公路波形梁護欄抗撞防護特性及輕量化研究

趙德望,王皖婷,邢 云,趙坤民,2

(1.安徽理工大學機械工程學院,安徽 淮南 232063;2.浙江合眾新能源汽車有限公司車身制造部,浙江 桐鄉 314500;3.一汽豐田技術開發有限公司研發部,天津 300457)

在高速公路事故中,汽車撞向兩側的護欄可能威脅到乘客的安全,導致更嚴重的二次傷害,因此,提高護欄的防撞性能非常必要。研究表明,波形梁護欄可以降低乘員受傷程度,增加梁的厚度能夠提高其抗撞性,但沉重的護欄板給安裝帶來困難,也增加了能耗和CO2排放。因此,研究公路護攔板的抗撞性和輕量化是個新穎而有實際意義的課題。

國外眾多學者及機構研究了車輛與護欄的碰撞特性,提供了大量的護欄碰撞安全的設計經驗[1]。我國最初的高速公路護欄結構是3mm的波形梁和Z型的立柱[2],從20世紀90年代后更多學者參與了護欄板的研究。文獻[3]建立了改進護欄的模型,確立了護欄防撞性能的評判準則。文獻[4]探討了客車與三波形護欄的碰撞機理。文獻[5]優化了A型護欄的相關參數,起到了輕量化效果。文獻[6-7]做了實車足尺碰撞實驗,評價幾種改進的護欄的防撞性能。文獻[8]提出兩種優化方案以改善絆阻問題。文獻[9]分析研究了 SA 級波形梁護欄。文獻[10]優化護欄結構,提高力護欄的防護能力。文獻[11]表明加高改造立柱的能量吸收率和緩沖能力優于標準立柱且滿足標準要求。文獻[12]通過仿真分析方法對橋側護欄進行優化設計。

文章先建立護欄、轎車、SUV和小型客車的有限元物理模型,并構建不同車型與護欄碰撞的數值仿真模型。其中,護欄采用中錳鋼和普通碳素鋼兩種材料,再比較不同材護欄在不同碰撞工況下的抗撞特性,評估輕量化中錳鋼護欄的抗撞安全防護效果。

1 汽車與護欄有限元建模

在我國高速公路兩側通常使用A級波形防護欄,因此,在碰撞數值仿真分析中的護欄選用A級波形梁護欄,汽車選用轎車、SUV和小型客車3種車型。本文采用HyperMesh前處理(幾何模型建立、定義材料、網格劃分、邊界條件施加等),采用LS-DYNA求解計算,采用HyperView后處理及分析。

1.1 標整車有限元模型

為了確保整車模型的可用性,本文分別建立了3種車型與剛性墻的碰撞模型,計算后觀察能量曲線、速度曲線、加速度曲線、質量增加曲線等結果,從而驗證整車模型的正確性和可靠性。

圖1分別展示了某款轎車、SUV和小型客車的有限元模型:轎車整車質量為1 263kg,共有1 137 030個單元;SUV整車質量為2 038kg,共有627 798個單元;小型客車整車質量為2 902kg,共有300 096個單元。按C-NCAP要求將汽車碰撞的速度設置成56km/h,分別布設加速度傳感器在車輛質心、座椅和發動機上。

(a)轎車模型

圖2顯示了轎車碰撞過程中的動能、內能、總能量和隨碰撞時間沙漏能的變化,圖3顯示了質心的加速度、座椅、整車速度和引擎處的加速度曲線。從圖中可以看出,沙漏能低于總能量的5%,速度和加速度曲線與典型碰撞試驗測量結果相似,質量增加曲線也滿足要求,故該轎車模型符合要求,可以作為碰撞護欄系統的整車模型。

圖2 轎車正碰過程中能量隨時間變化曲線圖

1.2 護欄建模

常見的A級波形梁護欄由兩波型的波形梁板、六角形的防阻塊和圓形立柱構成,使用高強螺栓連接。首先利用三維建模軟件UG建立波形梁護欄的三維模型,再利用HyperMesh進行網格劃分、材料和屬性定義等前處理工作。

單塊梁板的長度是4 320mm,在建模時將多跨護欄板采用護欄整體建模的方式。波形梁板采用了LS-DYNA的Belytschko-Tsay殼單元,材料模型選為MAT_24,密度7 860kg/m3,楊氏模量210GPa,泊松比0.3,在HyperMesh軟件中輸入材料的真應力應變曲線。防阻塊是用來連接立柱和波形梁板,防阻塊的縱向高是200mm,單元類型和材料模型與梁板一致。波形梁護欄和地面的連接是通過立柱。路側A級波形梁護欄的立柱全高為2 150mm、壁厚4.5mm、外經為140mm,且1 400mm埋在地下。兩根立柱間隔了4 000mm,其有限元模型的單元類型和材料模型與防阻塊、梁板一致,有限元模型及尺寸如圖4所示。

2 汽車與護欄碰撞仿真建模

通過對高速公路上事故的相關調研,發現大部分車輛與護欄發生碰撞時碰撞角度都小于20°,因此,本文所有的模型中碰撞角度都定為20°。為模擬不同的防撞性能,本文對3種車型分別選取了60、80和100km/h的碰撞速度。

設置汽車和波形護欄的接觸為自動單面接觸形式、汽車與波形護欄的接觸為自動面面之間接觸形式、汽車車輪與地面之間為自動點面接觸形式,摩擦系數設定為0.15,求解時間設置為0.4 s。

由于時間步長要小于最大允許值,則

Δt≤tcrit=2/ωmax

(1)

式中,ωmax是最大的頻率,Hz;ωmax=2c/l,l表示網格單元的邊長,mm;c表示波在其中的速度,m·s-1。當比例因子0.9時,則允許的最大時間步長為

(2)

式中,E為材料彈性模量,MPa;ρ為材料密度,tg/m3;υ泊松比。

當汽車與護欄碰撞時,細分碰撞位置的護欄網格尺寸,設置單元長度為10mm,則允許的最大時間步長為

(3)

3 護欄碰撞仿真及性能比較

A級波形梁護欄的波形梁板、防阻塊和立柱都是由Q235普通碳素鋼材料制成,厚度不低于4.0mm,整體較重,所以公路護欄的輕量化工作具有現實意義。由于中錳鋼具有很好的強塑積(60GPa%)、成形性和吸能性,是實現輕量化的理想材料。因此本文將Fe-0.1C-5Mn中錳鋼材料應用于波形梁護欄上,探究其抗撞性能及輕量化潛力。

3.1 材料性能

本文通過單向拉伸試驗實測了Q235鋼、HSLA鋼、Fe-0.1C-5Mn中錳鋼的應力應變曲線,如圖5所示。這3種材料的理論吸能性是其應力應變曲線所包圍的面積,即應力對應變的積分所得的應變能,數值如圖5的條形圖所示。

圖5 3種鋼材應力應變曲線及吸能性比較

通過圖5可見,中錳鋼的吸能性是Q235鋼的2.7倍,即中錳鋼護欄板的厚度減薄63%(由4.0mm降低到1.5mm)同樣可以滿足碰撞吸能要求。

3.2 碰撞點的選擇

碰撞點是發生碰撞時車身最先接觸到的護欄位置,不同碰撞點會直接影響護欄的變形程度。在A級波形梁板上選取不同的碰撞點(見圖6),車型選擇轎車,對不同碰撞點的碰撞分析分別求解計算。

圖6 汽車碰撞護欄有限元模型及護欄變形圖

如表1所示,這4個不同碰撞點分別對應護欄橫向最大變形量。通過表1可以看出,位置2處護欄會產生最大的橫向變形623mm,這是由于汽車以一定初速度和角度碰撞之后會繼續行進,因此波形防撞梁最大位移處在中心區域。而位置3雖然是中心區域,但是由于汽車繼續移動實際發生變形區域不在中心處,因此位置2是發生位移最大的碰撞點。

表1 不同碰撞點工況下護欄最大橫向變形量

3.3 兩種材料護欄抗撞防護性能對比

仿真轎車、SUV和客車分別以60、80、100km/h的速度碰撞中錳鋼護欄和普通碳素鋼護欄,對比分析兩種材料護欄抗撞防護特性。仿真車輛撞擊護欄的位置2(見圖6),對比分析兩種材料護欄的吸能性以及車輛座椅受到的最大加速度,并獲得護欄最大橫向變形量。圖7是3種車型以80km/h的速度撞護欄時汽車座椅上加速度變化曲線。通過圖7可以看出,3種車型在該速度下撞擊防護欄時,當材料為中錳鋼時車輛座椅處所產生的最大加速度均小于材料為Q235鋼護欄,這表明乘員的傷害程度會更小;當碰撞速度為60km/h和100km/h得到類似的結論。通過分析變形可知,不同情況護欄由于被撞擊而產生的最大變形值都小于1 000mm,滿足要求,而且中錳鋼護欄的最大變形量均小于Q235鋼護欄,說明中錳鋼護欄的抗撞潛力更大。

(a)轎車座椅處加速度曲線

4 中錳鋼護欄梁板厚度優化

目前我國高速公路A級波形梁護欄梁板厚4mm,利用控制變量法不改變防阻塊、立柱的材料和厚度,使用中錳鋼代替碳素鋼作為梁板。研究不同厚度的中錳鋼梁板的抗撞防護特性,圖8是轎車以不同碰撞速度撞擊不同厚度Q235和中錳鋼護欄時的吸能曲線。

圖8 轎車以60、80、100km/h的速度撞擊不同厚度護欄的吸能曲線

從圖8可以看出:當車速為60km/h時,2.8mm厚的中錳鋼梁板的吸能性和乘員受損程度與4mm厚的Q235鋼相近;當車速為80km/h時,3.0mm厚的中錳鋼梁板的吸能性和乘員受損程度與4mm厚的Q235鋼相近;當車速為100km/h時,3.0～3.2mm厚的中錳鋼梁板的吸能性和乘員受損程度與4mm厚的Q235鋼相近。研究表明,護欄在受到碰撞時,3種同厚度的中錳鋼梁板產生的橫向變形都小于1 000mm,符合使用要求。因此采用中錳鋼波形防護梁相比于目前的A級波形防護梁,厚度上能減薄1.0mm,實現25%的輕量化。

5 結論

本文針對我國高速公路A級波形梁護欄開展了抗撞防護特性分析和輕量化研究,得到如下結論:在多數碰撞情況下,中錳鋼護欄的耐撞性明顯優于Q235鋼護欄。碰撞過程中,能量吸收曲線的變化規律與車輛結構、碰撞速度和車輛質量等因素有關;A級波形防護欄材料由Q235鋼改為中錳鋼,梁板厚度可減少1.0 mm,輕量化程度可達25%。