弯道混凝土护栏碰撞特性的优化设计

1、弯道混凝土护栏碰撞特性的优化设计*雷正保1,彭作2,刘兰3,侯石静2( 1、长沙理工大学汽车与机械工程学院,湖南 长沙 410076;2、长沙理工大学道路灾变防治及交通安全教育部工程研究中心,湖南 长沙 410076;3、长沙理工大学公路工程教育部重点实验室,湖南 长沙 410076。摘要:平曲线半径不足400米的弯道是交通事故率最高的路段,由于缺乏对弯道护栏的研究,人们不得不在弯道上长期使用直道护栏。要改变目前这种无论弯道、直道,均一律使用直道护栏的不合理现象,就必须获得弯道半径为400米时的混凝土护栏最佳尺寸参数。为此,本文以NJ型混凝土护栏尺寸参数为参考基础,以防撞等级为SS级的护栏为研

2、究目标,以大型客车总质量为18t、碰撞速度为80km/h、碰撞角度为20°的碰撞条件为研究工况,基于eta/VPG 及Ls-dyna软件平台及“汽车-护栏-弯道”一体化车-路系统动力学模型,联合应用正交试验设计方法及动态显式有限元方法,以客车后轮抬高量为考核指标,对控制弯道混凝土护栏截面形状的6个设计变量,应用L25(56正交试验表安排仿真试验,借助SPSS统计软件包,对仿真试验结果进行了方差分析,找出了各因素对结果的影响程度,并据此确定了弯道混凝土护栏的最佳尺寸参数。对25组仿真试验结果的分析发现,大型客车撞击弯道半径为400米的混凝土护栏时,发生的弯道事故全是翻车事故,且主要表现

3、为客车翻越混凝土护栏而坠向护栏外侧悬崖的事故模式。优化设计结果表明,增加混凝土护栏的高度是抑制大型客车翻越护栏的重要途径,合理的弯道混凝土护栏尺寸参数,可以将翻车事故控制在护栏内侧,以避免重大恶性事故的发生,且控制弯道混凝土护栏截面形状的6个设计变量对弯道事故的影响,存在如下优先级关系:下斜坡高度>底部凸缘高度>上斜坡高度>顶部宽度>下斜坡宽度>上斜坡宽度,即高度的影响较宽度的影响要显著,下斜坡高度的影响又较上斜坡高度的影响显著。关键词:交通工程,混凝土护栏,碰撞,正交试验设计,方差分析,SPSS中图分类号:U467.14文献标识码:AThe optimal de

4、sign of collision characteristic of curve-road concrete barrierLEI Zhengbao1,2,LIU Lan2,PENG Zuo3,HOU Shijing2ABSTRACT:The road with a Curve radius less than 400 meters has the highest rate of traffic*基金项目:国家863计划项目(2006AA11Z224;湖南省交通科技计划项目(200406、200640收稿日期:2008-6-23accidents, and we have to use th

5、e straight-road barrier on curve-road for the lack of research on curve -road barrier. To change this unreasonable situation, we must obtain the optimal parameters of concrete barrier with curve radius of 400 meters. Therefore, this paper takes barrier with safety grade of the SS into account base o

6、n the research of parameters of the NJ-concrete-barrier. The total mass of research bus model is 18 t, the collision speed is 80 km / h, and the collision angle is 20 °, based on the ETA / VPG and LS-DYNA software platform and " vehicle barrier curve-road" integration vehicle - road s

7、ystem dynamics model, the research use combination of orthogonal experimental design methods and dynamic explicit finite element method.The research sets the rear wheel elevation as criteria for the evaluation and creates six cross-section shape design variables.The application of L25(56 Orthogonal

8、table for simulation and the using of SPSS statistical package helps the variance analysis of simulation results, we find out the results of various factors on the degree of influence, then determine optimal parameters of concrete barrier. 25 Groups of the simulation results show that overturn accid

9、ent occurred to all when large bus collide concrete barrier with a radius of 400 meters, and then bus run out of concrete barrier and fall down to cliff outside of the barrier. The optimal design results showed that the increasing in height of the concrete barrier is a important way to protecting bu

10、s from running out of barrier, and a concrete barrier with reasonable parameters can control the overturn-accident occurs inside, then avoid the occurrence of major badly-damaged accidents. The six cross-section variables which determined the sharp of the barrier have impact on the accident, the exi

11、stence of priorities as following: height of lower slope> height of flange at the bottom > height on the upper slopes> top width> width of the lower slope > width of the upper slope, and the influence of height factors is greater than that of width, the height of lower slopes impact m

12、ore significantly than that of the upper.KEY-WORDS: traffic engineering;concrete barrier;impact;orthogonal design; analysis of variance; SPSS1引言我国交通事故死亡人数已连续1O余年居世界首位,设置合适的护栏是应对特、重大恶性交通事故的重要手段,且大多数高速公路及高等级公路已安装了多种形式的护栏。遗憾的是,现有的护栏都是基于直线形道路研发的,对于弯道护栏的研究则很少,文献1是所能查到的仅有的弯道护栏研究资料,但文献1的研究主要是研究小轿车撞击弯道护栏的情况

13、,可见,将直道护栏安装在弯道上,究竟是否合适的问题,一直没有一个明确的答案,现有护栏设计规范也未对这一问题做出有关解释和说明。而我国的弯道公路占公路网比例很大,平均不到100米就有一个弯道,弯道还是重、特大事故的主要发源地,而弯道道路条件的改善是个庞大的工程,不仅需要投入大量的人力、物力、财力,更需要相当长的时间,显然,与改善道路条件相比,开展对弯道护栏的深入研究则更切实际。2有限元模型文献2对直道护栏的设计提出了明确的要求,对于危险弯道上的护栏,其防撞等级最高为SS级,此时,护栏需要满足的碰撞条件为:质量为18t的大客车,以80km/h的速度撞击护栏,撞击护栏的角度为20度。这也是本文的碰撞

14、条件。2.1 基本要素根据公路工程技术标准,道路设计超高采用8%。调查表明:高速公路平曲线路段事故率与平曲线半径存在着相关关系,平曲线半径在4001000m时,交通事故率很高3,故本文将平曲线半径取为400m。将客车作为刚体处理,且只考虑客车的外轮廓尺寸、质心高度、转动惯量、车重等参数,不考虑详细的零部件结构,客车参数如表1所示。表1 客车主要技术参数名称 参数长×宽×高(mm 12000×2500×4000 轮距(前/后(mm2000/1800 前悬(mm 1500轴距(mm 6500后悬(mm 4000最小离地间隙(mm350 车轮半径(mm 500

15、自重(kg 9120总重(kg 18000在客车前轴外侧接地点处建立坐标系:X轴平行于客车纵向,Y轴平行于客车宽度方向,Z轴平行客车高度方向。则客车质心坐标:X C=3250mm、Y C=1250mm、Z C =1390mm;客车绕质心处各轴的转动惯量:I ZZ=62586000、I yy=62586000、I xx=22897200。利用*AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE处理接触界面,客车与地面之间的摩擦系数取0.7,客车与护栏之间的摩擦系数取0.2;利用*LOAD_BODY_Z施加重力荷载;护栏底部节点利用*BOUNDARY_SPC_SET进行固定;客车行驶速度则利

16、用*INITIAL_VELOCITY_GENERATION来施加;客车撞击护栏时间取1.5s。2.2 网格模型4-6客车和道路采用第20号*MAT_RIGID刚体材料模型,客车材料参数:质量密度7.87kg/dm3、杨氏模量E=2.0×105Mpa、泊松比0.27;道路材料参数:质量密度2.5kg/dm3、杨氏模量E=3.5×104Mpa、泊松比0.25;网格划分则用厚度1mm、法向2点积分的Belytschko-Tsay薄壳单元,单元尺寸均取为50mm,最小单元尺寸都控制在30mm以上,单元翘曲角25°,单元内角25。这样建立的客车模型共包括115165个四边形

17、单元、140个三角形单元、119757个节点;道路模型共含有73500个四边形单元、9个三角形单元、74150个节点。护栏采用常应力弹性体单元及第96号材料模型*MAT_brittle_damage,此材料模型是专门用来模拟钢筋混凝土的一种材料模型,它可以真实地模拟混凝土拉压、剪切失效的各种状态。护栏材料参数:质量密度2.5kg/dm3、杨氏模量E= 3.0×104Mpa、泊松比0.20、拉伸极限3Mpa、剪切极限14.5 Mpa、断裂韧度14.9×10-3kg/mm2、粘性参数0.72Mpa/s、屈服应力29Mpa。3 护栏截面参数优化本文选用正交试验设计(Orthogo

18、nal experimental design方法来进行护栏截面参数优化7-9。3.1 因素和水平混凝土护栏的截面形状由6个变量控制,分别是下斜坡宽度A、底部凸缘高度B、下斜坡高度C、上斜坡宽度D、上斜坡高度E、顶部宽度F。由这6个变量的变化组合来控制整个护栏的总宽和总高(图1。故将这6个变量作为正交设计的因素。参考NJ型直道护栏的尺寸参数,对每个变量取5个水平进行研究,因素水平见表2。根据因素和水平,本文选用正交表L 25(56 。根据弯道事故主要以车辆翻出护栏而坠下悬崖的形式出现的特点,选取车辆后轮抬高量作为正交设计的考核目标。表2 因素水平表(单位:mm 3.2 试验结果及分析利用LS-

19、DYNA,在6台Dell Precision 650 MT工作站上,根据表2所示因素水平表,依据正交表L 25(56提供的试验组合,进行了25次仿真试验,每组试验的护栏截面尺寸参数及试验结果见表3。表3 实验结果(单位:mm图1 正交设计的因素 23 325 65 200 50700 250 1296 96524 325 75 250 60400 300 1442 72525 325 80 300 70475 100 738 855从表3可见:第25组试验结果相比较而言是较理想的(用粗线显示。但是仅仅这样分析是远远不够的,为进一步弄清楚问题的实质,下面运用正交分析的直观分析和方差分析方法对结果

20、进行处理,直观分析结果见表4。表4 设计变量各水平对应的后轮抬高量均值 表4表明,各列的极差是不相等的,说明各因素的水平改变对试验结果的影响程度是不相同的,极差越大,表示该因素的数值在试验范围内的变化,会导致试验指标在数值上有更大的变化,所以极差最大的一列即为因素的水平对试验结果影响最大的因素,也就是最主要的因素。于是,根据因素影响程度的主次来排列结果是:C>B>E>F>A>D,即因素对结果的影响主次程度为:下斜坡高度>底部凸缘高度>上斜坡高度>顶部宽度>下斜坡宽度>上斜坡宽度。可见,高度的影响较宽度的影响要显著,下斜坡高度的影响又较

21、上斜坡高度的影响显著。表4还表明,各因素、水平的最优组合为:A3B5C1D3E2F5,即A=225mm,B=80mm,C=150mm, D=70mm,E=475mm,F=300mm。由于这组搭配在正交表上没有安排计算,这就说明,正交表列出的25组搭配不仅可以看到最佳的搭配结果,而且还可以推断出可能更佳的搭配结果。为了验证这种推断,还需要对这组搭配进行仿真试验。另外, 考虑到极差分析不能估计试验中以及试验结果测定中必然存在的误差大小,不能精确地估计各因素对试验结果影响的重要程度。为此,应用SPSS进行方差分析,以检验各因素水平对结果的显著性。取显著性水平=0.05,方差分析结果如表5所示,由于本

22、文的试验采用了满列设计方法,没有空白列,所以误差分析只能取相对误差,将均方最小的因素对应的方差归为误差。表5 显著性检验因素 偏差平方和 自由度 均方值 F比 F临界值 显著性A 298144.640 4 74536.16 2.387 6.390B 1018822.640 4 254705.66 8.157 6.390 *C 2009633.440 4 502408.36 16.089 6.390 *D 124908.640 4 31227.16 1.000 6.390E 363830.240 4 90957.56 2.913 6.390F 367744.290 4 91936.07 2.94

23、4 6.390误差 124908.64 4 31227.16表5表明,下斜坡高度和底部凸缘高度这两个变量为显著变量,应该选择其最好的水平,因为这两个指标水平的变化会造成考核指标的显著不同,而对于其他的4个变量,则可根据工程的需要来考虑其水平的选择。4 最优结果的仿真分析 为了证实上面的推断结果，并找出最优 解， 需对直观分析的最优组合A3B5C1D3E2F5， 即 A=225mm ， B=80mm ， C=150mm ， D=70mm ， E=475mm，F=300mm进行仿真试验，图2图4 为客车高度变化的仿真结果。 可见，最优组合A3B5C1D3E2F5并不能阻 图 2 客车质心处高度变化

24、 止客车翻出护栏平面外，后车轮靠近护栏一 侧最低点的抬升高度已达1400mm，明显超过护栏的最大高度。图5表明，客车翻越混凝土护 栏而飞向护栏外侧空间。 图 3 左右前轮最低点高度变化 图 4 左右后轮最低点高度变化 图5 客车翻越护栏 可见，最优组合A3B5C1D3E2F5并不是最优结果。此时，根据正交设计的一般原则，应 该从25组仿真试验中选择最优结果。 上面的分析已经得出， 第25组仿真结果相比来讲是最好 的，第25组的仿真结果见图6图9。 （a）客车头部撞击护栏 （b）客车尾部撞击护栏 （c）t=1.5 秒时，客车在护栏内侧已倾翻 图 6 客车碰撞过程关键时刻状态 6 图 7 客车质心处高度变化 图 8 左右前轮最低点高度变化 图 9 左右后轮最低点高度变化 图 6图 9 表明，仿真结束时客车已经完全侧翻，但客车没有翻越护栏，而是在护栏内 侧翻滚。从图 9 可见，后车轮靠近护栏一侧仿