張元青,張揚,周大安,徐曉宇
(1.江西應用技術職業學院汽車學院,江西 贛州 341000;2.上海杉達學院滬東工學院,上海 201209;3.山東化工職業學院機電工程系,山東 濰坊 261108)
高速公路是目前交通領域中一個重要的組成,而且占交通運輸的比重越來越大,2017年交通運輸行業統計公報顯示,我國的高速公路占所有道路的比例是世界第一,遠遠超過其他國家。波形梁護欄是高速公路防護系統的核心組成部件,是車輛在高速公路安全行駛的重要保障。近年來,由于國內物流的迅猛發展,高速上行駛的貨車比率逐年上升,造成貨車事故率上升,且造成的事故引發的人身財產損失較大。故本研究以貨車碰撞波形梁護欄有限元仿真模擬實車碰撞試驗,分析波形梁護欄在碰撞過程中發生的變形情況,并對波形梁護欄的安全防護性能進行評價[1]。
高速公路安裝的波形梁護欄類型絕大多數是 A級和 B級,本文使用的波形梁護欄為A級的Gr-A-4E型。根據護欄尺寸等相關設計要求,通過三維建模軟件,得出波形梁護欄的三維立體模型,之后將三維立體模型導入到Hypermesh中,對其進行網格劃分,得出Gr-A-4E型波形梁護欄的模擬仿真文件,仿真模型局部視圖如圖1所示。
圖1 Gr-A-4E護欄仿真模型的局部視圖
貨車的三維模型是市面上常見的10t級的廂式貨車,由于廂式貨車的結構復雜,無法直接建立有限元模型,所以先通過SolidWorks建立貨車的立體結構,再將立體結構文件轉換為STP文件類型,之后導入到有限元軟件Hyperworks中,通過模塊Hypermesh對廂式貨車三維模型進行有限元網格劃分。為了減少網格劃分的工作量,在合理范圍內可以對廂式貨車結構進行必要的簡化處理,比如發動機的結構可以簡化成一個方塊剛體,一些對整車碰撞性能無明顯影響的小部件可以忽略不計。在前處理模塊hypermesh劃分網格的過程中,既要考慮仿真模型的精度,又要節約仿真計算的時間,所以在碰撞核心區域網格密,在非核心區域網格稀。四邊形網格是網格劃分的常見類型,但是三角形網格在網格劃分中也會出現,但由于三角形網格的仿真計算容易失真,所以盡量減少三角形單元在整個網格中的比率,針對板材殼類型的部件,其單元的相關要求如表1所示,從表上可知,三角形單元的比率要求小于5%[2]。
表1 板材殼單元質量要求
圖2 仿真分析模型
Gr-A-4E型波形梁護欄有限元模型與廂式貨車有限元模型建立耦合體系,形成一個整體碰撞仿真模型,如圖2所示,該碰撞仿真模型需要導入LS-DYNA進行計算分析。
車輛在道路行駛過程中,如果發生碰撞事故,事故的嚴重性取決于碰撞時刻車輛的速度和車輛與護欄之間的夾角,所以碰撞的速度以及夾角設置很關鍵。
碰撞時的速度以及夾角的設置需要按照國家相關規范中的要求來,有著很嚴格的限定條件,通過查詢國家相關規范可知,此次貨車碰撞Gr-A-4E型波形梁護欄的碰撞初始角設置為20°,車輛碰撞初始速度設置為60km/h。
根據最新的公路護欄安全評價標準,判斷護欄的防護性能的指標主要是從護欄的阻擋功能、緩沖功能和導向功能這三個方面進行分析。通過LS-DYNA仿真軟件計算得到仿真碰撞結果,然后用Hyperworks對Gr-A-4E型波形梁護欄的三個安全防護性能指標進行分析處理,了解Gr-A-4E波形梁護欄的防護性能。
貨車在碰撞波形梁護欄的過程中,護欄應阻擋貨車駛出道路,防止廂式貨車發生二次碰撞事故,所以合理的護欄設置是關鍵,是道路安全與否的核心要素。從相關規范中查詢,護欄最大變形量為 1400mm,即護欄變形的最大極限值,超出該范圍的護欄被認定為不安全護欄。如圖3所示,分別是t=0、92、330、511ms時貨車碰撞波形梁護欄的即時情況,在t=511ms貨車沖出護欄,護欄發生嚴重變形,由此可見,護欄無法起到良好的阻擋功能。
圖3 護欄的變形情況
如圖3所示,貨車碰撞波形梁護欄,波形梁護欄的立柱絆阻貨車,貨車車體偏離正常的行駛道路。車體碰撞過程中發生絆阻效應會嚴重影響車內乘員的安全。通過 LS-DYNA軟件的計算分析,得出碰撞過程中車輛質心三個方向的加速度變化情況,如圖4所示,從三個坐標圖看出質心的三向加速度的最大值均在200m/s2以上,是乘員無法承受的加速度,乘員可能從駕駛室越出,造成重大的生命危險。由此可見,Gr-A-4E型波形梁護欄的緩沖功能不達標,不能降低車內乘員的加速度。
圖4 車體質心處X、Y、Z處加速度曲線(cmm/s2,s)
圖5 廂式貨車行駛軌跡
如圖5可知,當t=0ms,此時是仿真模型設置的貨車與Gr-A-4E型波形梁護欄碰撞的初始狀態,到t=33ms時,貨車開始接觸波形梁護欄,到t=125ms時,Gr-A-4E型波形梁護欄與貨車完全接觸,Gr-A-4E型波形梁護欄變形量較大,且廂式貨車前護板也發生變形,當t=511ms時,Gr-A-4E型波形梁護欄各個部件幾乎脫離,已經失去防護性能,廂式貨車也完全偏離正常的行駛道路,越過波形梁護欄,極有可能造成廂式貨車發生二次碰撞事故,造成更大的人身財產損失。由此可見,Gr-A-4E型波形梁護欄的導向功能無法達到安全評價標準的要求,無法滿足高速公路防護安全的要求。
通過Hyperworks等仿真軟件建立Gr-A-4E型波形梁護欄與廂式貨車碰撞仿真體系,并分析Gr-A-4E型波形梁護欄的安全防護性能。由以上仿真模擬分析可知:
(1)Gr-A-4E波形梁護欄對貨車無法起到很好的阻擋功能,不能有效的阻擋車輛偏離正常的行駛軌道,需要改進其結構。
(2)通過碰撞仿真分析,可以了解廂式貨車結構方面存在的問題,可以對廂式貨車結構的優化提供參考。
(3)通過仿真模擬實車碰撞分析試驗是正確的研究方法,它不僅降低試驗成本,且可重復性強。
由于碰撞仿真試驗無法完全代替實車碰撞試驗,所以Gr-A-4E型波形梁護欄的安全防護性能是否達標,還需要和實車碰撞試驗做對比分析。