（车辆工程专业论文）汽车与高速公路混凝土护栏碰撞事故分析及仿真研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着我国高速公路的迅猛发展，高速公路交通事故也呈逐年上升的趋势，高 速公路每年死亡人数占交通事故总人数的6 7 ，是普通公路的1 6 倍多在高速 公路交通事故中近三分之一的事故是车辆与护栏碰撞造成的，由此造成了巨大的 人员伤亡与财产损失，因此，在高速公路上设置合适的防撞护栏对交通事故的防 治具有重大作用。随着我国公路建设的蓬勃发展，护栏的需求量将迅猛增长，加 强护栏防碰撞领域内的研究己经迫在眉睫。 本文首先对国内外的交通事故及我国高速公路发展特点进行了简要的分析， 并对国内外高速公路护栏的研究做了概述，总结出计算机模拟法是当今世界范围 内进行护栏碰撞研究的一种行之有效的方法，随后对碰撞仿真软件m u d y m o 做了简单介绍。 然后，文章对高速公路护栏的种类、设计方法和性能的评估等方面进行了详 细讨论，同时论述了碰撞过程中乘员的致伤机制，指出了在汽车高速公路护栏 碰撞中致使乘员受伤最为严重的部位和原因，并对人体损伤参数和评估标准傲了 分析阐述。 本文基于碰撞仿真软件m a d y m o 建立了汽车的有限元模型和高速公路混 凝土护栏的多刚体模型，通过不同的碰撞初始条件对汽车与高速公路混凝土护栏 的碰撞过程以及碰撞中乘员的生物力学响应进行了分析研究，从中得出了一些宝 贵的结论。然后文章从两个方面对高速公路混凝土护栏的结构形式进行了优化研 究，并通过仿真实验对优化结果进行了验证，为今后混凝土护栏的结构优化及车 辆的改进提供了参考。 最后，本文总结了汽车与高速公路混凝土护栏碰撞中汽车和乘员的动态特性 和护栏的防护特性，提出了研究过程中遇到的一些问题，并对今后的研究目标做 出了展望。 关键词：汽车混凝土护栏碰撞高速公路计算机仿真护栏优化 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h e 酬随d e v e l o p m e n to ft h ef r e e w a yo fo u rc o u n t r y , f r e e w a yt t a f f i c a c c i d e n t sa l s os u b m i tt h et e n d e n c yt h a tg o e su py e a rb yy e a r , e v e r yy e a rp e o p l ew h o d i e do nf r e e w a yt a k e st h e6 7 o ft o t a lp e o p l ed i e di nt r a f 五ca c c i d e n t s , i ti sm o l lt h a n 1 6t i m e so fo r d i n a r yf r e e w a y i nf r e e w a y 倘ca c c i d e n t s , n e a l 1 3i sc a u s e db y v e h i c l ei m p a c t i n gw i t hg u a r d r a i l ，b yt h i s ，i th a sc a u s e dh u g ep e r s o n a lc a s u a l t i e sa n d p r o p e r t yl o s s ，t h e r e f o r e ，i n s t a l l i n gt h es u i t a b l eg u a r d r a i lo nf r e e w a yh a ss i g n i f i c a n t e f f e c t so np r e v e n t i n gt r a f f i ca c c i d e n t s a l o n gw i t ht h ev i g o r o u sd e v e l o p m e n to ft h e f r e e w a yc o n s t r u c t i o no fo u rc o u n t r y , t h ed e m a n do fg u a r d r a i lw i l li n c n a s er a p i d i y , s o i ti se x t r e m e l yu r g e n tt oe n h a n c et h er e s e a r c hi nf i e l do fg u a r d r a i l t h i sp a p e rf i r s t l yh a st a k e nab r i e fa n a l y s i so nd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lt l a f 丽c a c c i d e n t sa n dd e v e l o p m e n tc h a r a c t e r i s t i co ft h ef r e e w a yo fo n rc o u n t r y , a n dm a d ea g e n e r a ls t a t e m e n to nt h er e s e a r c ho fd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lf r e e w a yg u a r d r a i l ， t h e ni tt a k e nac o n c l u s i o nt h a tc o m p u t e rs i m u l a t i o nm e t h o di sa ne f f e c t i v em e t h o df o r g u a r d r a l ir e s e a r c hi nw o r l d w i d es c o p en o w , a f t e r w a r d s , i tm a d eas i m p l ei n t r o d u c t i o n f o rc o l l i s i o ns i m u l a t i o ns o f t w a r em a d y m o t h e nt h i sa r t i c l eh a sc a r r i e do u tad e t a i l e dd i s c u s s i o nf o rt h ea s p e - t ss u c ha st h e r i n d , t h ed e s i g nm e t h o da sw e l la st h ea s s e s s m e n to fp e r f o r m a n c eo ff r e e w a y g u a r d r a u , 砒t h es a m et i m ei t h a sd i s c u s s e dp a s s e n g e r si n j m ym e c h a n i s mi nt h e c o u i t 记o fc o l l i s i o n , a n dh a sp o i n t e do u tt h em o s ts e r i o u si n j u r e dp o s i t i o n sa n dr e a s o n s t h a tc a u s e dp a s s e n g e ri n j u r e di na u t o m o b i l e - f r e e w a yg u a r d r a i lc o l l i s i o n , t h e ni t a n a l y s e da n de x p o u n d e dt h ed a m a g ep a r a m e t e ra n de v a l u a t i o ns t a n d a r do fh u m a n b o d y t h i sp a p e rh a se s t a b l i s h e dt h e f i n i t e de l e m e n tm o d e lo fa u t o m o b i l ea n dt h e m u l t i - r i g i dm o d e lo ff r e e w a yc o n c r e t eg u a r d r a l lb a s e do nm a d y m os o f t w a r e ， t h r o u g hd i f f e r e n ti n i t i a lc o l l i s i o nc o n d i t i o n s ，i th a sa n a l y s e dt h eg o u r s eo fa u t o m o b i l e c o l l i d i n gw i t hf r e e w a yc o n c r e t eg u a r d r a i la sw e l la st h eb i o l o g i c a lm e c h a n i c sr e s p o n d o fp a s s e n g e r si nt h ec o u r s eo fc o l l i s i o n , f r o mw h i c h ，w eh a v er e a c h e ds o m ev a l u a b l e c o n c l u s i o n s t h e nt h i sa r t i c l eh a v ec a r r i e do u t o p t i m i z a t i o n r e s e a r c hf o rt h e c o n f i g u r a t i o no ff r e e w a yc o n c r e t eg u a r d r a i lf r o mt w oa s p e c t s , a n dt h r o u g hs i m u l a t i o n i th a sv e r i f e do p t i m i z a t i o nr e s u l t s 。w h i c ho f f e r e dr e f e r e n c ef o rt h es t r u c t u r a l n 武汉理工大学硕士学位论文 o p t i m i z a t i o no f c o n c r e t eg u a r d r a i ! a n dt h ei m p r o v e m e n to f v e h i c l e i l lt h ef u t u r e f i n a l l y , t h i sp a p e rh a ss u m m a r i z e dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fa u t o m o b i l ea n d p a s s e n g e r a n d d e f e n d i n g c h a r a c t e r i s t i c so f g u a r & r a i l i n t h ec o n l o f a u t o m o b r e f r e e w a yc o n q e l eg u a r d r a i lc o l l i s i o n , a n dh a sp u tf o r w a r ds o m ep r o b l e m s t h a tm e ti nr e s e a r c hc o u r s e ，i nt h el a s ti tm a d eap r o s p e c tf o r t h er e s e a r c hg o a li nt h e f u t u r e k e y w o r d s a u t o m o b i l e - f r e e w a yc o n c r e t eg m m ：l a r a i lc o l l i s i o n ；f r e e w a y ；c o m p u t e r s i m u l a t i o n ；g u a r d r a i lo p t i m i z a t i o n m 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第1 章引言 1 1 1 我国高速公路发展状况及特点 我国高速公路建设始于1 9 潞年，1 9 8 9 年1 0 月3 1 日，我国第一条高速公路： 上海一嘉定高速公路建成通车之后相继建成了沈大、京津塘、济青、成渝、京 石、沪宁、太旧等高速公路2 0 0 2 年年底，我国高速公路通车里程一举突破2 5 万公里，位居世界第二位，2 0 0 4 年年底超过3 万公里除西藏外，各省、自治 区和直辖市都已拥有高速公路，有1 5 个省份的高速公路里程超过1 0 0 0 公里今 后一段时期，我国高速公路建设仍将保持高速发展 根据我国的公路工程技术标准，我国高速公路具有以下特点由于我国人口 众多，土地宝贵，高速公路边坡取值偏陡，也就是说，相对地增加了路侧的危险 性；在经济比较发达的地区，高速公路沿线村镇密集，下穿通道很多，也意味着 要抬高路堤高度，从而增加路侧的危险性除了路堤高度比较高，边坡比较陡以 外，中央分隔带、路缘带、路肩等的宽度与国外标准相比也偏向下限值。正是由 于这些原因，我国高速公路交通事故发生率比国外要高很多。 1 1 2 国内外交通事故统计分析 随着人们安全意识的逐年提高，交通事故己经成为举世关注的热点问题。据 统计，目前全世界在每年的车祸中有：7 0 多万人死亡，1 2 0 0 多万人伤残，5 亿 多美元的直接经济损失。在我国则更严重，我国的汽车总拥有量只占世界的2 ， 而交通事故死亡人数却占世界的1 5 在高速公路上，我国的交通事故也同样触 目惊心交通事故每死三个人中就有两个死在高速公路上，即高速公路每年死亡 人数占交通事故总人数的6 7 。在我国的高速公路上，事故发生率呈现出逐年上 升的势头，平均每公里发生1 3 0 余起事故，是普通公路的1 6 倍多。如图1 1 所 示的我国历年高速公路交通事故发生数可以看出这种趋势，高速公路交通事故几 与高速公路的建设成正比。 武汉理工大学硕士学位论文 图1 1 我国历年高速公路交通事故发生数( 单位：起) 统计表明，在我国的道路交通事故中，发生在普通干线公路上的约有 4 5 、发生在高速公路上的约有3 0 是车辆越出路外造成的，且由此造成的特、 重大恶性交通事故占该类事故总数的比例达6 2 以上。我国每年有1 3 的死亡事 故发生在车辆与路侧碰撞的单车事故中l “，且呈逐年上升趋势。汽车与高速公路 护栏的碰撞是极其复杂的事件，事故发生时汽车的速度通常很高，同时伴随着大 能量的变化，事故非常剧烈，从而导致材料和部件的严重失效及汽车的改向。高 速公路交通安全在过去的几十年中已得到了很大的改善，最明显的是死亡率的持 续下降例如，从1 9 6 6 年到1 9 9 0 年，美国的单车事故和越出道路碰撞事故的死 亡率下降了三分之二多，从每亿汽车里程的1 9 降到0 6 。道路安全得到改善的 一部分原因是汽车设计的改进和增加了乘员约束的使用；但是，路侧安全设施的 设计和特性的改善同样起到了很大的作用。尽管在过去的几十年路侧安全取得了 很大的进步，但是许多主要的路侧安全问题仍然很严重 高速公路交通事故的增长与其自身的交通安全设施有一定的关系，安全护栏 一直是高速公路的一个突出问题，其引发的交通事故都是恶性的。因此，在公路 上特别是在高速公路上设置合适的防撞护栏对交通事故的防治尤其是对特、重大 恶性交通事故的防治，具有重大作用，而且，它不仅关系到人们的生命安全，同 时还对塑造我国道路交通安全新形象具有重大意义。随着我国公路建设的蓬勃发 展，护栏的需求量将迅猛增长，加强护栏防碰撞领域内的研究已经迫在眉睫。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 国内外高速公路护栏的研究现状 1 2 1 研究概况 护栏，作为高速公路上的主要安全设施，在世界范围内很早就受到了人们的 广泛重视。国外公路交通较发达的国家在高速公路出现的初期就着手于护栏结构 的研究。例如，美国从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，通过实车足尺护拦碰撞验证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 设施的一系列的研究工作以及编写各种设计规范法国、英国、德国等国家也在 很早就开始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，并在名神高速公路开始正规使用护栏在短短十几年中，日本的众多研 究机构对各种护栏结构进行了广泛深入的开发研究，于1 9 6 5 年制定了护栏设置纲 要，对护栏的适用范围，结构设计，功能要求、施工安装等方面作出了明确的规 定。至此形成了美、日两种典型的护栏形式。其它许多国家，大致在5 0 、6 0 年代， 也相继开展了各自国家的护栏结构的设计标准的研究。 国外不少研究人员对汽车与路侧设旌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 y 1 2 j 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 l 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，如加速度时间曲线、速度时间曲线、位移时间曲线，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 tt h o m s o n 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 实际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。 我国在。七五”期间开始针对高速公路护栏的设计，生产与施工等方面开展 研究工作。交通部公路科学研究所从1 9 8 4 年开始对波形梁护栏进行了系统的研 究，根据我国的护栏设计条件，提出了适合我国国情的护栏结构形式。该结构采 用厚度3 m m 的深波纹横梁，z 字形开口型钢立柱的形式，从1 9 8 9 年起在全国推广应 用。但根据随后几年的在高速公路、一级公路的工程实践得出，z 形柱强度太弱， 损坏严重，不利于行车安全。故交通部公路管理司于1 9 9 4 年5 月下令停止使用波 形梁护栏“z ”形柱。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 对全国己通车的高速公路护栏的使用情况作了调查。据此拟定了“波形梁护栏实 武汉理工大学硕士学位论文 车碰撞试验方案”。经交通部工管司批准，公司联系了近十个单位组织了近百人 的实验研究课题组，进行了一年多的工作，完成了我国第一次实车足尺碰撞试验 的研究任务，建立了一整套实验方法和设旌，紧接着公司又承担了“玻璃钢护栏 的实验研究”工作并通过分析、计算和实验圆满地完成了这项工作1 9 9 2 年底， 交通部公路科学研究所在总结全国护栏实际应用的基础上，推出了新型的变截面 波形梁护栏结构形式。该结构由于横梁采用变截面形式，横梁在搭接处结合紧密， 使高强螺栓的性能得以充分发挥，横梁在搭接处产生断裂的可能性大为减小，从 而保证了横梁的连续梁作用，并使线形更加顺适美观，造价降低该结构形式已 应用于首都机场和成渝高速公路，并将作为我国公路护栏的基本结构形式列入交 通行业标准，在全国推广应用。到1 9 9 4 年初我国制定了行业标准( j t j 0 7 4 9 4 ) 高速公路交通安全设施设计及旄工技术规范；到1 9 9 7 年，交通部公路科学研 究所就开发了可用于高速公路设旌碰撞研究的试验手段，为防撞护栏的试验研究 创造了更好的条件。近年来随着经济建设和高速公路投入运营，重型车和大型车 的比例突增，由于其吨位大、车速高使得目前高速公路上使用的波形梁护栏已经 不能满足其安全要求，从而引发的事故严重度很高。2 0 0 0 年交通部编写发布了公 路三波形梁钢护栏行业标准并推广应用，主要用于重型车，大型车比例高的路 段和山区高速公路等地形不利之处。 在国内众多相关学者的不懈努力下，我国高速公路防撞护栏理论研究也取得 了一些可喜成果。1 9 9 5 年，中国公路工程咨询监理总公司的刘少源提出高速公路 汽车与护栏碰撞的简化计算方法柔性梁法，该方法通过质点( 车) 在梁柱结构 ( 横粱为柔性，立柱为刚塑性或弹塑性) 上滚动，来模拟汽车与护栏的动力碰撞 过程，可得到车辆碰撞过程的运动轨迹及护栏位移。其认为波形梁没有出现明显 的塑性流动，忽略车体本身的变形且车与地面及车与护栏之问的摩擦也不考虑。 1 9 9 6 年，中国农业大学的周志斌、冯联杰等人运用计算机仿真技术，对汽车同护 栏等路边设施的碰撞过程进行了仿真分析，确定了汽车一护栏的弹性碰撞模型并 描述了逻辑判断，提出了汽车与护栏碰撞后汽车的接触面积、碰撞力和碰撞力矩 的算法，但他们将汽车与护栏都看成弹性体，这与碰撞时真实的弹塑性大变形情 况存有较大的偏差。1 9 9 7 年中国矿业大学李华介绍一种在碰撞中能保持高度的高 速公路组合型护栏，并根据其结构及其受力分析，提出护栏的简化计算模型。在 此基础上，提出一种数值模拟护栏受冲击变形的方法。此方法具有简单，能较准 确地模拟护栏变形等特点而继张誉教授对刚性护栏的先行研究之后，同济大学 的石红星、沈阳建筑工程学院的阎小平，姚启明和华南理工大学的钟云华等人也 先后采用机械振动学方法进行了混凝土护栏的碰撞安全性研究，但却一直没能摆 脱该方法所固有的抗力元件的非线性特性难于预先准确测定的顽疾。2 0 0 0 年长沙 4 武汉理工大学硕士学位论文 交通学院雷正保教授建立了一个用于摆锤撞击半刚性护栏过程分析的有限元模 型，利用显式有限元方法准确地模拟护栏受摆锤撞击后的大变形过程，并在国内 不具备开展摆锤撞击护栏试验的条件下利用间接方法验证了模型的准确性，同时 也间接显示了动态显式有限元方法在护栏碰撞研究领域中的威力。2 0 0 1 年长沙交 通学院雷正保教授运用系统工程思想，提出将汽车与半刚性护栏这个碰撞系统作 为一个完整耦合的大系统来研究半刚性护栏防撞新机理的先进理念，并系统阐述 了半刚性护栏防撞新机理的基本思想，在宏观上跨越性地指出了半刚性防撞护栏 研究思路的新方向。 虽然我国的公路防撞护栏在研究和实践上都取得了一定的进步，但从整体水 平上与国外相比仍然存在很大的差距主要表现为：一方面虽然我国高速公路上 已经安装了各种结构形式的护栏，但其设计基本都是参照国外的有关标准和规范 进行的，严重缺乏实验过程和技术数据，更没有自主知识产权，这与我国所面临 的w i o 规则是严重相背的。另一方面，实际上各国交通环境条件及车型不尽相同， 针对我国的具体情况，研究开发适合我国国情的新型高速公路护栏，充分开展护 栏冲击过程的吸能导向特性及其反应的研究，为我国护栏设计积累必要的技术数 据，是目前亟须解决的课题。 1 2 2 研究方法概述 ( 1 ) 研究方法 目前对汽车护栏碰撞研究的方法主要有三种：实车碰撞试验法、缩尺模型 试验法和计算机仿真模拟法。 实车足尺寸碰撞试验是用实际车辆撞击护栏来模拟现实交通事故的一种 研究方法。它可以得到车辆在撞击过程中的运动轨迹和运动姿态、车辆与护栏的 变形和损伤特征以及碰撞冲击力等真实可信的技术参数，是护栏结构设计和验证 其他研究方法的直接依据。它虽然真实可靠，但耗资很大，具有一定的危险性， 不可能反复进行多次试验。 缩尺模型试验法是一种将实际汽车护栏或其中的一部分梅件按一定比例 缩小进行模拟试验的方法。它可以在实验室进行，具有试验成本低、试验过程易 于控制、变换参数容易、可采用多组试件反复进行等众多优点，是对护栏进行撞 击特性、撞击刚度、能量吸收能力等物理力学特性研究的一种经济有效的试验方 法。但需解决动力模拟相似性的问题。 计算机仿真模拟法是根据力学原理，通过理论分析建立数学模型，利用计 算机进行数值模拟计算的方法。它能进行多次重复试验，并能针对各种结构参数 的变化计算出碰撞的反应，是一种行之有效的方法。目l j 在模拟汽车碰撞方面， 武汉理工大学硕士学位论文 国内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 以下几种商业化的有限元软件：l s d y n a 、p a m c r a s h 和m s a d y r ra n 这些有限元软件的核心部分是以美国i 删瑚c cl i v e m o r e 国家试验室在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有限元数值分析是一种适用有效 且快速经济的研究方法，但此种方法对计算机要求比较高 1 2 3 计算机仿真软件m a d y m o 简介1 3 】 m a d y l v l 0 ( m a t h e m a t i cd y 蚰m i cm o d e l ) 研究始于1 9 7 3 年，是荷兰t n o 与荷兰d e l f t 技术大学合作开发的1 9 7 5 年完成了2 d 和3 d 两个版本的软件编 制，1 9 8 3 年推出外部使用的第一个版本( 版本3 ) ，随后t n o 不断对其进行改进。 m a d y m o 是模拟物理系统动力学响应的计算程序，重点应用在车辆碰撞和乘员 损伤分析m a d y m o 适用于研究汽车碰撞过程中乘员的响应，评价各种约束 系统的设计参数的影响，如座椅、安全带和安全气囊；而且也广泛用于分析其它 交通工具的碰撞，如火车、飞机、摩托车、自行车。 m a d y m o 将多体系统和有限元完美结合，其中多体系统适用于模拟通过 运动铰连接的多刚体运动，有限元适用于模拟结构的变形。m a d y m o 模型可 以只包含有限元系统，也可以只有多体系统，或两者都有。如图1 2 所示： u s e rr o u t i n e s a i r b a gl o a d i n g 图1 2m a d y m o 结构图 m a d y m o 的运动方程用拉格朗同方程导出，使用龙格库塔法 ( r u n g e k u t t a ) 求解。除了描述的运动和相互接触作用外，多刚体系统的运动 还受来自弹簧、阻尼、约束系统的作用力影响。m a d y m o 还提供了一系列标准 作用力模型，例如k e l v i n 和m a x w e l l 单元，安全带和气袋等。 m a d y m o 除了可以用来计算加速度、位移和接触力这些标准输出量外，还 提供了。些人体伤害指数的计算。例如头部伤害指数( h l c ) 、严重程度指数 武汉理工大学硕士学位论文 ( g s i ) 、胸部( 合成) 加速度值( 3 m s 指数3 m s ) 、胸部伤害指数( 1 1 1 ) 、粘性 指数( v c ) 、大腿骨轴向载荷等。 在汽车护栏的碰撞研究中，对于乘员的模拟计算之所以采用多刚体的假人 模型，主要是由于有限元假人的单元数目过大，计算时要占用大量的c p u 时间； 而且，在模拟法规试验中最终需要得到的只是假人头部、胸部和大腿等部位总体 的响应和受力，因此在假人建模时采用多刚体模型就可以满足要求。只有在研究 人体损伤并需要得到加速度和载荷分布时，才建立假人局部或整体的有限元模 型 1 3 汽车碰撞安全法规 为了减轻汽车碰撞事故对人类造成的危害，汽车工业发达国家先后针对汽车 碰撞事故中常见的人体损伤和和其它危害制定了相应的汽车碰撞安全法规。其中 最著名的是美国和欧洲的碰撞安全法规，除此之外，日本、澳大利亚和我国也都 先后建立了自己的碰撞安全法规。汽车安全法规一般包括防止事故发生、减轻碰 撞事故时对乘员的损伤以及发生故事故后的防护等内容。对车辆而言，最难以满 足的性能要求也就是法规关于碰撞安全性方面的要求。 碰撞安全法规主要规定车辆对车内乘员、路上行人的碰撞保护性能目前， 美国、欧洲、日本和澳大利亚等国家的汽车碰撞安全法规针对的主要碰撞事故类 型是前碰撞( 包括正面碰撞与偏置碰撞) 和侧面碰撞，但发展的方向会将行人碰撞 保护包括在内，目前碰撞安全法规主要是针对轿车而制定的，并将逐步扩大到轻 型载货汽车、多用途客车等车型上。 相对于欧、美、日等汽车工业发达国家来说，我国的汽车碰撞安全法规制定 得较晚，直到2 0 0 2 年才开始实旌，并且目前法规涉及的主要内容也只是车辆前 部正面碰撞，其中最主要的法规是c m v d r 2 9 4 - 关于正面碰撞乘员保护的设计 规则h 。 按照c m v d r 2 9 4 的技术要求n 对试验车辆碰撞性能的评价还可以分为对 车身的要求、对乘员约束系统的要求、对假人损伤指标的要求以及对燃油泄漏的 要求等。 1 ) 对车身碰撞性能的要求 1 ) 在碰撞过程中车门不得开启。 2 ) 在碰撞过程中，门前锁止系统不得发生锁止。 3 ) 碰撞后，不使用任何工具，每排车门至少有一个车门能够打开。 ( 2 ) 对乘员约束系统的要求 1 ) 碰撞后，安全带系统完好，织带不能断裂，固定点不得脱落，锁扣不得 武汉理工大学硕士学位论文 自动开启或脱落，但在锁扣上旋加不超过6 0 n 的压力，锁扣应能打开。 2 ) 碰撞后不应有能够伤害假人的突出物侵入乘员室，假人应能完好地取出 ( 3 ) 对假人损伤指标的要求 1 ) 碰撞过程中，假人头部综合性能指标i - i p c ( h i c ) 1 0 ( 1 0 。 2 ) 碰撞过程中，假人胸部性能指标t h p c ( 胸骨相对于脊椎的压缩量) 7 5 m m 。 3 ) 碰撞过程中，假人大腿性能指标f p c ( 大腿骨的轴向压力) 1 0 k n 。 ( 4 ) 对燃油系统完整性的要求 1 ) 碰撞过程中，燃料供给系统不允许发生泄漏。 2 ) 碰撞过程结束后，若燃料系统存在连续泄露，那么，其泄漏率不得超过 3 0 9 r a i n 目前，我国强制性实施的汽车碰撞安全法规主要体现在c m v r d 2 9 4 上，侧 碰撞法规等正在计划与制定中，所以相对于欧、美、日等汽车工业发达的国家来 说，我国的汽车碰撞安全法规还欠完善。另外，我国的道路交通也有自己的特点， 应通过深入的调查研究建立相应的法规，比如，大型货车在我国造成的交通事故 死亡率很高，而死亡对象主要是碰撞中的对方，但目前缺乏相应的碰撞法规对其 进行约束；又如，我国的交通模式主要是混合交通模式，即在普通公路上都是机 动车、非机动车及行人混行的状况，而行人、骑自行车或摩托车者在交通事故中 所占的死亡人数比例也很高，但我国目前尚未建立汽车与行人、骑自行车或摩托 车者的碰撞保护评价方法。当然，还有儿童乘员的碰撞保护问题、安全气囊的作 用问题等，都是需要尽快加以研究和立法的。因此，紧跟国际形势，并针对我国 道路交通的具体实际情况，全面制定和实施更加系统和完善的汽车碰撞安全法 规，将使我国汽车行业政府部门下一步所要加紧进行的工作 1 4 本文主要的研究内容 型； ( 1 ) 应用m a d y m o 软件建立轿车、混凝土护栏的有限元模型和多刚体模 ( 2 ) 对汽车与高速公路混凝土护栏碰撞事故进行仿真； ( 3 ) 分析不同碰撞状态下护栏对汽车的防护效果； ( 4 ) 优化护栏参数，实现其在碰撞过程中对汽车和乘员的最佳保护目的 8 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章护栏装置 护栏作为高速公路的基本安全设施，对促进高速公路的交通安全起着积极而 重要的作用。高速公路护栏的合理设置能直接削减交通事故的死亡率嘲，其主要 作用有：阻止失控车辆冲出路外或进入危险区域，伤害路边行人及自身安全； 吸收碰撞能量；导向，使碰撞汽车改变行驶方向，对乘客的伤害减至最低； 视线诱导功能等 2 1 护栏的种类 高速公路护栏的分类有几种方式，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，目的是防止失控车辆越出路外，避免撞到路边其他设施和 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：按护栏 的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 和混凝土护栏，路侧护栏除了少数路段使用缆索护栏外主要采用波形护栏n 2 1 1 刚性护栏 刚性护栏是一种汽车冲撞后基本不变形的护栏结构，混凝土护栏是刚性护栏 的主要形式，它是以一定断面形状的混凝土块互相连接而组成的墙式结构，利用 失控车辆碰撞护栏后爬高、变形、摩擦并转向来吸收碰撞能量。由于混凝土护栏 与汽车碰撞时，在瞬间移动载荷的作用下，护栏基本上不移动不变形，碰撞中的 能量主要是依靠汽车与护栏面接触并沿着护栏爬高和转向来吸收，同时碰撞汽车 也恢复到正常行驶方向，所以混凝土护栏的截面形状和尺寸( 高度、宽度等) 直 接影响碰撞作用效果。混凝土护栏的分类如表2 1 所示。 表2 1 混凝土护栏的分类 安装位置防撞等级构造特征基础处理方式 护栏代号 中央分隔 a m 嵌锁在基层中 g w b - a m e m 带 钢筋连接 g w b - a m r 9 武汉理工大学硕士学位论文 嵌锁在基层中g w m o a m - e m 钢筋连接 g w m - a m - r 路侧a 埋置在基层中 g w b - a - e i 与下面构造物连接 g w b - a - e 2 目前，国内外混凝土护栏一般都采用上、下双斜面的结构形式，见图2 1 - 其下斜面较缓用于抬升汽车，将动能转化为势能，减缓冲击速度，而其上斜面较 陡用于拦阻汽车，防止车辆越出路外或闯入对向车道。 图2 1 混凝土护栏( 单位：m m ) 混凝土安全护栏的高度一般设计为8 1 0 m m ，当存在危险的坡道和弯道时， 则将其加高。目前有关规范中推荐的截面形状和尺寸是通过大量的试验研究和理 论分析而获得的，通过对事故的统计与分析，对混凝土护栏的试验碰撞，对以前 的截面进行不断更新和完善逐步获得的混凝土护栏适合于中央分隔带较窄和不 宽路段，对路侧十分危险的路段亦较适合。由于此类护栏能够有效拦阻各类车辆， 因此混凝土护栏是桥梁、高架公路及山区危险山路等绝对禁止车辆驶出路外的路 段所首选的护栏形式。 混凝士护栏的制造、养护和维修费用低，一般情况下不需维修，安装形式灵 活，可浇注安装，亦可直接立于地面之上，特别适用于路边临时施工区及某些单 向车道它设置于中央分隔带时，对中央分隔带宽度几乎没有要求，能容下自身 宽度即可，因而能够减少公路占地面积，对穿越城区的路段极为有利。 2 1 2 半刚性护栏 半刚性护栏是指具有一定刚性和柔性特征的钢制梁柱护栏，一般指增强型的 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 波形梁护栏、箱行梁护栏它们具有一定的视线诱导作用，外形美观。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，能与道路线性协 调，外形美观，可在小半径弯道使用，组合型波形梁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，又可能造成严重后果的区段可选择加强型 波形梁护栏。 图2 2 波形梁护栏 波形梁护栏( 如图2 2 所示) 是由钢制横梁相互拼接并由立柱支撑的连续梁 柱式结构，利用横梁、立柱、地基共同变形吸收碰撞能量，并迫使汽车改变方向， 汽车变形比刚性护栏碰撞产生的变形要小，主要用于允许护栏产生一定位移的地 段，是国内外道路护栏采用较多的结构形式。波形梁护栏是普遍使用路侧护栏， 当使用于中央分隔带护栏时可采用两种形式，即分设型和组合型。分设型相对于 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 较大但试验表明，汽车的碰撞角和碰撞速度较大时，汽车和护栏均受损严重 我国目前波形粱护栏根据立柱的形式不同划分为圆形立柱护栏和z 形立柱护栏 立柱主要受力为横向冲击力、纵向冲击力和扭力。横向冲击力和纵向冲击力主要 在立柱根部产生弯矩，使其根部材料屈服产生很大的弯曲变形，直至倒伏扭力 使横梁变形并引发立柱的扭转。对于不同截面的立柱，扭力产生的后果相差很大 在目前结构尺寸条件下，由于z 形立柱护栏较为经济，所以在我国高速公路上z 形立柱护栏最多，但是根据实际使用效果的调查与分析，z 形立柱护栏扭曲破坏 严重，力的传递效果差，使护栏参与的跨数少这是由于z 形立柱护栏垂直于道 路纵向抗弯刚度大，平行于道路纵向抗弯刚度小，而汽车实际上是以任意方向与 护栏碰撞的，立柱很容易产生较大扭矩而导致扭曲破坏。而圆形立柱护栏的破坏 主要是由弯矩引起的。另外，由于扭矩不引起圆形立柱截面形状的改变，所以扭 矩对圆形立柱承受弯矩的能力没有影响。 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 3 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， 它主要依靠缆索的拉应力来抵抗汽车的碰撞，吸收碰撞能量。缆索在弹性范围内 工作，几乎不需要更换这种护栏形式美观，汽车行驶时没有压迫感，但视线诱 导效果差。 缆索护栏由缆索，立柱和托架组成，缆索一般通过钢丝绳经过防锈处理镀锌 ( 铝) 制作而成。缆索护栏在纵向上可以分为端部、中间支柱部和中间端部，其 装配如图2 3 ( a ) 所示缆索护栏可适用于路侧护栏和中央分隔带护栏当用于 中央分隔带护栏时，两侧缆索通过一根柱相联，可用于中央分隔带较窄的路段。 最早的缆索安全护栏是由美国纽约州和加利福尼亚州于2 0 世纪5 0 年代晚期开发 的，缆索的数量由2 索增加到目前的3 索和4 索。目前使用比较多的是3 索护栏。 的一孔 c a ) 中央分隔带缆索护栏装配图( a 级) ( b ) 路侧缆索护栏 图2 3 缆索护栏及其装配图 缆索护栏对入侵角的适用范围广，对肇事车辆进行拦阻时车辆减速度小，有 利于保障车上乘员的安全，但其制造、养护和维修费用相对较高。此类护栏设置 武汉理工大学硕士学位论文 于中央分隔带时，要求中央分隔带有较大宽度作为缓冲地带，使得公路占地面积 大。 2 2 护栏的设计方法 2 2 1 护栏的设计条件 护栏要实现对车辆的防护作用，就必须进行正确的设计要想防止汽车越出 道路，就必须要求护栏具有一定的力学强度和刚度，才能抵挡汽车的冲撞但是 从保护乘员免受伤害或减轻伤害程度的角度考虑，护栏的刚度也不能太大不同 国家在选择和决定护栏设计的原则时，都要结合本国的实际道路交通条件，在满 足护栏基本功能的前提下，决定设计目标的侧重点表2 卵列出了一些国家护 栏的设计条件 表2 2 一些国家护栏的设计条件 碰撞车质量碰撞速度碰撞角度垂直作用于护栏的能量 国家 ( t )( k m h )( 。)( j ) 6 0 1 3 1 旷 日本 1 41 5 8 0 2 3 1 0 5 美国 29 6 2 5 1 33 1 旷 英国 1 5 1 1 3 2 0 8 8 l o 8 02 03 6 x 1 0 1 2 5舳3 0 7 - 7 l o 法国 1 2 0 5 7 x l o 3 58 03 0 2 2 x 1 旷 1 2 o7 0 2 0 2 7 x l o s 3 8 o7 0 2 0 8 4 x 1 0 5 o 5 2 01 2 02 03 2 xl o 1 3 l o 荷兰 3 5 1 0 o 8 5 2 0 1 1 l 旷1 6 l 旷 1 0 1 0 0 2 04 5 x l o * 德国 1 0 o 7 0 2 0 2 3 l 旷 意犬利 1 5 1 1 3 2 0 8 8 x l o * 瑞典 2 o9 62 5 1 3 x 1 0 5 除了上述设计条件外，为了保护乘客减少碰撞时对乘客的伤害，护栏的设计 还要考虑刚度问题。护栏的刚柔程度通常是以汽车碰撞护栏时产生的加速度来衡 量的，一旦汽车失控越出路外而与护栏发生碰撞，不但对车体，而且对司乘人员 均作用冲击减加速度。当受到的减加速度达到某一值时，就会对人体造成某种程 度的伤害。美国建议的最大加速度值如表2 3 1 9 i 所示。 表2 3 汽车碰撞时最大加速度值 l 乘员约束条件e _ 面币r i 藩莲箬篙王 _ 习 武汉理工大学硕士学位论文 i无约束情况 3 95 96 9i 要带式安全带 5 9l o g1 2 9 i 【三点式安全带 1 5 92 5 92 5 9l 注：g - - - 9 8 1 m s 2 根据我国的道路条件和交通条件，经统计调查【9 】，在我国公路上行驶的车辆 中有8 0 是中型以下的车辆，其总质量在1 0 t 以下。碰撞角是指车辆冲击方向与 护栏纵面所成的夹角它与道路等级、车辆的种类、行驶速度和车辆在车道上的 位置有关。国外主要通过事故现场调查或野外观测获得车辆越出路外的角度来确 定，一般情况下，规定卡车的碰撞角度为1 5 。，小汽车的碰撞角为2 0 。2 s 。 我国没有事故现场调查方面的资料，根据国外资料，并结合我国高速公路的特点， 规定小汽车的碰撞角为2 0 。，卡车的碰撞角为1 5 考虑到我国道路侧向余宽 一般较小、边坡偏陡等因素，把车辆平均运行速度近似为碰撞速度，而不是通常 的作法，平均运行速度按行车速度的8 0 计算。 根据高速公路交通安全设施设计及施工技术规范中规定，设置于公路路 基上的护栏，按防撞等级划分，路侧护栏有：a 、s 两级；中央分隔带护栏有： a m 、s m 两级每一种防撞等级的护栏所适用的公路等级及其设计条件如表2 4 所示。 表2 4 每一种防撞等级的护栏所适用的公路等级及其设计条件 设防设计条件 置撞 适用范围 车辆碰车辆的 碰撞 车辆加最大冲入距离 地等 撞速度质