（机械电子工程专业论文）汽车碰撞动力学响应分析及波形梁护栏防护性能的改进研究.pdf

摘 明7 3 18 要 近年来，随着我国高速公路的不断延伸、拓展，公路上发生的交通事故也在 逐年增加，其中近l 3 的事故是由汽车与护栏碰撞造成的。目前我国对道路交通 安全的研究尚处于起步阶段，因此在这方面所进行的研究工作就具有非常现实而 重大的意义。 本文通过研究车辆、护栏在碰撞中的动态响应来揭示乘员的损伤与交通事故 中的相关因素，如碰撞角度、速度等，之间的内在关系。通过对护栏结构的改进 来改进护栏的防护性能，使乘员在事故中受到的损伤程度尽量减小。 本文基于计算机仿真技术，建立有限元的碰撞仿真系统，通过对比研究不同 碰撞条件下汽车与护栏碰撞的动态响应来逐步展开对本课题的研究，并取得了 些有意义的结论： 1 在碰撞速度相同的情况下，轿车与护栏的碰撞位置随着碰撞角度的增大而逐 渐远离护栏立柱，则轿车的质心加速度会稍有下降。 2 护栏板与汽车之间的摩擦对汽车的运动有很大的影响。随着摩擦力的增大， 护栏对事故车辆的导向能力减弱，汽车的运动轨迹的校正变得困难。摩擦力 过大还会使得汽车出现横向打转的情况。 3 护栏板与立柱之间的连接特性对护栏的防护性能有很大的影响。螺栓的强度 不宜过大，以便在事故中没有随立柱一起向地面倒伏时就能失效以保证护栏 板与立柱的及时分离，保证护栏整体高度不会降低。 在汽车与护栏的碰撞事故中，事故车辆的车轮常常会受到护栏立杜的阻碍作 用，作用在汽车上的加速度会因此迅速增大以至车内乘员受到严重的伤害。针对 这样的问题本文提出了一种分段弹出式的护栏立柱结构，并利用有限元的分析手 段对传统护栏和采用这种立柱结构的护栏的防护性能进行了对比研究。研究结果 表明分段弹出式的立柱结构具备更好的防护性能。 关键词：轿车，护栏，有限元，计算机仿真，乘员保护 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ee x p a n d e do fh i g h w a yi no u rc o u n t r y , t r a f f i ca c c i d e n t s t h a t h a p p e no nt h eh i g h w a yi si n c r e a s i n gy e a rb yy e a r a m o n gt h e mn e a r l y 1 3 a c c i d e n ta r ed u et ot h ei m p a c tb e t w e e nv e h i c l e sa n dg u a r d r a i l s t h es t u d yo nt r a f f i c s a f e t yi ss t i l l a tt h es t a r t i n gs t a g ea tp r e s e n ti no u rc o u n t r y , s ot h er e s e a r c hw o r kt h a t c a r r i e so ni nt h i sr e s p e c th a sav e r yr e a l i s t i ca n d g r e a tm e a n i n g ， t h i s p a p e r a n n o u n c e st h ei n h e r e n tr e l a t i o na m o n gt h ed a m a g eo ft h ep e r s o n sa n d r e l e v a n tf a c t o r so ft r a f f i ca c c i d e n t ，s u c ha st h ei m p a c ta n g l e ，t h e ni m p a c ts p e e da n ds o o n ，b ys t u d y i n gt h ed y n a m i cr e s p o n s eo fv e h i c l e ，g u a r d r a i li nc o l l i d i n g b yi m p r o v e g u a r d r a i l s t r u c t u r et o i m p r o v et h ep r o t e c t i v ep e r f o r m a n c e ，w h i c hw i l l r e d u c et h e p e r s o n sd a m a g ed e g r e ei na c c i d e n t i nt h i sp a p e rai m p a c ts i m u l a t i o ns y s t e mh a db e e ns e tu po nt h eb a s eo ff i n i t e e l e m e n ts i m u l a t i o nt e c h n o l o g y s i m u l a t i o ni m p a c tt e s t sh a db e e nc o n d u c t e du n d e r d i f f e r e n ti m p a c tc o n d i t i o n s b yc o m p a r i n gt h ed y n a m i cr e s p o n s eo fa u t o m o b i l ea n d g u a r d r a i lo f d i f f e r e n tt e s t ，s o m em e a n i n g f u l c o n c l u s i o n sh a db e e nm a d e ： 1 i nt h es a m ei m p a c ts p e e d ，w i t ht h ei n c r e a s eo f i m p a c ta n g l et h ei n i t i a li m p a c t p o s i t i o nb e t w e e na u t o m o b i l ea n dg u a r d r a i lm o v e f a ra w a yf r o mt h e p o s tg r a d u a l l y , t h ea c c e l e r a t i o no f t h ec a rw i l ls l i g h t l yd r o p 2 f r i c t i o n sb e t w e e na u t o m o b i l ea n dg u a r d r a i lh a v ev e r yg r e a ti n f l u e n c eo nt h e r e s p o n s eo f a u t o m o b i l e w i t ht h ei n c r e a s eo ff r i c t i o n a lf o r c e ，t h ed i r e c t i o na b i l i t y o fg u a r d r a i lw i l lb ew e a k t oc o r r e c tt h eo r b i to fa u t o m o b i l ew i l l b em o r e d i f f i c u l t 3 t h ec o n n e c t i o nc h a r a c t e r i s t i cb e t w e e ng u a r d r a i lb o a r da n dp o s th a sv e r y g r e a t i n f l u e n c eo nt h ep r o t e c t i v ep e r f o r m a n c eo f t h e g u a r d r a i i n t e n s i t yo f b o l ts h o u l d n o tb et o ob i g ，i no r d e rt of a i lb e f o r eg u a r d r a i lb o a r df a l lt og r o u n dw i t hp o s t s g u a r a n t e et h a tt h eg u a r d r a i l h i g hw i l ln o t b e h i g h l y r e d u c e d i nt h e p a p e r , a n e w t y p eo fg u a r d r a i lp o s th a db e e nb r o u g h to u t ，w h i c hi sc a l l e d p o p o u tg u a r d r a i lp o s t a st h er e s u l t so f s i m u l a t i o nt e s ts h o w , t h en e w t y p eo f p o s th a s b e t t e rp e r f o r m a n c et h a nt h et r a d i t i o n a l n k e yw o r d s ：p a s s e n g e rc a t , g u a r d r a i l ，i m p a c t ，f e m ，c 。r e p u t e 8 i m u l a t i 。n ，o 。u p a n t p r o t e c t i o n i h 1 1 研究背景 第一章绪论 在1 9 8 7 1 9 9 2 年这5 年中，西欧交通流量上升了1 6 ，然而在1 9 8 8 1 9 9 2 年 间德国的事故率却下降了7 0 ；法国和西班牙均下降了2 0 左右；英国的车祸死 亡率由每公里1 8 人亿车辆降低到1 1 人亿车辆。由于西方国家对公路护栏的 安全性能进行了大量的研究工作，各种新型护栏不断出现并被广泛使用，所以在 这些国家里交通事故正在逐年减少，由事故造成的损失也随之大为减轻。再来看 看我国目前的情况。 图1 1我国历年高速公路交通事故数 口高速公路里程( 公里) 图1 2 我国高速公路发展历程 自1 9 8 8 年我国第一磊高速公路开通以来，高速公路交通事故逐年上升，如 图1 1 ，图1 2 所示。2 0 0 2 年全国预防道路交通事故工作会议上的统计数据显示： 2 0 0 1 年，一年中，全国共发生道路交通事故7 5 5 万起，死亡1 0 6 万人，伤j 4 6 万人，直接经济损失3 0 9 亿元，分别比去年增长2 3 、1 3 、3 3 和1 6 。仅高 速公路全年就发生交通事故2 5 万起，造成3 1 5 0 人死亡，9 9 万人受伤，直接经 济损失4 1 亿”1 ，分别比上年增加4 5 2 、4 6 1 、5 4 9 和5 7 7 。 表1 12 0 0 1 年全国道路交通事故统计 事故总数死亡人数受伤人数直接经济损失i ( 万起)( 万人)( 万人)( 亿元)l 所有道路 7 5 51 0 65 4 63 0 9 增长率2 3 1 3 3 3 1 6 l 表l _ 22 0 0 1 年全国高速公路交通事故统计 事故总数死亡人数受伤人数直接经济损失 ( 万起)( 个人)( 万人)( 亿元) 高速公路 2 53 1 5 09 94 1 增长率4 5 2 4 6 1 5 4 9 5 7 ，7 从表1 1 ，表1 2 中可以看出，我国目前正处于交通事故的高发期。公路上发 生的交通事故呈现出不断上升的趋势，而其中发生在高速公路上的交通事故增长 迅猛。 通过上面的比较不难看出，在高速公路里程增加的情况下西欧的交通事故减 少了而我国的交通事故却呈现增加的趋势。这是因为西欧对高速公路护栏防护的 研究起步比我们早，积累的经验比我们丰富，而我国在这方面的研究还处于起步 阶段。交通事故所造成人员和财产的损失是非常巨大的，因此对高速公路护栏的 防护性能进行研究并提高其防护性能，将交通事故所造成的损失降低到最小程度 就成了具有重大现实意义，迫切需要解决的课题。 国外在护栏碰撞安全性能这一领域的研究工作进行德比较早，采用的方法有 足尺寸试验法和计算机仿真方法。足尺寸碰撞试验费用非常昂贵，试验准备的时 问非常长，我国目前采用的研究方法多为计算机仿真法。 2 1 2 国内外公路护栏研究概状 1 2 1 国外研究概况 护栏作为高速公路上的主要安全设施，在世界范围内受到了人们的广泛重 视。公路交通较发达的国家在高速公路出现的初期就着手进行护栏结构的研究。 例如，在美国，人们从1 9 2 0 年起就开始了护栏的研究与使用。在理论分析和模 拟实验的基础上，通过实车足尺寸碰撞实验和公路上的应用实践，积累了大量的 资料和丰富的经验，制定了有关护栏形式的选择、结构设计、实验方法、手段以 及护栏的生产制造、运输安装和维修等一系列的标准。例如美国国家研究会交通 研究所在1 9 8 1 年制定了高速公路安全设施的评价标准，在1 9 7 0 年和1 9 8 6 年前 后组织了高速公路护栏结构及各种安全设施的系列的研究工作以及编写各种 设计规范。在欧洲如法国、英国、德国等国家也在很早就开始了护栏结构的研 究工作，建立健全了一整套的实验设施和相应的实验规程，从理论上和实验上研 究了多种类型的护栏结构。日本于5 0 年代开始这方面的研究工作，名神高速公 路开始正规使用护栏。在短短十几年中，以日本道路公团、臼本道路协会、建设 省土木研究中心联合有关大学、护栏生产厂家，对各种护栏结构进行了序泛的开 发研究，并于1 9 6 5 年制定了护栏设置纲要，在护栏的适用范围、结构设计、功 能要求、施工安装等方面做了明确的规定。其他许多国家，大致在5 0 6 0 年代， 也相继开展了自己的护栏结构的设计标准研究。 国外不少研究人员对汽车与路侧设施的碰撞进行了广泛而深入的研究，并将 碰撞试验所得的结果与用计算机仿真模拟得到的结果进行比较分析。m i l l e r 和 c a r n e yi i i t 4 】介绍了使用l s d y n a 程序模拟在重型车和轻型车的高速碰撞下，美 国康涅狄格州碰撞衰减系统n c i a s 的吸能特性。将有限元仿真和足尺寸碰撞试 验的结果进行了比较，如加速度时间、速度时间、位移一时间曲线，结果非常一 致。并建议将这种计算机仿真工具更广泛地用于道路安全性能的研究。r o b e r t t h o m s o n l 5 】对路侧和路中护栏系统的安全性以及评价它们的标准进行了详细的说 明。对路侧设施进行标准化试验的要求始于2 0 世纪6 0 年代，随着路侧硬件设施 的研究和试验技术的进步，很多文献都报告了非常详细的评价系统，如n c h r p ( n a t i o n a lc o o p e r a t i v eh i g h w a yr e s e a r c hp r o g r a m ) 2 3 0 报告( 1 9 8 1 ) 【6 j 和3 5 0 报 告( 1 9 9 3 ) 7 1 ，欧洲的试验条件，在p r e n l 3 1 7 标准 8 】中进行了说明。 1 2 2 国内研究概况 我固在“七五”期间就已开始针对高速公路护栏的设计、生产与施工等方面 展丌了研究工作。最初，尽管在我国高速公路上已经安装了各种结构形式的护栏， 但是其设计基本都是参照国外有关标准和规范进行的，而且对于修改的部分也没 有充分的科学依据。1 9 9 2 年前后，中国公路工程咨询监理总公司组织有关人员对 全国已通车的高速公路护栏的使用情况做了调查。据此拟定了“波型梁护栏实车 碰撞试验方案”，联系了近十个单位，组织了近百人的试验研究课题组，进行了 一年多的工作，完成了我国第一次实车足尺寸碰撞试验的研究任务，建立了一整 套的试验方法和设施。 8 0 年代中期以来，我国开展了对护栏形式及防撞性能的研究，首先从护栏的 结构、安全性、景观影响、气象条件及经济性等多个方面分析了各种护栏的适用 性，提出了适合我国高速公路的护栏形式。接着针对波形梁护栏的结构丌展了 实体护栏的模态分析及摆锤冲击试验、模型( 缩尺) 护栏的模态分析及破坏试验、 汽车与波形梁护栏碰撞的计算机模拟等，见9 h o 。1 ”。通过一系列的试验研究，提 出了适合我国高速公路的波形梁护栏的合理结构。在安全护栏试验研究的基础 上，结合高速公路护栏设计、制造、旋工安装积累的成功经验，我国于9 0 年代 初制订了高速公路交通安全设施设计及施工技术规范( j t j0 7 4 9 4 ) ，规定了 波形梁护栏、缆索护栏、混凝土护栏的设计要求、设计原则、构造、材料、施工 及质量要求与验收，并于1 9 9 5 年制订了高速公路波形梁钢护栏( 产品标准) 。 汽车和护栏相撞的动力学过程相当复杂，这方面的研究尚不完善。目前国际 上仍采用足尺寸碰撞实验来对各种护栏的性能进行评价。但由于各国的实际情况 不同，标准差别很大，主要受两个方面的影响：是车型的大小，二是最高限速 的高低。从客观上讲，不同国家或地区对这些限制遵守的程度会有所不同。例如 北美与西欧虽然一般典型小汽车车型大小类似，但是美国、加拿大车型较大的小 汽车比西欧的多。美国的汽车限速一般为8 8 k m h ，最高也不会超过1 0 5 k m h ，而 欧洲典型的平均车速则为1 3 0 k m h 。由此可见，在不同的国家和地区，汽车与护 栏之间的撞击力会有很大的差别。 在碰撞事故中护栏能吸收撞击能。不同的护栏吸收撞击能的方式不同，安装 护栏的目的也就不同。美国交通运输安全署( a a s h t o ) 在路边护栏指南中把护栏 4 分为3 类：柔性系统、半刚性系统和刚性系统。 两欧标准委员会关于“道路安全护栏”指导工作小组则指出： ( 1 ) 对于通常道路范畴和道路分段主要用无张力能量吸收型护栏系统： ( 2 ) 特殊路段，保护那些没有涉及到事故中的第三者如铁路、学校和工厂， 使用有张力或刚性系统道路护栏。 对于在什么情况下适用什么类型的护栏以及护栏所表现出的性能，已经 有人做了进一步的比较研究。如法国1 9 9 3 年给出的钢护栏和水泥混凝土护栏 对比研究统计结果。法国国际交通安全研究所( m e e t s ) 对法国1 0 0 0 k m 的汽 车行驶线路段1 9 9 2 年汽车事故统计数据表明：道路中间钢护栏事故指标明显 优于混凝土护栏，如表1 3 所示 表1 3 护栏主要碰撞事故的比较 护栏形式及事故性质混凝土钢 路边护栏 无伤害事故，次k m o 5 l0 5 l 有伤害事故，次k m 0 0 8o 0 6 其中翻车， l i1 1 路中护栏 无伤害事故，次k m0 5 4o 5 7 有伤害事故，次k m 0 1 4o 0 5 其中翻车，2 08 4 1 3 研究目的、内容 1 3 1 研究目的 随着我国高速公路里程的不断增加、高速公路上发生的交通事故数也一直在 增加，由此造成巨大的人身及财产损失。因此有必要对汽车与高速公路护栏碰撞 的规律进行研究，对护栏结构进行改进，采用新的材料，增加护栏在碰撞事故过 程中吸收能量的能力，从整体上提高护栏的防护性能。 本文将建立起轿车一护栏碰撞的仿真系统，基于这样的系统用各种不同的碰撞 参数来进行不同的实验研究，根据实验结果来分析这些参数与人体遭受的损伤之 问的关系，通过这种关系可以明确将来需要进一步研究的方向。 本文研究的直接目的是通过改进护栏、汽车的结构来提高它们的安全性能， 最终目的是保护乘员的安全，最大限度地减少事故对乘员造成的损伤。 1 3 2 主要研究内容 本文的主要研究内容有三个：建立轿车与波形粱护栏的碰撞仿真系统、研究 不同条件下，护栏对事故车辆的防护性能以及乘员受到的伤害、对比研究不同结 构、形式的护栏的防护性能。 ( 1 ) 建立轿车与波形梁护栏的碰撞仿真系统 用仿真的方法来进行研究工作，建立准确的模型是其中的关键。在本文中 使用的是一个比较成熟的经过验证的轿车有限元模型。这个模型是e a s i e n g i n e e r i n g 以1 9 9 1f o r d t a u r u s 轿车为原型建立的1 2 。护栏模型将根据现行的高 速公路交通安全设施设计及施工技术规范( j t j 0 7 4 9 4 ) 规范来设计。其组件包括 护栏立柱、防阻块和波形栏板。 ( 2 ) 研究不同条件下，护栏对事故车辆的防护性能以及乘员受到的伤害 高速公路上轿车和护栏的碰撞可以在不同的碰撞速度，不同的碰撞角度下发 生。碰撞的角度、速度不同，护栏对事故车辆所起到的防护作用也会不同，乘员 在事故中受到的伤害，及伤害的程度也有差异。通过本文的研究找出在不同情况 下，不同的影响因素与护栏防护能力以及乘员所受的伤害之间的关系。从中得出 的规律可以用来指导护栏设计，为制定安全法规提供依据。 ( 3 ) 对比研究不同结构、形式的护栏的防护性能 任何事物对外所表现出来的特性都是由内因和外因共同决定的。前面所研究 的不同碰撞条件下的影响因素是外因，真正决定护栏防护能力的还是它的内因一 即护栏自身的结构、材料的属性、连接的形式等。本课题利用仿真的手段对现有 护栏暴露出的问题进行研究。分析比较不同的立柱形式，不同的连接形式的护栏 之间的防护性能。通过改进护栏的结构而提高其防护性能，最终达到保护乘员的 6 目的。 1 4 研究方法 1 4 1 实验法 对轿车护栏碰撞进行研究的主要方法有两种：实车碰撞试验法和计算机仿真 模拟法。实车碰撞试验是综合评价汽车碰撞安全性能的最基本、最有效的方法。 它从乘员保护的观点出发，以交通事故再现的方式，来分析汽车碰撞前后乘员与 汽车和护栏的运动状态及损伤状况，并以此为依据改进汽车结构安全性设计，增 设或改进车内外乘员保护装置，改善路旁护栏的特性。 由于碰撞事故会造成巨大的损失，所以国外汽车工业发达的国家从6 0 年代 就开展了汽车碰撞试验研究，并相继形成法规，强制执行。比较有代表性的是美 国的联邦机动车安全法规( f m v s s ) 和欧洲法规( e c e 和e e c ) ，同本、加拿大、 澳大利亚等国家的法规制订基本上参考美国和欧洲的法规。目前我国政府有关部 门已颁布了汽车法规c m v d r 2 9 4 关于正面碰撞乘员保护的设计规则。 目前的碰撞试验标准有两个：欧洲的e n l 3 1 7 标准【13 j ；美国的 n c h r p 3 5 0 1 4 1 规程。n c h r p 3 5 0 规程推荐了大量的关于高速公路特征的安全特性 评价的标准碰撞试验程序。路旁硬件设施试验的碰撞速度和角度的选择基础是： 历史现场数据，理论模型，和保守分析。实际碰撞中，文献中关于碰撞速度和角 度8 5 的现场数据值分别为8 0k m h 和2 5 。 1 5 1 o 汽车与护栏的足尺寸碰撞试验需要大量的试验设备。n c h r p 规程中规定： 必须有足够的空间来安装长度不小于3 0 m 的试验护栏，并使汽车加速到所需的速 度。表1 4 中列出了碰撞试验的仪器。 表1 4 碰撞试验仪器 参数n c h r p 2 3 0u b c 1 6 】 高速胶卷( 4 0 0 f p s ) 警用无线电装置 碰撞速度超速监视区高速录像机( 5 0 0 1 0 0 0 邱s ) 备用轮 碰撞角度 高速胶卷( 2 0 0 f p s ) 高速录像机( 5 0 0 1 0 0 0 f p s ) 驶出路线 高速胶卷( 2 0 0 f p s ) 汽车路线护栏校准仪 高速胶卷( 2 0 0 f p s ) 高速录像机( 5 0 0 - 1 0 0 0 f p s ) 护栏偏转 位移电压计总体情况监测系统 汽车转动速度速度陀螺仪3 d 录像分析 汽车加速度加速度仪加速度仪 1 4 2 计算机仿真法 虽然实车碰撞试验是最主要的研究方法，但是人们也在逐渐使用计算机模拟 分析工具在这领域里展开研究工作。6 0 年代早期c o m e l l 航空实验室的研究人 员用有限元研究了纽约公共事业部的汽车护栏碰撞事故的机制，开发出了简单的 分析模型，使用弹簧、阻尼器、杆和连接器检测汽车的动态特性和护栏的强度。 这个研究是相当成功的，得出了许多当时通用护栏系统的评价结果。许多现在公 认的护栏安全问题是这次研究中发现的，如：护栏板与立柱的分离以防止汽车 钻入的重要性；轮胎挂在强度高的护栏立柱上的可能性；强立柱与相对较弱 的立柱护栏组合时压窝的可能性。这些研究结果在改善波形梁护栏性能、对目前 仍在美国纽约州使用的箱型梁护栏进行设计时确实起到了作用。通过计算机仿真 方法，可以预先得到碰撞的结果。从经济上考虑，这一点能够极大的减小护栏的 设计成本。 从6 0 年代开始，随着汽车使用人数的增加，发生的交通事故数量也大大的 增加，人们对汽车的安全性越来越重视，这就迫使汽车生产厂家和设计者进行大 量的试验，找出有关结构和零部件的各类缺陷，提高产品的质量、性能。现在随 着计算机技术的迅速发展，其它相关领域的新技术和新理论的不断发展和完善， 实现复杂结构的模拟计算已经成为可能。 汽车发生碰撞时，其运动轨迹以及车内乘员的运动状态往往十分复杂，因此 运动方程式的建立和求解也都很复杂”】。再加上碰撞时车身发生大变形并引起仪 表板、前围板等零件缩入乘客室内，减少了人体与室内物体的距离，也使得问题 求解复杂化。因此，汽车碰撞的计算机模拟研究一般包括以下三方面的内容： 用有限元方法研究汽车碰撞过程中车身、车架变形及动态响应；研究人体在多 种碰撞条件下的响应；仿真计算。与之相关的最基本的也是最复杂的工作是建 立能真实反映实际碰撞过程的数学模型，现有的数学模型大体上可分为集中质量 模型，多体系统模型和有限元模型。e t 前，数学建模主要涉及以下的研究领域： ( 1 ) 建立适用于不同碰撞条件( 正面碰撞、侧面碰撞、尾部碰撞等) 的车体 动力学模型，包括各种汽车部件模型； ( 2 ) 建立体现不同人体特征和动力响应特性的假人模型； ( 3 ) 建立人体局部结构的生物力学模型； ( 4 ) 建立汽车安全系统模型。 计算机模拟研究汽车碰撞过程中车身、车架变形及动态响应的重要前提是建 立正确的汽车结构数学模型，根据研究对象的不同，建立的数学模型可以是整车 模型，也可以是汽车的某一部分。 1 4 3 两种方法的比较 足尺寸碰撞试验是综合评价汽车碰撞安全性能的最基本、最有效的方法。只 要试验条件符合实际碰撞条件，试验设备达到一定的精度。其结果是最直观的， 因此浚方法已为国内外很多研究人员使用，是一种不可替代的方法。但是，由于 足尺寸试验的费用非常昂贵，进行试验准备的时间也很长，从而限制了这种方法 的广泛应用。另外，即使花费大量的资金对安全设施进行一系列的足尺寸碰撞试 验，以确保可靠的安全特性，但是这些试验装置和实际路旁设施之间依然存在差 别。另一方面，进行足尺寸碰撞试验的范围是非常有限的，从目前国内外研究人 员所做过的试验看，进行的试验主要是针对频发事故而设计的，而且几乎所有的 足尺寸碰撞试验都是在平地上进行的，而这种条件与实际情况并不完全相符。最 后一点，足尺寸碰撞试验的再现性不是很好，其结果会受到试验地点、试验环境 等条件的影响。 近年来，非线性有限元程序的发展，极大地推动了计算机建模和汽车碰撞仿 真技术的发展。随着计算机模拟汽车与路旁设施碰撞能力的提高，研究道路安全 特性将变得更加经济。由于减少了所需足尺寸碰撞试验的数量因而能大大降低研 究费用，研制新的硬件设施的成本也就随之大大减小。对于那些无法通过足尺寸 碰撞试验来进行研究的情况，却可以利用计算机仿真来很好地模拟，从而有助于 改进和提高汽车安全和道路安全。只要模型建立得准确，得出的结果就会与实际 的结果接近。计算机仿真其结果的再现性很好，只要输入条件相同，计算精度相 同，得到的结果就会一致。 由于计算机仿真是对真实事件的简化，并且计算结果受计算精度的限制，因 此有必要验证仿真模型的正确性。往往通过做足尺寸碰撞试验来验证计算机仿真 模型的f 确性。通过对比分析这两种方法得到的试验结果，来确定模型是否准确， 找出还存在的问题，为模型的修正提供依据。尽管计算机仿真已经表现出很强大 的生命力和适应性，但是目前还是无法完全取代费用昂贵的足尺寸试验。 第二章护栏的分类及设计原则 护栏作为高速公路上的基本安全设施，对促进交通安全起着积极而重要的作 用。高速公路护栏主要作用有：防止失控汽车冲出路外或越过中央分隔带的功 能：具有较强的吸收碰撞能量的能力；具有导向功能，使碰撞汽车改变行驶 方向；具有诱导视线的功能等。图2 1 为典型路侧护栏组成示意图。 m 寸三 一标准段一过溃段 过渡段，一标准段一 l “l 日日b 日丑i 1 日a 口”1 口口n ：ibbb 刖 穿函忑了= = = 忑= _ 一车i 劝，阿相向车流) 2 1 护栏的分类 图2 1典型路侧护栏组成示意图 高速公路防撞护栏的分类：按路段可分为一般路段防撞护栏和桥梁护栏； 按设置位置可分为路侧护栏和中央分隔带护栏。路侧护栏是指设置于高速公路 路肩上的护栏，目的是防止失控汽车越出路外，避免碰撞路边其它设施和汽车翻 出路外。中央分隔带护栏是指设置于公路中央分隔带内的护栏。目的是防止失控 汽车穿越中央分隔带闯入对向车道，并保护分隔带内的构造物；按其受力力学 特性可分为刚性护栏，半刚性护栏和柔性护栏三种形式。西欧标准委员会关于“道 路安全护栏”指导工作小组指出：对于通常道路范畴和道路分段主要用无张力能 量吸收型护栏系统；对于特殊路段，保护那些不涉及到事故中的第三者如铁路、 学校和化工厂，使用有张力或刚性系统道路护栏【l l 。 我国目前采用的护栏形式有波形梁护栏、混凝土护栏和缆索护栏。中央分隔 带主要采用波形粱和混凝土护栏，而路侧护栏除了少数路段使用缆索护栏外主要 采用波形梁护栏【3 。 f 1 ) 柔性护栏 柔性护栏是一种具有较大缓冲能力的韧性护栏结构。缆索护栏是柔性护栏的 主要代表形式，它是一种以数根施加初张力的缆索固定于立柱上而组成的结构， 主要通过缆索的拉应力来抵抗车辆的碰撞，吸收碰撞能量。如图2 2 所示，缆索 护栏由缆索、立柱和托架组成、缆索一般采用钢丝绳经过防锈处理镀锌。在国内 曾应用于宁合高速公路及江阴大桥主桥上。 图2 2 缆索护栏 实验资料表明这种护栏可以很好的引导8 2 0 2 0 0 0 k g 范围内的车辆( 实验 1 6 0 0 k g 小车，碰撞速度l o o k m h ，相对应于立柱间距1 2 4 9 m 时，其变形时2 1 3 3 m ) 忙】；护栏的缆索张力达到一定程度后，可以引导碰撞车辆，碰撞区立柱阻力 较小；减小立柱间距可在一定程度上减小碰撞中护栏的横向变形。 缆索护栏的主要优点是初始成本低，对车辆的包容性好，对较大尺寸范围的 车辆具有良好的引导作用，安装条件比较宽松；车辆与其碰撞后，车辆受到的减 速度的作用较小：另外这种护栏还可以防止堆积，能适用于于风雪和风沙地区。 其主要缺点是碰撞后相当大的范围内的缆索会失效；由于在碰撞中护栏会出现较 大的横向变形，所阻需要较大的净区。 但1 半刚性护栏 半刚性护栏是一种连续的梁栏式护柱结构，具有一定的刚性和柔性，一般指 的是梁式护栏。它是一种用支柱固定的梁式结构，依靠护栏的弯曲变形和张拉力 来抵抗汽车的碰撞。梁式护栏按不同的结构可分为w 型波形梁护栏、管梁护栏、 箱梁护栏等数种。它们均具有一定的刚度和韧性，通过横梁的变形吸收冲撞能量， 损坏部件容易更换，具有一定的视线诱导作用，外形美观，见图2 3 中的( a ) 和 ( b ) 。波形梁护栏具有较强的吸收碰撞能量的能力，具有较好的视线诱导功能， 能与道路线型协调，外形美观，可在小半径弯道使用，组合型波形粱护栏可在高 速公路窄中央分隔带使用，对于汽车越出路( 桥) 外，有可能造成严重后果的区 段可选择加强型波形梁护栏。 ( a ) 三梁护栏( 弱柱)( b ) 带防阻块波形梁护栏( 强柱) 图2 3 强柱和弱柱波形梁护栏 实验资料表明波形梁护栏可以引导8 0 0 2 0 0 0 k g 范围内的车辆f 碰撞试验， 2 1 0 0 k g 重的小货车，9 5 k m j h 车速、2 1 0 碰撞角，引导正确，其动态横向变形为o 6 0 ，9 m ) ；我国碰撞实验表明其可以应道1 0 0 0 k g 的货车( 1 5 0 碰撞角，6 0 k m h 车速) 以及2 0 0 0 k g 的小轿车( 2 5 。碰撞角，8 0 k m h 车速) 【2 j 。 从国内外实际应用情况看，波形梁护栏的应用最广，它是一种以波纹状钢护 栏板相互拼接并由立柱支撑而组成的连续结构，它利用土基、立柱、波形梁的变 形来吸收碰撞能量、并迫使失控汽车改变方向。其中立柱有z 型柱和圆型柱两种 形式，波形梁护栏普遍使用于路侧护栏，当使用于中央分隔带护栏时可采用两种 型式，即分设型和组合型。分设形相对于组合型，适合于中央分隔带较宽的路段， 但组合型护栏一旦受到碰撞后，维修量较大。 对波形梁护栏的设计主要是其高度的确定。合理的高度应使失控汽车与护栏 碰撞时，能作用于汽车的有效部位，即不使汽车越出护栏。又不致使汽车钻入护 栏的下面，应通过护栏的整体作用迫使失控汽车逐步转向，回复到正常的行驶方 向。目前规范中规定护栏安装高度即连接螺栓中心至地面的距离为6 0 c m ，有路 缘石时则相应加高护栏。 波形梁的施工包括构件的预制和安装，预制包括成形，打眼和防锈镀锌( 铝) ， 通常采用一条生产线一次完成。现场施工主要是立柱的施工和护栏板的安装。立 柱一般通过专用打桩机打入，当基础较坚硬时采用钻孔或挖孔，波形梁护栏施工 进度较混凝土护栏快速，安装费用低，波形梁护栏使用于中央分隔带时，高速公 路通信管线可埋于中央分隔带土层中。具体施工要求可参考文献 5 0 】。 ( 3 ) 刚性护栏 刚性护栏是一种基本不变形的护栏结构。混凝土护栏是刚性护栏的主要代表 形式。它是一种以一定形状的混凝土块相互连接而组成的墙式结构，利用失控车 辆与其碰撞后爬高并转向来吸收碰撞能量，如图2 4 所示。 由于在混凝土护栏与汽车碰撞时，在瞬问荷载的作用下，护栏基本上不发生 位移和变形，碰撞过程中的能量主要依靠汽车与护栏面接触并沿着护栏面爬高和 转向来吸收，在这一过程中事故汽车也逐步恢复到正常的行驶方向上，所以混凝 土护栏的截面形状和尺寸( 高度、宽度等) 对事故车辆在碰撞过程中表现出的响应 特性有直接的影响作用。目前有关规范中推荐的截面形式和尺寸是通过大量的试 验研究和理论分析获得的。通过对事故的统计与分析，对混凝土护栏的进行碰撞 试验，对现有的截面形状、尺寸进行不断更新和完善，逐步改善护栏对事故车辆、 乘员的安全防护性能。 混凝土护栏主要设置在道路的中央分隔带，也可以用于路侧。我国使用得较 多的是n j 型( 新泽西型) 和f 型( 改进型) 两种。n j 型是近年来实验得最多得护栏。 高8 1 0 m m 的护栏可以成功引导质量在8 2 0 2 0 0 0 k g 范围内的车辆；对f 型护栏， 小车的实车碰撞实验的最大顷翻小于n j 型。车辆碰撞后的损坏程度也很相似。f 型的加速度值也略小于n j 型。大车的实车碰撞实验表明，由于f 型护栏的坡面 较小，卡车前轮没有爬向护栏坡面的迹象。护栏使失控车辆改变行驶方向后，车 辆的尾部接触到护栏的顶面。但护栏施加在车辆尾部的稳定力使车辆免于顷翻。 f 型护栏对卡车的防护性能略优于n j 型。 1 4 图2 4 混凝土护栏( 单位：r l l l r l ) 2 2 护栏的设计条件与原则 护栏应该具有的功能使其成为一个矛盾的集合体。一方面在遭受碰撞后成员 的伤害要尽可能减轻、即要求具有良好的韧性，刚度不宜太大；但另一方面又要 求其具有足够的强度和刚度来抵抗车辆的冲撞，防止失控车辆越出护栏造成更大 的事故，并保护路侧设施不受破坏。当前在道路上行驶车辆的车型种类繁多，车 重、行驶速度和碰撞角度都变化较大，货车的外型尺寸越来越大，小汽车越来越 ， 微型化，这进一步加剧了护栏自身存在的功能要求方面的矛盾，同时也增加了确 定护栏结构形式的难度。这是世界各国研究人员至今仍在不断对护栏进行探索、 研究的原因之一。 西方发达国家对护栏的系统研究和大规模应用始于5 0 年代。几十年来，各国 都在努力探求适合本国国情的护栏设计标准。粗略看，似乎各个国家的护栏设计 条件、设计原则、护栏形式和构造都比较相似，但实际上各国都会根据自身的道 路交通条件和国民经济发展水平来制定自己的标准，这些标准的内容有不同的侧 重点，护栏的结构机理也有较大的区别。 要确定护栏的结构形式，首先就要探求合适的护栏设计条件，护栏的设计条 件决定了车辆与护栏发生碰撞时产生的冲撞力的大小以及车辆与护栏之间相互 作用的特性。车辆质量( 标准车型) 、碰撞速度和碰撞角度是设计条件的三大要 素【j j 。 ( 1 ) 车辆总质量 护栏试验研究所采用的车辆总质量( 标准车型) 与一个国家汽车的保有量及其 车辆构成有关。我国汽车工业与发达国家相比，还处于发展阶段。根据我国车辆 的构成特点，选择东风等中型货车作为我国护栏设计的标准车型。 另外，我国正处于经济迅速增长的时代，随着社会经济的迅速发展，小轿车 大量进入家庭是必然的趋势。有研究报告预测，到2 0 2 0 年我国的车辆构成将发 生质的变化，小型车所占的比重将会大大的增加。因此，选择小型车作为我国护 栏设计的另一标准车型。 ( 2 ) 碰撞速度 碰撞速度是指失控车辆在与护栏接触时的瞬时速度。它与车辆在道路上的f 常行驶速度是有区别的。道路上行驶的车辆在发生偶然事故时，驾驶员有可能采 取急刹车、转向等处理措施，因此一般均采取车辆最高时速的6 0 作为碰撞速度 的参考值。在我国考虑到目前及今后一段时期内车辆的总体水平和实际的平均行 驶速度相对偏低等因素，对卡车和小汽车推荐使用的碰撞速度分别是6 0 k m h 和 8 0 k m h 。 ( 3 ) 碰撞角度 碰撞角是指车辆与护栏碰撞时车辆纵轴线与护栏纵面之间的夹角( 取锐角 值) 。它与车型、行驶速度以及车辆在道路横断面上的行驶位置有关。碰撞角主 要通过事故现场资料及观测车辆越出路外的角度来分析确定。国外大量的调查资 料表明：小型车的冲撞角一般为1 5 。3 0 0 。大型车的冲撞角为1 0 0 2 5 。一般情 况下小型车的冲撞角比卡车等大型车的要大一些，主要与这两类车型在道路横断 面不同车道上的分布有关。国内高速公路的事故调查资料也得出类似的结果。故 推荐两种标准车型的碰撞角分别为1 5 0 和2 0 0 。 缆索护栏和混凝土护栏的结构机理世界各国的认识比较统一，因而相应的结 构形式也比较一致。而波形梁护栏却因机理不同，各国的结构形式也各有差异， 其中主要有以美国为代表的欧美式和以f j 本为代表的同式两种护栏结构机理。 r 式护栏的设计指导思想是从保护路侧建筑物或沿线设施不遭受破坏的观 点出发，首先要求护栏的横向变形量要小，进而再满足护栏的功能要求。这种形 式的护栏横梁和立柱的强度都比较高，相互之间的连接以及在土基中的埋设也比 较牢固，从而保证横梁、立柱以及地基能共同抵抗碰撞车辆的冲击，并且护栏的 横行变形保持在允许的范围内。 美国及西欧一些国家的道路交通情况与日本不同，其道路的设计标准比较 高，边坡平缓。因而其设计的指导思想是尽量减轻碰撞时车上乘员的伤亡程度。 在几十年研究的基础上，欧美一些国家提出了在保持横梁、立柱、地基共同作用 的前提下，重点保证横梁设计强度及其设置高度的结构设计机理。保证横梁的强 度，尤其是横梁间的连接强度，使其在冲撞过程中不产生断裂，以有效的防止车 辆越出路外：适当降低立柱的强度，在横梁为较强的连续梁时增加能同时承受冲 击作用的立柱数，保证护栏的整体效能。立柱主要起保持横梁设置高度的支撑作 用：在横梁与立柱之间增加吸能效果良好的防阻块，能缓解车辆与护栏立柱之间 的绊阻作用，改善护栏的安全防护性能，使车辆运动轨迹得到良好的校正。 美式护栏与日式护栏相比较，具有结构简单，刚度适中，施工安装方便，节 省材料，造价低廉等特点，因此除日本等少数几个国家外，世界上大多数国家都 以美式护栏结构机理来指导本国的波形粱护栏设计。根据我国的道路交通情况， 我国也采用美式护栏结构机理来进行波形梁护栏的设计。 1 7 第三章轿车一护栏碰撞系统的计算机仿真模型 3 1 仿真软件 本文将采用l s d y n a 软件，通过计算机仿真模拟来对所关心的问题进行研 究。通过将仿真结果与试验结果进行比较，验证仿真模型的正确性后，再利用这 个经过验证的有限元模型来对护栏做进一步的研究。 目前在模拟汽车碰撞方面，国外的研究机构和院校推出了许多有限元模拟计 算软件，但实际应用中常采用以下几种有限元软件：d y n a 3 d 、p a m c r a s h 和 m s c d y t r a n 。这些有限元软件的核心部分是以美国l a w r e n c el i v e m a o r e 国家 实验室在2 0 世纪7 0 年代开发的d y n a 公开版本的理论为基础。 l s d y n a 由l i v e r m o r es o f t w a r et e c h n o l o g yc o r p o r a t i o n 开发，是一个通用的 显式有限元程序，可以用来对三维结构的非线性动态响应进行分析。最早的 d y n a 3 d 是h a u q u i s t 在1 9 7 6 年发表的，最初的目的是用来解决穿甲弹爆炸问题， 主要应用于模拟较重物体的低速冲击过程，后来经过多次修改补充。1 9 8 6 年， d y n a 3 d 首次成功地模拟了整车的碰撞大变形过程。从1 9 8 8 年开始，h a l l q u i s t 丌始推出了专门用于汽车碰撞结构分析的软件l s d y n a ，这是改进的d y n a 3 d 。 它加入了解决空隙和摩擦界面的处理方法，引入了一百多中材料模型和状态方 程，改进了算法，引入了许多新的网络划分方法，建立了气囊模型和座椅安全带 模型，开发了前后处理用接口程序和图形软件。经过不断改进和发展，浚软件逐 步成熟。为了研究人体在碰撞过程中的损伤