大客车碰撞“三明治”式护栏的仿真与试验研究摘要：针对目前高速公路钢制护栏造价较高、易腐蚀等缺点，开发了一种基于新型高分子复合材料的“三明治”夹层结构护栏来增强耐撞性。使用Hypermesh与Ls-dyna软件建立了“整车-护栏”有限元模型，通过仿真试验分析，对护栏结构进行了优化和改进设计，并通过实车碰撞试验测试，验证了优化后的高速公路半刚性新型护栏满足相关法规要求。关键词：客车碰撞；有限元；复合材料；“三明治”夹层结构；高速公路护栏中图分类号：U467.1文献标文献标识码：A文献标DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2013.04.042009年公安部统计数据显示，我国发生在普通公路上的交通事故约有45%是由于车辆偏离驶出道路造成的，发生在高速公路上的交通事故中也约有30%是这种情况[1]。而大客车等重型车辆由于质量大，重心高更易冲破护栏并发生侧翻等特、重大恶性交通事故，甚至可能造成单次事故10人以上死亡的惨剧。因此，开发一种能够对大型车辆起到防护作用的高速公路护栏具有重要意义。近十年来，随着汽车碰撞动态有限元仿真技术的发展，实车碰撞试验与计算机仿真试验相结合，研究改进护栏的方法得到日益广泛的应用。湖南大学使用MADYMO软件建立了人-车-护栏碰撞模型，研究了不同参数对人体的损伤影响[2]。长沙理工大学使用VPG建立护栏碰撞系统有限元模型的方法，并提出了很多护栏改进方案[3]。同济大学探索了护栏结构仿真优化[4]。另外，沈阳工业大学、青岛理工大学等分别从不同方面对高速公路护栏设计、改进等做了相关研究[5-7]。针对钢结构护栏存在造价较高、易腐蚀等缺陷，而半刚性护栏具备吸能性好、外形美观、更换维修方便等众多优点，本文提出了一种高分子复合塑料材料并带夹层结构的半刚性护栏来增加耐撞性。并以某款大客车为例建立了整车-护栏碰撞有限元模型，与实车碰撞试验结果对比验证了有限元模型的有效性。1大客车护栏碰撞防护机理高速公路上大客车与护栏的碰撞一般分为3个阶段：碰撞前阶段、碰撞持续阶段以及碰撞后阶段。其中碰撞前阶段通常是为了避免事故发生采取的制动或操纵转向盘的避险操作。碰撞持续阶段是汽车与护栏相互接触并且有大量能量交换的过程。与其它的汽车碰撞形式类似，碰撞持续时间较短，约为100～600ms，其间一部分汽车动能由护栏与汽车的塑性变形所吸收。碰撞后汽车可能会发生不同的运动形式，如在护栏导向作用下转向直至停车，轮胎受到立柱的阻挡导致车体绕立柱旋转、冲断护栏、越过护栏、侧向翻转等。由于惯性作用，侧翻趋势实际上一般在碰撞发生600ms之后。为了捕捉到汽车碰撞后可能发生的侧翻现象，仿真计算时间至少为950ms[3]。本文的仿真计算时间设定为1000ms。开发的新型护栏不仅要有良好的耐撞性，而且要有较好的诱导车辆转向性能，使车辆运动方向尽可能向公路前进方向转变，并要求护栏表面光滑不能有明显的突起等。此外，在危险路段应该使用混凝土护栏与半刚性护栏相结合的方式防止护栏被冲断。2大客车-护栏有限元模型的建立与验证为了研究护栏与大客车直接接触的相互作用过程，得到大客车运动形态以及速度的变化情况，从而验证护栏改进方案，本文建立了大客车-护栏碰撞有限元模型。在一般事故过程中主要是大客车前部与护栏发生碰撞，汽车后部很少与护栏发生接触，变形不大。为了减少计算时间，对大客车前部结构的有限元网格进行细化，主要包括保险杠、纵梁、发动机罩、轮胎等部件，汽车后部车身结构模型设定为刚体，保证质心、质量、刚度、转动惯量等与实际车辆符合。相关碰撞试验参数参考JTG/TF83-01-2004《高速公路护栏安全性能评价标准》[10]。2.1护栏材料特性试验研究样品护栏由复合材料基体和夹层组成。根据有限元建模的需要，对两种不同材料进行了静力拉伸试验，得到试样的应力-应变曲线。从该曲线中移去弹性应变即得到有效应力应变曲线，如图1所示。护栏外层基体的参数设置见表1。2.2护栏有限元模型护栏系统模型包括护栏板、防撞块、立柱、地面、加混凝土封层土地基等部件。为了模拟长距离护栏的受力，建立了11段独立护栏板，总长44m。每段由3个立柱支撑，护栏体与立柱之间为多边形防撞块结构，护栏板之间由螺栓...