新型材料护栏的吸能特性.

图4 分析流程图Fig.4 Flow chart of the analysis

4 仿真模拟结果分析

4.1验证碰撞过程的可靠性

《公路交通安全设施设计规范JTG D81—2006》[10]给出了护栏碰撞最大横向力[10]:

式中:F横为车辆作用下护栏最大横向力,kN;m为车辆质量,kg;v1为车辆碰撞速度,m·s-1;θ为车辆碰撞角度(°);C为车辆重心距前保险杠的距离,m;b为车辆宽度,m;Z为护栏横向变形,m.

通过计算可以得到规范要求的碰撞力为8.37×104kN,有限元模型中的最大碰撞力为9.28×104kN,与规范给出的计算结果相差为9.8%.故认为本次汽车碰撞护栏有限元模拟结果可靠.

4.2波形梁护栏最大动态变形量

LS-DYNA后处理软件无法直接提取波形梁护栏的最大动态变形量,本文通过选取护栏上变形量较大的多个节点,选取4#立柱位置处波纹板上多个节点,图5中A点附近,绘制垂直于护栏方向(X方向)的变形图,以此形成一个动态变形量包络图,通过该图,可以判断出波形梁护栏的最大动态变形量.如图6所示.

图5 0.25 s时护栏变形图
Fig.5 Deformation of barrier at 0.25 s

通过图7可以看出,两种材料出现最大动态变形的时间均在0.25 s附近.玄武岩纤维的最大动态变形量约为82.8 cm,满足《高速公路护栏安全性能评价标准》JTG/T F83-01—2004规范规定的小于100 cm的要求[11].根据图5,可以看到连续玄武岩纤维波形护栏与钢制波形梁护栏的最大动态变形量相差无几.说明本次模拟采用的6 mm厚玄武岩纤维材料护栏在受到车辆碰撞时与3 mm厚钢护栏的吸能情况相当.

图6 玄武岩纤维护栏最大动态变形图Fig.6 Maximum dynamic deformation diagram of CBF barrier

图7 两种材料变形对比图Fig.7 Deformation contrast of two kinds of materials

4.3波形梁护栏吸能量

通过LS-DYNA后处理软件可以提取到某一部件在碰撞过程中的能量吸收值.

通过图8的对比,可以得出6 mm厚的连续玄武岩纤维护栏与3 mm钢制波形护栏在能量吸收方面有着近似的效果,钢制波形梁护栏在0.5 s时吸收能量约147 kJ,连续玄武岩纤维护栏吸收能量约138 kJ,整个碰撞系统中总能约568 kJ,波形梁护栏在0.5 s时的能量约占系统总能的25%(未计入防阻块与立柱吸能),已达到公路交通安全设施设计规范(JTG D81—2006)[10]给定的A、Am防撞等级,表明连续玄武岩纤维防撞吸能性能良好.

图8 两种材料吸能对比图Fig.8 Energy absorption of two kinds of materials

5 结论与展望

本文利用LS-DYNA模拟碰撞过程,验证了6 mm厚的玄武岩纤维材料护栏在小型车辆撞击下波形梁最大动态变形满足规范要求,并通过与3 mm厚的钢制护栏各种吸能指标对比,结果显示连续玄武岩纤维护栏的吸能特性稍逊于钢制波形梁护栏,但也达到了规范给定的A、Am防撞等级,说明连续玄武岩纤维防撞吸能性能良好.连续玄武岩纤维用于成品化护栏,从能量吸收角度和护栏变形上来看,该材料已经能够满足规范要求.另外,玄武岩材料的化学性能稳定,耐腐蚀性能好,使用寿命长,这些都是钢护栏所欠缺的,其在环境条件恶劣的地方相比于钢制护栏会有更好的适应能力.相信连续玄武岩纤维在护栏上面的应用以后会得到推广.

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EnergyAbsorptionAnalysisofCBFBarrierBasedonLS-DYNA

ZhuChanghua,ZhaoBao,PeiHaonan,LiuXun

(School of Highway,Chang’an University,Xi’an 710064,China)

In order to solve the problem of short service life,poor corrosion resistance and other problems in the use of corrugated steelbarrier,combined with domestic and foreign research on fiber reinforced composites,a continuous basalt fibrous material barrier is proposed.The finite element analysis software ANSYS/LS-DYNA is used to simulate the collision process of the small car guardrail collision,the energy absorption characteristics of the continuous basalt material barrier during the collision process are analyzed.The results show that the continuous basalt fiber barrier can meet the requirements of deformation and energy absorption.

continuous basalt fiber;barrier;ANSYS/LS-DYNA;energy absorption

2017-06-27

朱长华(1993-),男,河南新乡人,长安大学硕士研究生.

2095-5456(2017)05-0415-04

U 417.1+2

A

【责任编辑:肖景魁】