波形梁护栏土基的有限元模型研究

蒋昊

摘 要：波形梁护栏是我国最常见的一种公路安全被动防护设施，可有效吸收由车辆碰撞带来的巨大碰撞力。有限元仿真是目前研究车辆碰撞护栏领域中最重要的技术手段，在护栏有限元建模过程中常常用固定约束代替土壤对立柱的承载力作用，从而对仿真结果造成了一定误差。通过固定基与土基模型的吸能机理的研究，来验证土基在有限元仿真中的影响。结果表明，常用的简化固定基有限元模型跟实际碰撞的情况有一定的出入，建立土基实体模型在提高仿真精确度方面具有很大的作用。

关键词：交通工程;护栏;土基模型;有限元仿真

中图分类号：U417.12 文献标识码：A

0 引言

随着我国车辆保有量的大幅度增加，公路护栏作为公路中最主要的交通安全防护设施，在与高速行驶的车辆发生碰撞时，通常会发生剧烈的塑性变形以及产生剧烈的碰撞能量变化，导致护栏设施材料失效、部件损坏以及汽车行驶方向失控等。由于车辆-护栏碰撞的实车足尺碰撞试验成本高，试验过程不可重复。随着科学技术的发展，计算机仿真技术在交通事故安全管理方面的研究显出很大的优越性。众多研究学者利用有限元显示动力学技术手段来进行车辆碰撞护栏仿真，以此减少实车足尺碰撞试验的次数，减少成本投入，并经过实车碰撞验证，其误差可达到10%以内，其优势不言而喻。波形梁护栏的立柱在车辆碰撞过程中主要承受弯矩，起到非常重要的支撑作用，波形梁护栏立柱土基通过受载后的变形可以耗散整个碰撞系统的碰撞能量，对于护栏结构设计以及缓冲效能而言是有利的。我国目前学者在有限元建模过程中主要采用固定基的方式来对车辆碰撞波形梁护栏进行仿真分析，固定基即不建立土壤模型，直接在护栏立柱进行自由度约束来模拟土基对立柱的承载作用，用固定基模拟土壤的承载作用虽能节约计算求解时间，但固定基不能较好的模拟土基的支撑作用，从而造成仿真结果与实车碰撞试验结果的误差偏大。因此建立土基实际模型，研究土基模型的建立对车辆碰撞波形梁护栏数值仿真的精确度提高的影响意义重大。本文基于最新规范[1]中的实车碰撞试验结果对土基进行有限元仿真分析以验证土基在仿真过程中的作用，对车辆碰撞护栏有限元仿真技术领域具有重大意义。

1 碰撞条件及有限元建模

碰撞仿真条件及评价标准依据现行规范中所提出的护栏碰撞安全性评价标准[2]进行仿真分析，护栏结构设计参考最新规范[1]中关于A级三波波形梁刚护栏的尺寸。有限元仿真所用的求解软件选用Ls-Dyna动力学软件进行求解计算，其中非线性动态显示算法可以解决高速车辆碰撞及构件大变形效应等相关问题的求解分析。有限元模型的前处理软件采用Hypermesh软件，后处理采用Hyperview查看碰撞动画文件以及通过Hypergraph图形数据处理软件进行车体质心加速度的滤波处理以此求出车体质心的加速度变化趋势。固定基有限元模型选用钢圈进行约束，钢圈材料采用Ls-Dyna软件中的线弹性材料即24号材料卡片，钢圈固定基可选用20号刚性材料以此对护栏立柱进行约束，并在其底部进行约束使其不发生位移。网格大小划分为20 mm，其中对于变形处可进行加密处理来提高计算精确度，护栏有限元模型采用壳单元属性中的Belytschko-Tsay算法来进行计算，土基采用圆柱体形状，单元属性为实体单元，采用8节点6面体实体单元，在该圆柱体的外表面施加无反射边界条件并约束其边界自由度，以此来模拟土基的无限界域。土基材料参考文献[3]中使用经过实验验证的土壤材料MAT_SOIL_AND_FOAM（5号材料），该模型假定土壤逐级变化，土壤在碰撞过程中产生的变形为各向同性。车辆碰撞设置终止时间为0.3 s，该时间可完整的反应车辆碰撞的整个过程，并节省了计算时间。最后需进行各个求解卡片的参数设置，如沙漏可采用默认的类型，即粘性沙漏控制，该算法可大大降低系统的求解计算时间，设置好各个求解卡片后可输出成型的K文件并提交到显示动力学求解器即可。

2 有限元仿真求解

通过上述有限元模型的建立以及各项材料、接触、沙漏等参数卡片的设置，利用求解器求解计算后得出文件数据后对相关文件进行分析及查看，后处理器对碰撞的动态过程进行查看，同时对输出的节点文件、能量输出文件、动态图画文件进行分析处理。如图1所示为车辆碰撞建立过立柱土基的護栏模型的动态结果，三张碰撞过程动态运行图依次对应的时间点为0 s、0.1 s、0.3 s。从图中可以看出护栏缓冲导向功能良好，土基单元在碰撞后会发生变形，与实际情况中车辆碰撞护栏时产生的巨大碰撞力会使立柱土基发生形变的现象相吻合，说明该土壤模型能较好的反映土壤的形变吸能状态，具有可靠性。碰撞动画上显示，可见小客车碰撞护栏后在0.3 s以后平稳的驶出。实测的车身加速度信号由位于小车质心处的三维加速度传感器测取，在数值仿真中通过输出质心点的ASCII加速度文件并通过后处理对加速度文件中的曲线数据进行10 ms平均并滤波处理后，可以得出车辆在碰撞护栏后的各向最大加速度值，并参考评价规范进行安全性评价。在进行护栏碰撞仿真分析中，设置的第一组工况为立柱固定基模型工况，第二组试验为立柱带有土基的模型工况。第一组工况仿真结果中的X、Y向最大加速度分别约为131.6 m/s²、112.7 m/s²，护栏最大动态变形量为840 mm。该三组数据分别与实车碰撞试验数据的误差为9%、27%、8%。第二组工况仿真结果中的X、Y向最大加速度分别约为128 m/s²、145 m/s²，护栏最大动态变形量为760 mm。该三组数据分别与实车碰撞试验数据的误差为5%、6%、2.6%。从此可以得出有设置土基的模型通过有限元仿真求解得出的三项评价指标的相对误差较未设置土基的相对误差小，仿真精度较高。同时可以通过各部件能量的变化来分析各部件的吸能情况，车辆在碰撞护栏时是通过将自身的巨大碰撞动能转化为护栏的内能及土基的内能，所以可以通过土基内能的变化情况与设置固定基时立柱内能的变化情况进行对比，从而可以比较土基在波形梁护栏的有限元仿真碰撞中所起到的吸能缓冲作用。

3 总结

本文对车辆与新版规范中所设计的三波波形梁护栏进行了有限元非线性显示动力学的碰撞仿真模拟分析，通过对固定基以及真实护栏土壤模型的对比仿真碰撞模拟分析，并与实车足尺碰撞试验结果进行对比，得出土基模型在仿真实验中可以减少分析误差的作用，在护栏的碰撞效应是比较明显的，是不容忽视的，是护栏建模中需要考虑的因素。考虑到土基失效后的持续变形，实际的吸能效果将会更为突出，同时考虑到护栏土基的建立会加大仿真求解的计算时间，在仿真实验中可根据实际情况对护栏土基的模型进一步优化来大大降低有限元仿真的求解时间。我国由于各地地理环境因素的影响，其波形梁护栏立柱的土壤成分也具有较大变化，如何根据不同的土壤环境条件来对立柱进行承载力分析，同时如何对不同土壤条件的立柱埋深深度进行量化，对减少材料损耗及降低经济成本具有重大的意义，也是我们学者今后需要重点研究的对象。

参考文献：

[1]JTG/T D81—2017，公路交通安全设施设计细则[S].

[2]JTG B05-01—2013，公路护栏安全性能评价标准[S].

[3]李勇，杨润林.地基土体对货车与波形梁护栏碰撞效应的影响[J].工程科学学报，2016，38（04）：589-594.