（固体力学专业论文）半刚性护栏系统动、静态非线性有限元分析.pdf

摘要 摘要 随着交通运输事业的迅猛发展，高速公路在交通运输中所起的作用也在日益 增加，而高速公路的兴建、车辆的增加和车速的提高，都对高速公路的安全可靠 性提出了越来越高的要求。由于波形护栏( 即半刚性护栏) 在碰撞过程中既可承受 定的冲击力又可通过护栏的变形来吸收能量，因而可大大减轻碰撞对司乘人员 和车辆造成的伤害，所以在高速公路工程中得到了广泛应用。为了获得先进的交 通安全技术特别是先进的半刚性护栏设计技术，汽车与波形护栏碰撞问题的研究 正在国内外逐步展开。 汽车与护栏的碰撞问题是具有接触状态非线性、大变形特征的塑性动力学问 题，它比采用标准的线弹性分析方法来解决的一般力学问题要复杂得多。自从九 十年代以来，随着计算机技术的发展，有限元分析方法已经迅速成为解决汽车与 护栏的碰撞问题的可靠而有效手段。本文在前期工作基础上利用l s d y n a 有限 元程序研究波形护栏系统的变形、能量吸收特性以及动、静态响应，并取得了良 好效果。 首先，在垫支座条件下波形梁缩比试件冲击实验基础上，运用l s d y n a 有 限元程序对有、无纵向约束条件下波形梁( 护栏的主要构件) 冲击问题进行了动 态有限元分析。有限元分析得到的波形梁变形、能量吸收过程以及加载头的减速 特征与实验结果均吻合，这说明了上述有限元模型和分析方法的有效性；而两种 约束条件下的有限元分析结果的差别说明了研究多跨护栏力学性能的必要性。 接着，对波形梁的有限元模型进行改进，建立了由立柱、防阻块以及波形梁 构成的护栏系统有限元模型，分析了静态位移加载条件下护栏系统各个组成部分 变形和能量吸收特性等结果。这些工作和结果为将要进行的护栏系统缩比模型静 载实验提供指导作用，也可以作为这个实验的补充。 然后，在护栏系统静态有限元模型的基础上，进行了加载头垂直撞击护栏系 统的动态有限元分析。所建立的护栏系统动态有限元模型较好地模拟了加载头与 波形梁、波形梁与防阻块、防阻块与立柱之间的相互作用，实现了护栏系统中的 螺栓功能。通过对有限元分析结果中涉及护栏系统安全性评判标准的相关指标的 详细分析和对比，考察了该护栏系统对加载头的减速度、减加速度效果，得到了 撞击过程中加载头的运动轨迹，做出了垂直撞击过程中总能量各种分配形式随时 间变化关系曲线，描绘了护栏系统各个组成部分吸能情况，最后还对动、静态两 种条件下护栏系统能量吸收比率随位移变化的结果进行了对比。 华南理工大学工学硕士学位论文 最后，还进行了小角度斜撞条件下护栏系统的动态有限元分析，研究了斜撞条 件下护栏系统的不对称受力、变形以及能量吸收特性。 本文的工作为利用有限元工具研究护栏系统结构优化，多跨护栏系统的抗冲 击性能研究以及采用新材料于护栏系统的研究奠定了必要基础。 关键词半刚性护栏；有限元；变形；能量吸收特性；力学性能 、 i i a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft r a f f i c ，t h er o l ef r e e w a y sp l a yi sb e c o m i n gm o r e a n dm o r ei m p o r t a n t t h eb u i l d i n go fh i g h w a y s ，t h ei n c r e a s eo fv e h i c l en u m b e ra n d t h ei n c r e a s eo fv e h i c l es p e e d ，a l lo ft h e s er e q u i r eh i g h e rr o a d s i d es a f e t yi nf r e e w a y s t h ew - b e a mg u a r d r a i lh a sb e e nw i d e l yu s e di nh i g h w a y sb e c a u s ei tc a nr e d u c et h e d a m a g ee v i d e n t l y t ob o t hv e h i c l e sa n d p a s s e n g e r sd u r i n g c r a s h e s b yb e a r i n g c r a s h w o r t h i n e s sa n da b s o r b i n ge n e r g yt h r o u g hi t sd e f o r m a t i o n s i no r d e rt oo b t a i nt h e a d v a n c e dt e c h n i q u eo fr o a d s i d es a f e t y , e s p e c i a l l ya d v a n c e dt e c h n i q u eo fs e m i r i g i d g u a r d r a i l sd e s i g n ，t h er e s e a r c ho nt h ei m p a c to f v e h i c l e sa g a i n s tg u a r d r a i l si sb e i n g c a r r i e do u tg r a d u a l l yb o t hh o m ea n da b r o a d t h ea n a l y s i so fv e h i c l e g u a r d r a i lc r a s h e si n v o l v e st h e p r o b l e m s o fa l a r g e d e f o r m a t i o n ，d y n a m i cl o a d i n gp l a s t i cm a t e r i a lf a i l u r e a n dn o n l i n e a rc o n t a c ts t a t e t h e r e f o r e ，t h i si st o oc o m p l i c a t e df o rt h es t a n d a r dl i n e a r e l a s t i ca n a l y t i c a lm e t h o d t o a n a l y z e s i n c et h e19 9 0 s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e r s ，f i n i t e e l e m e n ta n a l y s i s h a sr a p i d l yb e c o m ea p o w e r f u l a n dc r e d i b l em e a n so fa n a l y z i n ga n d d e s i g n i n g r o a d s i d es a f e t yh a r d w a r es y s t e m o nt h eb a s i so fe a r l yc o r r e l a t i v ew o r k ，t h i sp a p e r r e s e a r c h e so nt h ed e f o r m a t i o n ，t h ee n e r g ya b s o r b i n gf e a t u r e sa n ds t a t i cl o a d sa sw e l l a st h ec o r r e s p o n d i n gp r o p e r t i e so fi m p a c tl o a d sw i t hl s d y n af e mp r o g r a m f i n a l l yal o to f v a l u a b l er e s u l t sh a v eb e e no b t a i n e d f i r s t l y ，o nt h eb a s i so fi m p a c te x p e r i m e n to fs c a l i n g d o w nw - b e a m ，t h ed y n a m i c f i n i t ee l e m e n ta n a l y s e so fw - b e a m ( m a i nc o m p o n e n to fg u a r d r a i l ) h a v eb e e nc a r r i e d o u tw i t ht h ei n t r o d u c t i o no f b o u n d a r y c o n d i t i o n so f l o n g i t u d i n a l f r e e o r l o n g i t u d i n a l - r e s t r i c t e d ，a n dp a r t i a ls u p p o r t e db l o c k ，t h ed e f o r m a t i o n s ，t h ep r o c e s so f e n e r g ya b s o r b i n ga n ds p e e d d o w nc h a r a c t e r so fl o a d i n gh e a d ，w h i c ha r e o b t a i n e d f r o mf e m ，a r ei nc o r r e s p o n d e n c ew i t ht h o s eo fe x p e r i m e n t s t h i sr e v e a l st h a tt h e f e mi sa ne f f e c t i v ew a y t h ed i f f e r e n c e sb e t w e e nt h et w or e s u l t su n d e rt w ob o u n d a r y c o n d i t i o n sm a k en e c e s s a r yt h er e s e a r c ho nm e c h a n i c sc h a r a c t e r so fg u a r d r a i lw i t h m a n y s t r a d d l e s s e c o n d l y ，t h ef i n i t e e l e m e n tm o d e lo fw - b e a mi s i m p r o v e d ，a n dt h em o d e lo f g u a r d r a i ls y s t e mc o m p o s e do fw - b e a m ，p o s ta n db l o c ki s c r e a t e d t h er e s u l t sa r e a n a l y z e d w h i c ha r eo nt h es t a t i c d i s p l a c e m e n tl o a d i n g c o n d i t i o n ss u c ha st h e i i i 华南理工大学工学硕士学位论文 c o m p o n e n t sd e f o r m a t i o n s ，e n e r g ya b s o r p t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，a n d s oo n t h es t a t i c e x p e r i m e n t o fs c a l i n g - d o w ng u a r d r a i l s y s t e mw i l l b eg u i d e db yt h e s ej o b sa n d r e s u l t sa n dt h ee x p e r i m e n tr e s u l tw i l lb es u p p l e m e n t e d t h i r d l y ，o nt h eb a s i so ft h ef i n i t e e l e m e n tm o d e lo fg u a r d r a i ls y s t e m ，t h ef i n i t e e l e m e n ta n a l y s i so fg u a r d r a i ls y s t e mv e r t i c a l l yc r a s h e db yl o a d i n gh e a dh a sb e e n c a r r i e do u t t h ef i n i t e e l e m e n tm o d e lr e v e a l si na ne f f i c i e n tw a yt h em u t u a lf u n c t i o n s o f l o a d i n g h e a da n dw - b e a m ，w - b e a ma n db l o c k ，a n db l o c ka n dc o l u m n t h ef u n c t i o n o fb o l t si sr e a l i z e di nt h i sm o d e l b yc o m p a r i s o na n da n a l y s i si nd e t a i lo nc o r r e l a t i v e i n d e xa s s e s s i n gg u a r d r a i l ss a f e t y ，t h ee f f e c to fs p e e d - d o w ni sr e v i e w e da n dt h et r a c k o f l o a d i n gh e a di so b t a i n e d t h e nt h ec u r v e sb e t w e e n t i m ea n da l lf o r m si nw h i c ht h e t o t a le n e r g yi sd i s t r i b u t e da r ed r a w na n dt h ec o m p o n e n t se n e r g ya b s o r p t i o nc o n d i t i o n i sd e s c r i b e d ，t o o i nt h ee n d ，t h er a t i oo fg u a r d r a i l se n e r g ya b s o r p t i o nc h a n g i n gw i t h d i s p l a c e m e n to n t h es t a t i cc o n d i t i o ni sc o m p a r e dw i t ht h a to nt h ed y n a m i cc o n d i t i o n f i n a l l y ，t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so fg u a r d r a i ls y s t e mc r a s h e db yl o a d i n gh e a d w i t hl i t t l ea n g l eh a db e e nc a r r i e do u t t h er e s e a r c hf o c u s e so nt h ea s y m m e t r i cf o r c e s a n dd e f o r m a t i o no fg u a r d r a i ls y s t e m a sw e l la st h e g u a r d r a i ls y s t e m se n e r g y a b s o r p t i o n c h a r a c t e r i s t i c s t h er e s e a r c hi nt h i st h e s i sp r o v i d e st h en e c e s s a r yb a s i sf o rt h ei n v e s t i g a t i o no f o p t i m i z a t i o n o fs t r u c t u r e d e s i g n o f g u a r d r a i ls y s t e m ，m e c h a n i c s c h a r a c t e r so f g u a r d r a i lw i t hm a n ys t r a d d l e s ，a n dg u a r d r a i ls y s t e m w i t hn e wm a t e r i a l s ，b yt h em e a n s o ff i n i t e e l e m e n ta n a l y s i s k e yw o r d ss e m i r i g i d g u a r d r a i l ；f i n i t ee l e m e n t ；d e f o r m a t i o n ；e n e r g ya b s o r p t i o n c h a r a c t e r i s t i c ；m e c h a n i c sc h a r a c t e r i v 第一章绪论 第一章绪论 1 1 高速公路防撞护栏概述 1 1 1 护栏作用 防撞护栏是高速公路安全设施的重要组成部分，设置这种设旋的主要 目的是保障行车安全，它可以防止行进中的事故车辆冲出路外或驶进对向 车道，使事故车辆的伤害损坏中止在最小限度。此外，防撞护栏作为高速公 路的必备设施，对行车舒适度、安全感、高速公路景观、工程造价均具有 一定影响。所以在建设高速公路时，必须充分认识各种护栏的特性，合理设 置防撞护栏。 ( a ) ( c ) 豫m 式吡 麓 ，主k 栏三 护雌1 酊卜m图f 华南理工大学工学硕士学位论文 式结构，它利用失控车辆与墙碰撞后爬高并转向来吸收碰撞能量。混凝土 护栏分为整体式和分离式两种形式。整体式护栏适合设置在中央分隔带 较窄路段，分离式护栏适合设置在中央分隔带较宽路段，这样就使得易于 在中央分隔带内埋设通信管线。由于汽车与混凝土护栏相撞时，在瞬间冲 击荷载的作用下，护栏基本上不移动不变形，碰撞过程中的能量主要是依 靠汽车与护栏面接触并沿着护栏面爬高和转向来吸收，并使碰撞汽车恢复 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。对于整体式护栏，混凝土防撞护栏与通信管道的配合， 可采用两种形式，一是在护栏下埋设通信管道，二是将通信管道埋在护栏 混凝土中，后一种形式当出现重大交通事故时会使整个混凝土护栏损坏， 易造成通信中断，建议不予采用。目前，混凝土护栏造价约为18 2 5 万元每 延公里。混凝土护栏防止车辆越出路外的效果较好，维修量较小，但对车 辆的损坏和乘员危险较大且造价较高，行车时噪音较大有压迫感，施工速 度慢，整体线形较难顺直。 图1 3 护栏系统 f i g 1 - 3g u a r d r a i ls y s t e m 2 、半刚性护栏是一种连续的梁式护栏结构，具有一定的刚性和柔性。 波形梁钢护栏( 图卜1 b ) 是半刚性护栏的主要代表形式，它是一种以波纹状 钢护栏梁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，并迫使失控车辆改变方向。波形护栏横截 面和护栏系统分别如图1 - 2 、卜3 所示。波形梁护栏既可用作路侧护栏， 也可用在中央分隔带，当用作中央分隔带护栏时，可采用分设型和组合型 两种形式。分设型相对于组合型适合于中央分隔带较宽的路段，组合型护 栏一旦受到碰撞后，维修量较大，目前这种护栏使用较为广泛。对波形梁 护栏的设计中很重要的一部分是其高度的确定。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，既不使汽车越出栏杆，又不致 使汽车钻入护栏下面，目前规范中规定护栏安装高度即连接螺栓中心至路 面的距离为6 0 c m 。通信管道可埋在中央分隔带下，埋深超过护栏柱，以免 发生交通事故时，受撞击的护栏柱对通信管道造成破坏。波形梁护栏工程 2 第一章绪论 总造价一般不超过整体式混凝土护栏。波形护栏具有一定的刚性和韧性 损坏时更换维修方便，且有较好的视线诱导功能，能与道路线形相协调，外 形美观。用于中央分隔带时，与植物防眩配合使用，达到美化环境和公路景 观的作用。 3 、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( 图 1 1 c ) 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 定于立柱上的结构，它主要是靠缆索的拉应力来抵抗车辆的碰撞。吸收碰 撞能量。缆索护栏具有外形美观的特点，适合于风景区高速公路，但缆索护 栏旌工工艺复杂，端部立柱损坏维修困难，且视线诱导效果差，一般的高速 公路上应用不普遍。 4 、近年来还出现了新型护栏结构如安全钢索护栏，缓冲墙，反光护 栏和快速可动护栏结构”3 等。 高速公路护栏形式的选择，应结合高速公路的具体情况，充分认清各 种护栏的特性，按照经济合理、安全可靠、美观大方等要求来实行选择。 综上所述，对于中央分隔带护栏，在中央分隔带宽度允许的条件下，应首先 选择波形梁钢护栏，其次选用混凝土护栏；对于路侧护栏，一般条件下选择 波形粱护栏，在危险路段选择混凝土护栏。 1 1 3 护栏安全性评判标准 安全性评判标准是进行护栏性能评判的重要依据，目前国际上普遍 认同的护栏安全性能评判标准主要采用以下三个标准”“： 1 ) 结构完整性：这个标准要求护栏必须具有合适的几何尺寸、足够 的结构强度和良好的力学性能，避免护栏结构破坏时护栏部件对车辆和 乘员造成伤害。 2 ) 车辆、乘员风险度：这个标准要求碰撞过程中车辆在特定时间问 隔内的平均加、减速度及乘员的速度改变量必须在安全允许范围内。 3 ) 护栏的吸能特性：这个标准要求利用护栏的塑性变形以及立柱与 土的相互作用来最大限度地吸收车辆的动能。 4 ) 车辆运行轨迹：这个标准要求在发生交通事故时肇事车辆的行为 要控制在一定的范围，特别是要控制车辆的回弹距离，以免造成二次事 故。 3 华南理工大学工学硕士学位论文 1 2 半刚性护栏研究概况 1 2 1 国内外研究概况 国外公路比较发达的国家，在高速公路出现的初期就开始着手护栏结 构的研究工作。美国从1 9 2 0 年就开始了护栏的研究与使用，在理论分析 和模拟试验的基础上，通过大量实车足尺碰撞过程的验证实验和公路上 的应用实践，积累了大量经验，制定了有关护栏形式选择、结构设计、 实验验证的方法、手段以及护栏的生产制造、运输安装和维修等一系列 的标准规范，为护栏的标准化系统化奠定了基础。1 9 8 1 年美国国家研究 会交通研究所制定了高速公路安全设施评价标准，对实车足尺试验和 护栏的现场实用评价给出了明确的评价指标，对公路护栏试验、设计的 标准化起了重要作用。美国高速公路管理局的一个高速公路研究中心对 足尺波形钢梁进行落锤冲击实验，得出波形梁的动态响应曲线，并通过 d y n a 3 d 进行模拟，以评价目前的护栏系统“1 。1 9 9 8 年美国的j o h nd r e i d 等利用l s d y n a 有限元程序来分析波形护栏端头结构弯折过程中的能量 耗散，并将l s d y n a 有限元分析结果应用于半刚性护栏端头结构设计 中临界位置的确定。美国的c a p l a x ic 0 等”1 在1 9 9 8 年利用l s d y n a 3 d 有限元程序进行了考虑木柱与土相互作用对护栏系统性能影响的研究。 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试验规程，研究了 多种类型的护栏结构。 日本于5 0 年代开始护栏结构的研究工作，至名神高速公路开始正规 使用护栏结构。在短短几十年内，以日本道路公团、日本道路协会、建 设省土木研究所为中心，联合有关大学、护栏生产厂家，对护栏结构进 行了广泛的开发研究，于1 9 6 5 年制定了护栏设置纲要，对护栏的适 用范围、功能要求、结构设计、施工安装等方面做出了明确规定。1 9 9 9 年又对该设置纲要进行了修订。 “七五”期间，我国开始高速公路的护栏设计、生产与施工的研究工 作并把护栏的研究开发列入“七五”科技攻关项目。1 9 9 2 我国进行了第 一次实车足尺碰撞实验，通过这次开创性的工作，建立了一套试验方法 和试验设施，并对护栏的安全评价标准、试验规程等提出了建设性的意 见，取得了宝贵经验，使我国高速公路安全设施的研究迈出了重大的一 步。9 3 年该公司又紧接着完成了海南环岛高速公路( 东线) 护栏结构的 4 第一章绪论 实车足尺碰撞试验，试验验证了两种特殊形式的护栏结构系统，进一步 改进与完善了试验方法和试验设施。19 9 1 年我国首次公布发行高速公 路交通安全设施设计施工技术规范，9 4 年正式发布执行该规范，对护栏 的设计、安装、施工、维修等做出了具体规定，为护栏的系统化工作， 迈出了可喜的一步”1 。2 0 0 2 年武汉理工大学的李波进行了高等级公路复 合材料防撞护栏设计方法研究“；2 0 0 2 年四j i i 大学的韩晓敏进行了汽车 与混凝土护栏碰撞仿真计算的研究；2 0 0 2 年长沙交通学院的雷正保1 提出将“汽车一半刚性护栏”碰撞系统作为一个完整耦合的大系统来研究 半刚性护栏的防撞新机理。 通过建立“汽车一半刚性护栏”碰撞系统动力学模型，分析碰撞过程 中汽车的实际运动规律，然后，根据典型半刚性护栏结构设计参数对碰 撞过程中汽车实际运动规律的灵敏度分析结果，提出半刚性护栏设计新 准则及最优护栏结构设计方案，最终建立一套半刚性护栏设计新方法的 做法与相关内容，至今在国内外的杂志上尚未见报道”。 1 2 2 研究方法 护栏研究方法包括实车足尺护栏碰撞试验、缩比模型试验、有限元 分析等。 1 1 实车足尺护栏碰撞试验：在与路况相同的条件下，通过汽车碰撞 护栏试验，得到相应的力学参数，从而判断护栏结构的安全性及合理性。 它的优点是：实验结果基本上真实反映了公路现场的碰撞情况，取得的 数据真实可靠，可直接应用于工程设计。但这种方法需要大型的试验场 地以及成套的试验装置和数据采集系统，实车碰撞前往往需要先进行必 要的理论分析，并对各构件进行相应的室内试验，仔细进行方案设计后， 方可进行试验，因此进行此类实验需要花费大量的人力、物力，试验成 本很高。 2 ) 缩比模型试验：利用缩尺模型试验，模拟碰撞过程，研究护栏的 特性。虽然这种方法需要采取相似理论选择材料以及存在尺寸效应、试 验条件理想化等问题，但是试验结果可靠度较高，试验成本低，因此该 研究方法也经常得到使用。 3 ) 有限元分析：通过理论分析，建立有限元模型，利用计算机进行 分析计算。特别是有限元分析，它可以不受时间、场地等限制，可灵活 的变换各种试验参数，如碰撞角度、碰撞速度、护栏结构、护栏材料特 性等，也可进行多方案的分析，同时它还能给试验设计人员一个较完整 5 华南理工大学工学硕士学位论文 的整体概念。通过与实验结果比较分析，合理修正参数，精确拟合试验 结果，对碰撞过程进行预测分析，从而减少试验次数，补充试验数据。 由于无法准确而详细地了解碰撞过程，较难获得有限元分析所需要的所 有参数，所以对实验的模拟只是以简化和理想的模型来进行，因此有限 元分析不可能完全代替实验研究，而必须与实验研究相结合。 自从九十年代以来，随着计算机技术的发展，有限元分析方法已经 迅速成为研究护栏安全性能的可靠而奋效手段。当前国内外许多研究人 员利用l s - d y n a 有限元程序开展了较多护栏结构方面的研究并取得了 良好效果。”j 。 1 3 论文研究意义及内容 近年来我国交通运输事业得到了迅猛发展，高速公路在交通运输中所 起的作用也在日益增加，而高速公路的兴建、车辆的增加和车速的提高， 都对高速公路的安全可靠性提出了越来越高的要求，因此当前交通行业 对先进的交通安全技术特别是先进的半刚性护栏设计技术的需求特别迫 切。同时大量道路扩建或改造后，半刚性护栏的防撞安全性能必须与之相 适应才能真正发挥作用，此时应对原有的半刚性护栏进行相应的改造与维 护，这也极大地推动了半刚性护栏防撞机理的研究。此外，我国现有的 护栏主要是参照国外特别是欧美的标准设计的，随着我国加入世贸组织， 知识产权的保护将更加引起人们的重视。由于我国目前还没有一套用于 桥梁半刚性护栏设计的成熟技术，受国外专利的制约，我国的桥梁半刚性 护栏设计将面临严重挑战，因此非常有必要深入开展半刚性护栏安全性 研究，拥有自主知识产权的半刚性护栏设计技术，提高护栏安全防护结 构的设计和优化水平。 本文的研究是广东省自然科学基金资助项目“高速公路半刚性护栏的 冲击响应和防护能力研究”与广东省交通厅项目“高速公路护栏安全防 护有效性的研究”的一部分。本文所属课题的前期研究工作已经进行了 波形梁静态缩比实验和相应的有限元分析n ”圳，还进行了波形梁缩比试 件冲击实验1 _ 2 ”。本文属该课题的后续部分，以a n s y s 有限元程序为 研究工具，将“加载头( 汽车简化模型) 一半刚性护栏”碰撞系统作为一 个完整耦合的大系统来研究半刚性护栏能量吸收特点以及有关力学性 能。论文具体的工作包括以下四方面： 1 在垫支座条件下波形梁缩比试件冲击实验基础上，运用l s - d y n a 有限元程序对加载头冲击波形梁问题进行了动态有限元分析，得到了无 6 第一章绪论 纵向约束和有纵向约束两种条件下波形梁的变形和能量吸收特性，并将 有限元分析结果与实验结果进行对比验证。 2 对波形梁的有限元模型进行改进，建立了由立柱、防阻块以及波 形梁构成的护栏系统有限元模型，分析了静态位移加载条件下护栏系统 各个组成部分变形和能量吸收特性等结果。 3 在护栏系统静态有限元模型的基础上，进行了加载头垂直撞击护 栏系统的动态有限元分析。所建立的护栏系统动态有限元模型较好地模 拟了加载头与波形梁、波形梁与防阻块、防阻块与立柱之间的相互作用， 实现了护栏系统中的螺栓功能，并对有限元分析结果中涉及护栏系统安 全性评判标准的相关指标进行了详细的分析和对比，得到了一些有用结 论。 4 在加载头垂直撞击护栏系统动态有限元分析基础上，进行了小角 度斜撞条件下护栏系统的动态有限元分析，对护栏系统的受力、变形不 对称性以及能量吸收特性等问题进行了探讨。 本文的研究内容属于高度非线性碰撞问题，它涉及到材料非线性、 大变形以及接触问题，比采用标准的线弹性分析方法来解决的一般力学 问题要复杂得多，同时目前国内夕 利用有限元程序进行汽车( 或简化模 型) 和半刚性护栏系统碰撞方面的研究还不多见，因此本文研究工作的 开展不仅将对结构动力学、弹塑性力学、材料力学等方面的理论研究起 积极作用，而且将有助于提高我国护栏安全防护结构的设计和优化水平。 华南理工大学工学硕士学位论文 2 1 引言 第二章护栏波形梁动态有限元分析 由于对护栏性能的分析涉及到动态加载和大变形以及材料失效、非 线性材料特性等，所以它比用标准的线弹性分析方法来解决的一般力学 问题复杂得多。自从九十年代以来，有限元分析已经迅速成为路边安全 设施设计的一种基本方法，而且它已经成为一种可靠的相对便宜的分析 和模拟冲击事件的方法”1 。近年来计算机技术得到了突飞猛进的发展， 各类大型有限元计算软件也得到了迅速发展，软件中所包含的材料类型、 单元类型已基本完善，软件可计算的单元数也有了质的进步，使用软件 对复杂结构受载变形过程进行实际模拟已经成为可能。有限元模拟过程 有着良好的重复性，不象实验研究中会受各类随机因素的影响，而且在 有限元模拟中还可以实现很多实验中无法达到的条件，从而突出问题的 某些方面，使得实际问题中的物理规律更加清晰。同时由于数值计算的 灵活性，几乎可以获得计算过程中任何感兴趣时刻整个模型中所有物理 量的状态及其变化过程。在现代科学研究中，有限元模拟开始在越来越 多的领域内逐渐补充单纯的实验研究或起主角作用。 近年来，使用有限元程序进行模拟车辆与高速公路安全设施的碰撞 的方法被越来越多的研究机构所采用，用以模拟护栏受碰撞后的大变形、 整个变形过程和最后车辆和路边设施的完全失效。 本章所属课题的前期研究工作已经进行了波形梁( 护栏主要构件) 静态缩比实验”2 “和相应的有限元分析“。本章则在波形梁缩比试件冲 击实验的基础上，通过l s d y n a 有限元分析程序，依照高速公路 交通安全设施设计及施工技术规范的有关规定“，建立了半刚性护栏 缩比试件受到冲击荷载作用时的有限元模型，并利用该模型进行了有限 元分析，将所得结果与实验结果进行了对比，检验了这个模型的有效性。 8 第二章护栏波形梁动态有限元分析 2 2 a n s y s l s d y n a 模块功能和算法基础概述 2 2 1 a n s y s 软件简介 a n s y s ( a n a l y s i ss y s t e m ) 是1 9 7 0 年美国宾西法尼亚州的j o h ns i m o n 博士开发的一套大型通用有限元商业标准软件”，它提供了18 0 种单元 类型和1 0 0 余种材料模式，可进行结构分析、热分析、流体动力学分析、 电磁场分析、声学分析和耦合场分析等等。a n s y s 包括s t a n d a r d 和 e x p l i c i t 两个分析模块。a n s y s s t a n d a r d 模块，即结构分析模块，采用 隐式积分格式，提供了对应力、变形等线性和非线性问题的通用处理功 能。而a n s y s e x p l i c i t 模块，即l s d y n a 模块，采用显式时间积分格 式求解动态有限元模型，用于模拟高度非线性问题，对求解冲击碰撞及 快速成型等问题非常有效。 2 2 2l s - d y n a 模块功能和算法介绍 ls d y n a 是通用有限元程序a n s y s 自带的一个显式非线性动力分 析模块”，可以求解高度非线性问题。它可以有效处理多种接触问题和 模拟非线性材料本构以及高效解决大变形问题如非弹性结构的高速碰 撞、爆炸和模压等大变形动力学问题。 新版l s d y n a 程序的单元类型众多( 四边形壳单元、三角形壳单元、 膜单元、六面体厚壳单元、三维实体单元、梁单元和安全带元、弹簧阻 尼单元等) ，各类单元又有多种理论算法可供选择。这些单元采用 l a g r a n g i a n 列式增量解法，具有大位移、大应变和大转动性能，单点积 分并用沙漏粘性阻尼以克服零能模式，单元计算速度快，节省贮存量， 并且精度良好。可以满足各种实体结构和薄壁结构的网格剖分需要。 l s d y n a 3 d 程序有近百种金属和非金属材料模型可供选用，如弹性、 弹塑性、超弹性、泡沫、玻璃、地质、混凝土、土壤、复合材料、炸药 及引爆燃烧、刚性以及自定义材料，并可考虑材料失效、损伤、各向异 性、粘性、蠕变、与温度相关、与应变率相关等性质。 l s d y n a 程序的全自动接触分析功能易于使用，功能强大，非常有 效。有二十多种选择可以求解下列接触问题：变形体对变形体的接触、 变形体对刚体的接触、板壳结构的单面接触( 屈曲分析) 、与刚性墙接触、 表面与表面的固连、节点与表面的固连、壳边与壳面的固连、流体与固 9 华南理工大学工学硕士学位论文 体的界面等，并可考虑接触表面的静动力摩擦( 库伦摩擦、粘性摩擦和 自定义摩擦模型) 和固连失效。 l s d y n a 程序采用动力松驰( d y n a m i cr e l a x a t i o n ) 技术，可以进行 动力分析前的预应力计算或者进行静力分析。此程序有很强的自适应功 能：二维部分( 轴对称和平面应变) 可交互式重分网格( r e z o n e ) 、二维 和三维网格可自动重分、此外还可以定义自适应网格细分( a d a p t i v e ) ， 进行质量缩放和子循环等。该程序还有加载、约束、刚体与刚体之间不 同方式连接、阻尼、重起动等功能。 程序中采用变时步增量解法，每一时刻的时步长由当前构形的稳定性 条件控制，其算法如下： 先计算每一个单元的极限时步长at 。，( 显式中心差分法稳定性条件允 许的最大时步长) ，则下一步长at 取其极小值，即 r = m i n ( at e l ，ar e 2 ，at e r n ) 式中，r 。i 为第i 个单元的极限时步长，m 是单元数目。 各种单元类型的极限时步长at 。采用不同的算法： 杆单元和梁单元： 妒口匆 式中，a 为时步因子，缺省为0 9 ： 为杆单元和梁单元长度； c 为材料的声速c = ( e p ) o 一，弹性变形。 三维实体单元： 式中，a = t i c + 岛三。i 气l ，当营k o ；a2 0 ，当叠0 。 工。是特征长度，对于8 节点实体单元l 。= v d a 。；，对于4 节点实体单 元工。= 最小高度。 c 】和c 。为无量纲常数，缺省分别为1 5 和0 0 6 。 c 为材料的声速，弹性材料为c = j 揣p ，e 为杨氏模量，_ 为 泊松比，j ，为即时质量密度。 以为单元体积，a 。，为单元最大一侧的面积。 l s d y n a 3 d 程序处理接触碰撞界面主要采用三种不同的算法，即节 点约束法、对称罚函数法和分配参数法，其中节点约束法现在仅用于固连 l o 第二章护栏波形粱动态有限元分析 界面，分配参数法仅用于滑动界面，对称罚函数法是最常用的算法。 对称罚函数法是一种薪的算法，其原理是：每一时步先检查各从节 点是否穿透主表面，没有穿透则对该从节点不作任何处理；如果穿透， 则在该从节点与被穿透主表面之间弓 入一个较大的界面接触力，箕大小 与穿透深度、主片刚度成正比，称为罚函数值，其物理意义相当于在从 节点和被穿透主表面之间放置一个法向弹簧，以限截从节点对主表面的 穿透。与此同时还要再对各主节点处穿透情况检查一遍，其处理办法与 从节点一样。对称罚函数法编程简单，很少激起网格沙潺效应，没有噪 音，这是由于该算法具有对称性、动量守恒准确，不需要碰撞和释放条 件，罚函数值大小受到稳定性限制，若计算中发生明显穿透，可以放大 罚函数值或缩小时步长来调节。 2 3 无纵向约束垫支座条件下波形梁动态有限元分析 2 3 1 无纵向约束垫支座条件下波形梁冲击实验简介 前期课题组已经完成了无纵向约束垫支座、有纵向约束垫支座的波形 梁冲击实验，并对实验数据作了详细研究分析，得盘了一些有价值的结 论。冲击实验中的波形梁缩比试件与准静态的一样，仍采用波形梁标准 横截面三分之一尺寸“”设计的缩比波形粱模型试传 试侔跨度为4 9 g m m ) ， 进行三点弯曲落锤冲击实验，实验装置如图2 一l 。 图2 1 无纵向约束垫支座冲击实验装置图 f i g 2 - ll o a d i n ge x p e r i m e n ti n s t a l l a t i o n o dl o n g i t u d i n a l f r e ep a r l i a ls u p p o r t e db l o c k 华南理工大学工学硕士学位论文 2 3 2 无纵向约束垫支座条件下波形梁有限元模型 2 3 ，2 1 有限元模型 图2 2 几何模型 f i g 2 - 2 g e o m e t r i c a lm o d e l 有限元几何模型如图2 2 所示，包括三个部分，上面的是加载头，中 间的是波形梁，下面的是两个垫块。加载头用来模拟冲击波形梁的物体， 垫块用来模拟护栏系统中的防阻块。波形梁截面尺寸为高速公路交通 安全设施设计及施工技术规范规定尺寸的1 3 “1 “，也与实验波形梁 缩比试件完全一致”“。由于波形梁在加载头冲击下波峰被展平，波形梁 两翼向下伸展与垫块的外表面接触，经有限元试算发现波形梁两侧向下 伸展的距离小于5 0 m m ，为了节省计算时间，最后取垫块模型为7 0 m m 6 0 m m 5 0 m m 的长方体。这个模型也与冲击实验中垫块模型相似，只是有限元 模型中的垫块高度较小。在模拟冲击过程中有限元模型加载头部分与波 形梁接触时，加载头的模型与实际形状的相似程度从根本上影响有限元 分析结果，同时为便于将有限元分析与实验进行对比，因此对加载头下 部模型的建立是严格按照冲击实验n8 1 加载头的形状来进行的。此外，有 限元模型中的加载头质量等与冲击实验中的落锤和加载头的质量( 即保 证了有限元模型中的冲击能量与实验相等) 。实际上只需改变加载头上部 尺寸，就可改变加载头质量，来模拟不同质量的物体冲击护栏的情况。 波形梁的单元类型是s h e l l l 6 3 单元，采用程序推荐的 b e l y t s c h k o w o n g c h i a n g 算法”。s h e l l l 6 3 单元的实常数取值：剪切因 1 2 第二章护栏波形梁动态有限元分析 子取5 6 ；为了充分考虑壳单元的塑性行为，沿厚度方向的积分点个数 为3 ：单元厚度为l m m 。加载头和垫块单元类型均为s o l i d l 6 4 体单元，采 用单点积分法，同时为了控制该算法产生的沙漏”的大小，采用程序推 荐的结构体积黏性值。 模型中用来模拟波形梁的壳单元大小为5 m m ，用来模拟垫块的实体单 元大小为1 0 10 m m ，它们都是由网格映射得到的。与波形梁接触的加 载头的实体单元大小为5 m m ，最上部的体单元大小为1 2 1 2 1 2 m m ，剩余 部分的体单元大小为10 1 0 1 0 m m ，它们都是由自由体网格划分得到。 有限元模型单元网格划分如图2 2 所示。 图2 4 无纵向约束垫支座边界条件