泡沫铝夹芯板桥墩防撞装置性能分析

摘 要：【目的】为了满足桥墩防撞装置的结构设计要求和质量需求，提高其使用寿命和综合性能，设计一种泡沫铝夹芯板桥墩防撞装置，并对其性能进行分析研究。【方法】根据原有的桥墩防撞装置，依据等质量原则，设计泡沫铝夹芯板防撞装置。使用ANSYS Workbench进行显示动力学分析，模拟车辆与桥墩正碰撞过程，提取整个碰撞周期内应力和变形量的时间历程曲线，得出动态过程中产生的最大应力和变形量。【结果】泡沫铝夹芯板桥墩防撞装置在碰撞冲击载荷作用下，整体结构的最大应力为491.02 MPa，最大变形量为280.31 mm。【结论】经过上述仿真分析可得出，该泡沫铝夹芯板结构在防撞性能方面的优越性，为后续生产泡沫铝夹芯板桥墩防撞装置提供技术支持。

关键词：泡沫铝；防撞装置；显示动力学分析

中图分类号：TH164 文献标志码：A 文章编号：1003-5168（2024）19-0030-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.19.006

Performance Analysis of Anti-Collision Device for Foam Aluminum Sandwich Plate Pier

LI Zhihui ZHENG Xiang XU Lei CUI Haoran SUN Haobo

（School of Mechanical Engineering， Chaohu University， Hefei 238024，China）

Abstract：[Purposes] In order to meet the structural design and quality requirements of bridge pier anti-collision devices， and improve its service life and comprehensive performance， a anti-collision device for foam aluminum sandwich panel was designed and its performance was analyzed. [Methods] According to the original bridge pier anti-collision device， the anti-collision device of foam aluminum sandwich panel is designed according to the principle of equal quality. By using ANSYS Workbench for display dynamics analysis， simulating the process of a vehicle colliding with a bridge pier， and extracting the time history curve of stress and deformation throughout the entire collision cycle， this paper determines the maximum stress and deformation generated during the dynamic process. [Findings] Under the impact load， the maximum stress of the overall structure is 491.02 MPa， and the maximum deformation is 280.31 mm. [Conclusions] After the above simulation analysis， it can be concluded that， the superiority of the foam aluminum sandwich panel structure in anti-collision performance provides technical support for the subsequent production of foam aluminum sandwich panel pier anti-collision device.

Keywords： foam aluminum; anti-collision device; display dynamic analysis

0 引言

随着桥梁交通的快速发展，车辆与桥墩之间的碰撞事故时有发生，严重威胁着人员、车辆和桥梁的安全。桥墩作为桥梁的重要组成部分，其稳定性和安全性直接关系到整个桥梁的承载能力和使用寿命。因此，桥墩防撞装置的研究与应用显得尤为重要。

余葵等［1］在2022年为解决白果渡嘉陵江大桥的桥墩防撞安全问题，提出了一种自浮式复合材料防撞装置，并运用LS-DYNA软件建立了船—桥墩—防撞装置的三维分析模型，将有无防撞装置的情况进行对比。结果表明：安装防撞装置后，在最不利的正撞工况下，船舶撞击力峰值降低55 %，最大等效应力减少44 %，具有良好的防撞效果。王乔［2］为有效降低北方地区春季开江流动冰排对桥墩造成的损伤，设计了一种桥墩防冰撞装置，并对其防冰撞效果进行了数值模拟研究。结果表明：桥墩顶部的最大位移和最大加速度可分别减小50 %和70 %以上，防撞装置对桥墩起到了很好的保护作用。胡峰强等［3］针对汽车撞击桥墩问题，设计了聚氨酯（PU）泡沫材料防撞装置，利用有限元软件建立车辆—桥墩撞击模型。结果表明：PU材料具有良好的吸能能力，能有效地吸收冲击力，减小桥墩撞击力。张林凯等［4］提出泡沫铝、橡胶混凝土和泡沫铝外包橡胶混凝土三种材料的防撞装置，运用ANSYS/LS-DYNA软件建立三种防撞装置模型，从能量转化、撞击力和装置撞深三部分进行动力响应分析。结果表明：泡沫铝外包橡胶混凝土防撞装置具有良好的缓冲吸能特性。郭铮等［5］针对现有桥墩防撞装置存在缓冲效果差、不易安装和修复等问题，提出采用具有优良耗能缓冲性能的泡沫铝和聚氨酯材料进行多层组合的防撞装置。结果表明：泡沫铝和聚氨酯材料均具有稳定的变形破坏模式和较长的应力平台区，可持续稳定地吸收能量。

桥墩防撞装置的研究已经取得了一定成果，而泡沫铝夹芯板作为一种新型防撞材料，因其优良的缓冲吸能和较轻的质量，也逐渐受到研究者的关注。泡沫铝夹芯板防撞装置通过其独特的结构设计和材料性能，能够有效地吸收碰撞能量，降低对桥墩的冲击，从而保护桥墩的安全与稳定。

本研究基于既有的桥墩模型碰撞试验，建立简化的车辆撞击带有泡沫铝夹芯板防撞装置的桥梁三维实体有限元模型，分析在车辆撞击载荷下，防撞装置所受的应力和变形量。

1 碰撞模型设计

本研究设计的防撞装置为三明治夹芯结构，即钢板—泡沫铝—钢板结构［6］，中间为实体圆柱桥墩。防撞装置与桥墩采用胶接的方式进行连接，泡沫铝材料密度为300 kg/m3，防撞装置截面如图1所示。防撞装置的高度应高于车辆撞击点，因此，在本模型中取防撞装置和桥墩的高度为0.8 m。由于防撞装置粘结于直径为1 000 mm的桥墩上，所以防撞装置的内径选为1 000 mm。防撞装置的厚度偏于保守地取为190 mm，其中内外层钢板厚度为20 mm，中间泡沫铝厚度为150 mm。

2 碰撞分析理论

碰撞分析是一种广泛应用的技术，主要用于模拟物体在碰撞过程中的动态响应，目的是通过模拟碰撞过程预测结构的变形、应力分布。碰撞时系统满足的动力分析方程见式（1）。

[Mμ+Cμ+Kμ=Ft] （1）

式中：[M]为结构质量矩阵；[C]为结构阻尼矩阵；[K]为结构刚度矩阵；[μ]为节点加速度向量；[μ]为节点速度向量；[μ]为结点位移向量；[Ft ]为随时间变化载荷向量。

在任意给定的时间t，式（1）可以看作是一系列考虑了惯性力[Mμ]和阻尼力[Cμ]的静力平衡方程。在ANSYS软件动力分析中，使用Newmark方法计算动力响应的后局部误差估计，在离散的时间点上求解这些平衡方程，两个连续时间点之间的时间增量称为积分时间步长（Integration time step）。这种算法可以自动调节至适合的步长，使误差的估计逐渐趋于0，从而得到可靠的数值解［7］。

3 有限元分析

3.1 有限元模型

显示动力学分析主要用于求解高度非线性的动力学问题，这些问题通常发生在极短的时间内，如几毫秒甚至更短。非常适合用来模拟汽车与桥墩之间碰撞过程中的动态响应。

为方便计算，对汽车和防撞装置进行了简化处理。假设汽车为刚性体，汽车与防撞装置正向碰撞时最大水平速度为20 m/s、碰撞时间为0.01 s，内外钢板材料为STEEL 1006，泡沫铝的参数见表1。其中：ρA为密度，EA为弹性模量，υA为泊松比，γ为材料在受压缩或拉伸时的弹性响应特性。

在ANSYS Workbench显示动力学模块设置各接触区域为绑定，通过控制网格尺寸对模型进行网格划分，使用四边形为主的网格划分，在可能产生形变和应力的部位进行细化，控制网格大小为30 mm，生成169 002个节点，134 334个单元。防撞装置有限元模型如图2所示。

3.2 结果分析

显示动力学分析求解车与桥墩正碰撞的典型工况下的动态响应。提取防撞装置的应力分析结果如图3所示。碰撞过程中应力时间历程曲线如图3（a）所示，从图中可以看出，在0.009 s时防撞装置应力达到最大峰值，提取此时刻的防撞装置应力云图如图3（b）所示，防撞装置的最大应力为491.02 MPa。

提取防撞装置的变形量分析结果如图4所示。碰撞过程中变形量时间历程曲线如图4（a）所示。从图中可以看出，在0.01时防撞装置的位移达到最大峰值，提取此时刻的防撞装置总变形云图如图4（b）所示，防撞装置的最大变形量为280.31 mm。

4 结论

本研究以车辆—桥墩碰撞问题为背景，为减小车辆—桥墩撞击过程中桥墩与车辆的损伤，在桥墩局部设计泡沫铝夹芯板防撞装置。基于既有的车辆—桥墩撞击试验，建立车辆—桥墩撞击三维实体有限元模型，研究了车与桥墩碰撞的动态响应特征，得到以下结论。

①利用既有的桥墩防撞装置根据等质量原则设计一种新型泡沫铝夹芯板防撞装置，通过使用ANSYS Workbench进行显示动力学分析，使用四边形为主的网格划分，添加接触面约束，设置碰撞速度和时长，模拟车辆与桥墩正碰撞过程。

②提取整个碰撞周期内应力和变形量的时间历程曲线，得出动态过程中产生的最大应力和变形量。结果表明，该结构的最大应力为491.02 MPa，最大变形量为280.31 mm。

③由分析结果得知，该泡沫铝夹芯板结构在防撞性能方面表现出色，可为后续生产泡沫铝夹芯板桥墩防撞装置提供技术支持，以满足桥墩防撞装置的结构设计要求和质量需求，提高其使用寿命和综合性能。

参考文献：

［1］ 余葵，程明，彭炳力，等.白果渡嘉陵江大桥防撞装置的防撞性能研究［J］.水道港口，2022，43（6）：751-758.

［2］ 王乔.北方地区桥墩防冰撞装置设计及效果评价［J］.山东交通科技，2023（2）：93-95.

［3］ 胡峰强，林嘉盛，熊鑫，等.聚氨酯泡沫防撞材料裹覆桥墩的车辆撞击数值模拟［J］.南昌大学学报（理科版），2022，46（4）：423-427.

［4］ 张林凯，何见强，陈忠宇.基于LS-DYNA的桥墩防撞装置性能研究［J］.工程与建设，2021，35（5）：873-875，881.

［5］ 郭铮，易雪斌，王斌，等.桥墩泡沫铝基组合防撞装置耗能机理及缓冲效果［J］.铁道建筑，2023，63（5）：87-93.

［6］ 张均闪.钛/泡沫铝/钛复合三明治结构的制备及力学性能研究［D］.山东：山东理工大学，2023.

［7］ 冯领香，魏建国，王森林，等.一种可自调步长的改进Newmark算法［J］.河北农业大学学报，2004（3）：111-114.