基于LS-DYNA的车辆与临时防护设施碰撞仿真

王晓勇，何江李，朱　彤

(长安大学 汽车学院，陕西 西安　710064)

中国经济的快速发展带动了交通运输行业的高速发展。目前，中国高速公路总里程位居世界第一。同时，汽车保有量和高速公路的增长使得道路交通安全备受关注。合理的防护设施不仅能在汽车发生碰撞时有效地保护驾驶人员，而且还能防止发生二次伤害。许多学者对交通安全防护设施的碰撞安全性做了大量的研究，从最初的实车足尺碰撞试验发展到现在的计算机仿真试验。雷正保[1]等人采用动态有限元法，研究了山区公路上混凝土护栏的碰撞特性，指出了当前混凝土护栏存在的问题。乔希永[2]等人研究了车辆-护栏碰撞的乘员风险评价方法，为中国护栏相关试验研究及开发提供了借鉴。杨济匡[3]等人采用有限元分析方法，研究了高速公路双波形梁护栏对客车碰撞的防护性能，并对护栏结构进行了改进分析。张国胜[4]等人基于欧盟EN1317.2法规，选用乘用车与半刚性两波形梁护栏进行了实车碰撞试验，评估了车辆-护栏系统的安全性能。Gutowski[5-6]等人采用有限元仿真法，从护栏的最大偏转和车辆动态响应评估研究了不同高度W型梁护栏的防护性能，还研究了用一个双面护栏替换2个单面护栏的可行性。Prochowski[7]研究了不同质量和速度的车辆与可拆卸混凝土护栏的碰撞过程，得出了车辆冲击能量与护栏位移的关系。这些研究表明：对于防护设施的研究集中在高速公路上固定护栏的防撞性能，且集中于波形梁护栏。对于道路施工或隔离时路旁的临时防护设施性能的研究较少，且缺乏对它们的防护性能进行评价。临时防护设施对于保障施工人员和车辆驾乘人员的安全都具有同样重要的作用，研究并提高其防护性能势在必行。作者拟选用注水防撞墩作为临时防护设施，分别建立波形梁护栏、混凝土护栏及临时防护设施3种防护设施的有限元模型并进行碰撞仿真，分析它们各自的防护效果，比较它们的防护能力，并分析各自的模式适应性。

1　汽车碰撞实验基础

汽车与防护装置发生碰撞时，首先是以一定的角度斜冲向防护装置，在碰撞发生后，防护装置与汽车前端一侧接触，给汽车一定的作用力，碰撞产生的能量由车辆的变形和防护设施的变形吸收。同时，防护设施具有的导向作用，还会使车辆发生转向，这个过程中又有一部分碰撞能量转化为车辆转向的能量。之后，车辆会与防护设施呈平行状态，车辆尾部也会与防护设施发生碰撞。最后，车辆以一定角度驶出。理想的防护装置应能使车辆在发生碰撞并转向后回到原车道，这不仅使发生碰撞的车辆行驶时轨迹可控，而且可以增加安全性能，也不致影响后车的行驶安全。

《高速公路护栏安全性能评价标准(JTG/T F83-01-2004)》[8]中规定了护栏安全性能的评估采用3项基本准则，这些准则是从人、车、护栏三者各自的角度出发而制定的。

1) 结构完整性

防护设施的作用就是承受失控车辆冲击的能量，保证车辆不会越出防护设施而造成更大事故。因此，防护设施应能有效地阻挡车辆并进行引导，避免车辆发生穿越、骑跨及下穿防护设施。同时，要符合标准中规定的最大动态变形量。最大动态变形量指的是车辆冲入护栏的最大位移。护栏的最大动态变形量在规定的指标内是可以保证安 全的[8]。

2) 乘员风险

乘员风险用来评价乘员在事故中所受到的伤害程度，根据碰撞过程中车辆在特定时间长度内的平均加、减速度和乘员的速度改变量来确定。护栏的安全性可采用车辆与护栏碰撞时的冲击加速度作为判定指标。《高速公路护栏安全性能评价标准(JTG/TF83-1-2004)》指出，当车体3个方向(横向、纵向、竖向)冲击加速度均不超过20g时，车内乘员不会受到严重伤害。当试验不具备安装假人条件时，可以用车体质心加速度作为乘员安全性能评价指标。

3) 车辆运行轨迹

进行车辆运行轨迹的控制是为了防止车辆在发生碰撞后进入相邻车道或发生横转、绊阻[9]等现象，导致更严重的二次事故[10]。但保证车辆绝对不会驶入相邻车道是不现实的，能做的就是提高护栏的导向性能和缓冲性能。

根据3项基本准则，本研究将护栏的最大动态变形量和车体的加速度作为评估护栏安全性能的指标，在碰撞发生后，护栏的最大变形量小于 1 000 mm 时，可以认为安全；在碰撞过程中，车体的加速度小于20g时，可以认为安全。

2　仿真碰撞试验条件及模型参数

碰撞试验中最基本的条件是碰撞速度和碰撞角度。碰撞速度是指实际碰撞点前6 m以内测定的试验车辆的实际行驶车速。为了与真实高速公路上汽车和防护装置的碰撞更加接近，碰撞车速参考中国高速公路对车速的要求。同时，考虑到通常在发生此类突发事故时，驾驶人有可能采取紧急制动或转向等措施以减小碰撞速度，依据中国JTJ074-94规范，采用设计车速的80%近似作为碰撞车速[11]。因此，车辆的碰撞速度定为 90 km/h。 碰撞角度是指碰撞发生时车辆的纵向中心线与护栏所成的夹角。根据《高速公路护栏安全性能评价标准(JTG/T F83-01-2004)》，确定碰撞角度为20°。

仿真试验中车辆模型选择轿车模型，防护设施选择波形梁护栏、混凝土护栏及注水防撞墩3种形式。通过建立车辆与3类防护设施的有限元模型，比较研究不同防护设施的防护效果。轿车模型参数为：整车长4 380 mm，整车宽1 803 mm，整车高1 420 mm，轴距2 660 m，整备质量 1 570 kg。 波形梁护栏板(如图1所示)尺寸为：B=310 mm，m=96 mm，H=85 mm，h1=83 mm，h2= 39 mm，E=14 mm，r1=24 mm，r2=24 mm，r3= 10 mm，α=55°，β=55°，θ=10°，t=3。圆柱形立柱尺寸为：长1 850 mm，外径140 mm，壁厚4.5 mm。混凝土护栏尺寸为：顶宽200 mm，底宽430 mm，高810 mm，单件长2 000 mm。注水防撞墩尺寸为：上宽250 mm，下宽480 mm，高 800 mm， 单件长1 500 mm，壁厚5 mm，装水量250 kg。

图1　波形梁护栏示意Fig. 1　The wave beam fence

3　碰撞系统有限元模型的建立

根据模型参数，利用SolidWorks和HyperMesh，分别建立碰撞中车辆与防护设施的几何模型和有限元模型，并进行前处理。

3.1　车辆有限元模型

根据车辆各部件在碰撞仿真中的影响程度，为了提高建模效率，减少计算时间，将汽车上不同部分的单元网格尺寸采用不同的标准。在碰撞接触区划分网格时要求比较精细，而对于碰撞时接触不到的区域划分时可以适当加大网格尺寸。轿车车身网格尺寸确定为30 mm，保险杠网格尺寸确定为20 mm。车身网格单元选择划分质量较好的四边形单元。建立车辆有限元模型时，共生成45 186个单元，55 207个节点。在建立模型时，采用1D质量单元(表示赋有质量值的单节点，由一个单节点和一个质量值定义。在不考虑结构变形的情况下，用于模拟结构的实际质量特性)进行配重，使车辆重心不会发生太大改变，如图2所示。

图2　车辆有限元模型Fig. 2　The finite element model of the vehicle

3.2　防护设施有限元模型

3.2.1波形梁护栏模型

波形梁护栏由波形梁板、防阻块及圆柱形立柱组成。在碰撞过程中，波形梁板、防阻块及立柱都会发生较大的变形来吸收能量，因此，划分的网格尺寸较为精细。为了保证计算结果的精确，本研究确定网格尺寸为20 mm。波形梁护栏各部分均属于薄板结构，有限元分析时将其视为壳单元，网格类型选择划分质量较好的四边形单元。另外，3个组成部分之间的连接简化成刚性连接。圆柱形立柱埋于地面以下400 mm处设置约束，限制其6个方向的自由度，模拟与地面的固定连接。建立的波形梁护栏各立柱间隔4 m，设置9跨，共36 m[12]。划分后的波形梁有限元模型共78 501个单元，如图3所示。

图3　波形梁护栏有限元模型Fig. 3　The finite element model of the wave beam fence

3.2.2混凝土护栏模型

混凝土护栏为实体结构，建立有限元模型时，采用实体单元。根据汽车与防撞墩碰撞时接触位置不同，将防撞墩按不同区域分割，并划分不同的网格。实际中单个混凝土护栏长度为4 m，中间以钢筋和混凝土凸块连接[13]。由于碰撞仿真试验中防撞墩长度较短，各单个混凝土护栏之间的连接可以认为是刚性的，因此，建立有限元模型时，直接建立一个整体混凝土护栏。实际中混凝土护栏与地面是以混凝土连接，可以看成刚性连接，因此，仿真模型中在混凝土护栏的底部设置约束，限制底部6个方向的自由度。混凝土护栏的长度与波形梁的长度近似，取30 m。通过划分网格，共生成70 875个节点和51 375个单元，该模型如图4所示。

图4　混凝土护栏有限元模型Fig. 4　The finite element model of concrete fence

3.3.3临时防护设施模型

临时防护设施采用注水防撞墩，其为空心结构，外壳为高密度聚乙烯塑料，壁厚5 mm。为提高模型效率并简化计算，对其进行几何清理后，抽取模型中面，使之成为2D壳单元。这样，在划分有限元网格时，就可将其看成壳单元了。网格单元均采用四边形单元。由于注水防撞墩的几何模型下部为曲面结构，中间还有3个较大的孔，如果采用较大的网格尺寸，会造成较大的弦差和较小的雅克比值。为保证网格的质量，注水防撞墩有孔部分网格取20 mm，上部分圆弧过渡区网格取40 mm，规则区域网格尺寸取50 mm。本研究采用的注水防撞墩由20个单件组成，每个注水防撞墩的长度为1.5 m，共30 m。所有注水防撞墩有限元模型共90 080个单元。注水防撞墩本身可以灵活移动，底部不固定，只是各单件之间相互连接，该模型如图5所示。

4　仿真试验结果及分析

利用求解器LS-DYNA计算，可得出不同防护设施与车辆的仿真碰撞结果。

图5　注水防撞墩有限元模型Fig. 5　The finite element model of the waterinjection anti-collision pier

4.1　车辆与波形梁护栏的碰撞

车辆与波形梁护栏碰撞后，护栏上最大变形量位置的位移曲线和车体Y向加速度曲线分别如图6，7所示。

图6　波形梁护栏的动态变形量Fig. 6　The dynamic deformation of wave beam fence

图7　汽车与波形梁护栏碰撞的Y向加速度Fig. 7　Y-axis acceleration of collisionbetween a car and wave beam fence

从图6中可以看出，当车辆与波形梁护栏发生碰撞时，护栏持续发生变形吸收碰撞能量，在160 ms处护栏的动态变形量达到最大，为 837 mm， 小于标准规定的1 000 mm，可以认为波形梁护栏能有效地拦阻失控车辆，吸收碰撞能量，引导车辆转向回到原车道。

当模拟碰撞车辆无假人模型时，可用车体质心的加速度作为乘员风险的评估标准。因要研究在车辆行驶方向产生的加速度，故本研究用车体纵向加速度(即Y向加速度)代替质心加速度。从图7中可以看出，当时间为25 ms时，车体与护栏开始发生接触；当时间在25～170 ms之间时，车辆与波形梁护栏持续接触，车体和护栏均发生了变形；当时间为170 ms时，车体质心的加速度达到最大，为-0.13 mm/ms2，换算成重力加速度约为13.27g，小于标准规定的20g。可以认为在车辆与波形梁护栏发生碰撞时，护栏和车体产生的变形吸收了足够的能量，使得车辆的动能逐渐释放，车体加速度达到规定的安全范围。

4.2　车辆与混凝土护栏的碰撞

车辆与混凝土护栏碰撞后，护栏上发生最大变形位置的位移曲线和车体Y向加速度曲线分别如图8，9所示。

图8　混凝土护栏的动态变形量Fig. 8　The dynamic deformation of concrete guardrail

图9　车辆与混凝土护栏碰撞的Y向加速度Fig. 9　Y-direction acceleration of collision betweena vehicle and concrete guardrail

从图8中可以看出，在此次碰撞过程中，混凝土护栏的位移为0 m/s。其原因是：混凝土护栏在有限元模型建立过程中赋予其刚体的属性，材料本身不会发生相对位移；另一方面，由于混凝土护栏建造时，其底部与地面为固定连接，因此，建立有限元模型时，将混凝土护栏的底部进行约束，造成碰撞结果中混凝土护栏的位移很小。

从图9中可以看出，在车辆与混凝土护栏发生碰撞接触后，车体质心的加速度迅速增加。其原因是：虽然碰撞时车辆会吸收一部分能量，但由于所设置的混凝土护栏为刚体结构，在碰撞过程中不会发生变形来吸收能量，因此，车体质心的加速度相较于波形梁护栏的要大。另外，由于混凝土护栏为实体结构，在车辆与护栏发生碰撞后，轮胎沿着护栏侧面爬升提高，在其上滑行一段距离并转向，车辆的一部分动能转化为车辆的势能，减小了车辆碰撞时行驶方向的加速度峰值。在图9中，当时间为150 ms时，车体质心的加速度达到峰值，为-0.17 mm/ms2，约为17.35g，小于标准规定的20g，但比较接近。可以认为：混凝土护栏可以使失控车辆发生转向，但对于缓冲吸收碰撞能量的效果不明显。

4.3　车辆与注水防撞墩的碰撞

车辆与注水防撞墩碰撞后，防撞墩上发生最大变形位置的位移曲线和车体的Y向加速度曲线分别如图10，11所示。

图10　注水防撞墩动态变形量Fig. 10　The dynamic deformation of the water injection anti-collision pier

图11　车辆与注水防撞墩碰撞Y向加速度Fig. 11　Y-direction acceleration of collision between a vehicle and the anti-collision pier

从图10中可以看出，当车辆与注水防撞墩发生碰撞时，防撞墩本身发生塑性变形，吸收了碰撞能量，且由于防撞墩整体与地面无连接，护栏发生了一定的位移。在时间为175 ms处，护栏的动态变形达到最大，为548 mm，小于标准规定的1 000 mm，可以认为注水防撞墩能有效地拦阻失控车辆，吸收碰撞能量。由于防撞墩材料具有弹塑性特征，最大变形点处的变形量会减小，该曲线略有回落。

从图11中可以看出，车辆与注水防撞墩碰撞时，车体质心加速度的总体趋势是逐渐增加。当时间为167 ms时，车体质心加速度达到最大，为-0.14 mm/ms2，约为14.29g，小于标准规定的20g。在碰撞过程中，由车体、塑料外壳的变形及内部水的缓冲吸收能量，可较为明显地减小碰撞时产生的加速度。

将不同防护设施与车辆碰撞的结果进行对比，见表1。

表1　车辆与防护设施碰撞的结果比较Table 1　Comparison of collision results between vehicle and protective equipment

从表1中可以看出，在汽车与波形梁护栏发生碰撞时，其加速度较小，可较好地缓冲碰撞能量。而波形梁护栏的动态变形量较大，对于小型车，可阻止其驶出道路，但对于大质量的客车或货车，则有可能不能有效阻止其越出道路[14]。在汽车与混凝土护栏发生碰撞时，由于混凝土护栏本身的刚体强度大，护栏不会产生明显的变形，大部分能量是由车与人承受，因此，其碰撞加速度远大于波形梁护栏和注水防撞墩的。混凝土护栏的动态变形量很小，可有效防止失控车辆越出护栏驶离道路。当汽车与注水防撞墩发生碰撞时所产生的加速度小于其与混凝土护栏发生碰撞时所产生的加速度，其碰撞产生的护栏动态变形量也小于其与波形梁护栏发生碰撞所产生的护栏动态变形量。由于注水防撞墩常用于隔离道路，需要灵活移动，因此底部没有与地面连接，当有大型车辆与其发生碰撞时，可能会发生较大的位移。

根据《高速公路护栏安全性能评价标准(JTG/T F83-01-2004)》中的说明，小型车和大型车在护栏碰撞中的评估侧重点是不同的。对于小型车，要考察冲击加速度对乘员的伤害；对于大型车，要考虑避免冲出路外，造成较大事故。因此，通过结果比较可以看出，波形梁护栏更适合于小型车，注水防撞墩对小轿车产生的冲击加速度也较小，而混凝土护栏在碰撞中不易变形，承受冲击能力强，可有效防止车辆越出道路，因此，比较适合于大型车辆行驶较多、路侧环境比较恶劣的路段。混凝土护栏与周围环境协调性较差，视线诱导性差，不利于大规模使用。同理，注水防撞墩也不如波形梁护栏。因此，波形梁护栏在高速公路上得到大规模应用。由于注水防撞墩材质为塑料，寿命约5 a，如果大规模使用会导致成本太高，维护不便，因此,主要用于施工期间的临时安全设施，这对于保障施工人员的安全和降低成本具有较大的意义。另外可根据道路交通事故统计资料，在事故频发的路段进行设置注水防撞墩，与混凝土护栏混合使用，而不必在全路段布置。

5　结论

理想的安全防护设施不仅能够在与车辆发生碰撞时吸收大部分能量，还能够阻止车辆冲出路外、引导失控车辆转向，返回原车道。本研究通过建立轿车和3种常见的防护设施的有限元模型，经碰撞仿真，从护栏最大动态变形量和车体加速度2个方面比较了3类防护设施的防护效果，得到的结论为：

1) 波形梁护栏的能量吸收效果较好，但碰撞时易被破坏，失控车辆有可能冲出路外，目前应用范围很广。

2) 混凝土护栏在防止失控车辆越出道路方面效果较好，但其缓冲吸能效果差，可设置于路侧环境差的路段。

3) 注水防撞墩在碰撞时产生的冲击加速度比混凝土护栏的小，其动态变形量不是很大。由于移动方便，可广泛用于需要临时设置隔离的路段或施工场合，在某些较为危险的路段也可设置代替混凝土护栏。

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