裴大军1，张望鹏2,邓 宝，龚 帅，杨福宇，亢寒晶，闫书明

(1.湖北武穴长江公路大桥有限公司，湖北 黄冈 435499; 2.湖南省交通科学研究院有限公司，湖南 长沙 410015 3.北京华路安交通科技有限公司，北京 100070)

0 引言

在对车辆碰撞护栏进行全尺寸碰撞试验分析时，车辆碰撞参数的变化对于试验结果会产生直接的影响。由于在撞击试验组织过程中，上述参数的设定难以避免会出现误差，因此研究安全性能评价指标对碰撞参数的敏感性问题是必要的。其结果为科学合理地制定碰撞参数误差范围提供重要的数据支撑。

采用试验的方法对防撞护栏敏感性问题进行研究，需要耗费大量的人力物力，因此大量采用试验的做法不切合实际。由于车辆碰撞防撞护栏为动力学过程[1]，采用显式动力学有限元方法对其进行仿真研究，成为另一种重要的技术手段。该方法与验证性试验相结合可以保证仿真模拟的可靠性[1-6]。

本文通过全尺寸试验对有限元仿真进行了校正，使其精度满足要求[1-6]。并以此为基础对安全性能指标相对碰撞参数的敏感程度进行系统分析。

1 防撞护栏敏感性分析

防撞护栏敏感性分析是指碰撞参数的变化对安全性能评价指标的影响分析。其中碰撞参数包含试验车辆的质量、撞击速度及撞击角度[7]，安全性能评价指标包括车辆行驶姿态、缓冲性能指标、护栏最大动态变形量等。防撞护栏敏感性分析分为单因素敏感性分析和多因素敏感性分析[8]，为了找出关键的敏感性影响因素，本文采用单因素敏感性分析方法。

在防撞护栏敏感性分析中，常用的评价指标为敏感度系数。该系数的定义为安全评价指标变化率对碰撞参数变化率的比值，其计算公式如式(1)所示。通过计算敏感度系数找出敏感因素，为合理确定碰撞参数误差范围奠定一定基础[9]。

(1)

式中：E为安全性能评价指标A对于碰撞参数I的敏感度系数；ΔI/I为碰撞参数I的变化率；ΔA/A为碰撞参数I发生ΔI变化时，安全评价指标A的相应变化率[9]。E绝对值较大者，表明安全评价指标对该碰撞参数较为敏感[9]。

2 研究对象

2.1 防撞护栏

为了通过敏感性分析达到合理确定碰撞参数误差范围的目的，以金属梁柱防撞护栏为研究对象，图1给出该护栏的示意图。图中护栏立柱间距为2m，立柱翼缘板厚12 mm，腹板厚10 mm。横梁1、2的截面尺寸为160×120×8 (mm)；横梁3、4：160×120×4 (mm)。立柱底板厚度为40 mm。

图1 金属梁柱式护栏示意图(单位：mm)Figure 1 Sketch of a steel beam-column barrier(Unit:mm)

2.2 车辆

防撞护栏碰撞试验所用试验车辆分为小型客车和大型车辆(包含大客车、大货车及拖头车)两类。采用不同类型车辆进行的碰撞试验，其结果的评价标准不同。对采用小型客车进行的试验，评价标准是通过测试车内乘员的安全保护及车辆碰撞后的运行轨迹来评判护栏的防撞性能[10]。而大型车辆则是通过碰撞过程中护栏的最大动态位移量及碰撞后车辆的运行轨迹等评判护栏的防撞性能[10]。采用后者作为碰撞车辆，能更为直接地反应出护栏对碰撞参数的敏感性。因此仿真选取的碰撞车辆为大型车辆。

3 有限元模型的建立

3.1 防撞护栏有限元模型

根据防撞护栏设计图建立有限元模型，其模型如图2所示。在模型建立过程中，考虑了冲击过程中，护栏与路基的相互作用，因此在冲击作用影响较大区域建立了钢筋混凝土路基。其中钢筋采用梁单元模拟；混凝土采用实体单元模拟，保证碰撞区域单元尺寸约为30 mm。二者通过*constrained_lagrange_in_solid关键字进行耦合，以达到共同受力的目的[2，5，7]。型钢采用壳单元模拟；单元类型以四边形壳单元为主。控制四边形单元翘屈度小于15°，长宽比小于4，最大角小于135°，最小角大于45°，严格控制三角形单元数量在5%以内，将最小特征长度控制在8 mm以上，保证计算精度和效率[1-6]。

图2 金属梁柱式护栏Figure 2 FE model of steel beam-column barrier

3.2 车辆有限元模型

图3给出了模拟所用大客车有限元模型。由于车身结构主要由薄壁金属件构成，因此采用壳单元模拟。为了保证精度，车身壳单元形状采用与模拟金属护栏壳单元相同的控制标准。车身主要材料为0.8～2.0 mm的低碳钢，发动机采用刚体材料。轮胎为橡胶材料，车辆胎压均为0.25 MPa。

图3 大客车有限元模型Figure 3 FE model of bus

3.3 模型验证

采用全尺寸碰撞试验数据对车辆碰撞护栏数值模型进行验证。

如图4所示，护栏结构残余变形的仿真结果和试验数据基本一致[1]：护栏整体结构没有损坏，碰撞区域局部有划痕及凹陷，护栏主要部件没有脱落。

(a)试验

(b)仿真图4 大客车碰撞后护栏的变形损坏Figure 4 Barrier distortion and shatter after bus impact

图5为大客车碰撞护栏过程行驶轨迹的仿真与试验结果对比，可见仿真模拟准确再现了实车碰撞过程：车辆碰撞护栏后驶出角度和行驶姿态(恢复正常)吻合[1]。

如图6、图7所示，护栏工作宽度的试验结果为0.88 m，仿真结果为0.62 m，两者数据有所出入，经分析，仿真模型中没有设置反光镜，而试验中将反光镜作为车体的一部分计入工作宽度中。若不考虑反光镜影响因素，工作宽度的仿真结果与试验结果基本相吻合[1]，误差不超过10%。

(a)试验

(b)仿真图5 大客车碰撞护栏过程的行驶轨迹Figure 5 Tracking of bus impact

图6 大客车碰撞的护栏工作宽度试验测试(W=0.88 m)Figure 6 Barrier working width testingduring bus impact(W=0.88 m)

图7 大客车碰撞的护栏工作宽度仿真结果Figure 7 FE Result of barrier working width during bus impact

根据对比分析，可知仿真结果与全尺寸碰撞试验结果一致，验证了仿真模型的准确性与可靠性，为应用仿真模拟技术手段开展护栏碰撞过程中的最大动态变形量敏感性分析奠定基础[9]。

4 敏感性分析

4.1 碰撞参数

在碰撞试验中，大型客车的碰撞参数的标准值为车辆质量18 t、撞击速度80 km/h、撞击角度20°，为了对防撞护栏进行敏感性分析，需要对上述参数分别进行调整，而后进行数值模拟。调整幅度为标准值的10%。表1给出了敏感性分析对应的碰撞参数值。

表1 碰撞参数表Table1 Impactparametertable碰撞参数车辆质量/t撞击速度/(km·h-1)撞击角度/(°)标准值188020标准值增加10%19.89822标准值降低10%16.26218

4.2 敏感度分析

图8反映了不同质量车辆撞击防撞护栏过程中，护栏出现最大动态变形量节点的位移时程曲线。各曲线第一个峰值出现在车头与护栏碰撞过程中，第二个峰值出现在车尾与护栏碰撞过程中。从图8中可知，各工况下护栏最大动态变形量分别为232.7 mm(16.2 t)、244.3 mm(18 t)及249.1 mm(19.6 t)。说明车辆质量愈大，碰撞过程中防撞护栏的最大动态变形量愈大，反之则愈小。

图8 不同车辆质量、防撞护栏位移时程曲线Figure 8 Barrier displacement time-history curves under different weight condition

表2为不同质量、最大动态变形量敏感性分析表。可见车辆质量上升10%，护栏的最大动态变形量增加了1.96%，敏感度系数为0.196；车辆质量下降10%，护栏最大动态变形量减小了4.75%，敏感度系数为-0.475。护栏最大动态变形量对车辆质量的敏感系数平均值为0.336。

表2 不同质量、最大动态变形量敏感性分析表Table2 Maximumdynamicdeformationsensitivityanalysista-blefordifferentmasscondition碰撞参数I评价指标A敏感度系数E质量/t变化率/%最大动态变形量/mm变化率/%A变化率/I变化率18—244.3——19.610249.11.960.19616.2-10232.7-4.75-0.475

图9反映了不同撞击速度工况下，护栏出现最大动态变形量节点的位移时程曲线。由图9可知：撞击速度分别为72、80、88 km/h时，防撞护栏最大动态变形量分别是300.8，244.3、198.3 mm。该数据表明撞击速度愈大，碰撞过程中护栏的动态变形量愈大，反之则愈小。

图9 不同撞击速度、防撞护栏位移时程曲线Figure 9 Barrier displacement time-history curves under different velocity condition

表3为不同撞击速度、最大动态变形量敏感性分析表。可见速度上升10%，最大动态变形量增加23.1%，敏感度系数为2.31；撞击角度下降10%，最大动态变形量减小18.3%，敏感度系数为-1.88；护栏最大动态变形量对于撞击速度的平均敏感度系数为2.10。

表3 不同速度、最大动态变形量敏感性分析表Table3 Maximumdynamicdeformationsensitivityanalysista-blefordifferentvelocitycondition碰撞参数I评价指标A敏感度系数E速度/(km·h-1)变化率/%最大动态变形量/mm变化率/%A变化率/I变化率80—244.3——8810300.823.12.3172-10198.3-18.8-1.88

图10反映了不同撞击角度工况下，护栏出现最大动态变形量节点的位移时程曲线。由图10可知：

图10 不同撞击角度、防撞护栏位移时程曲线Figure 10 Barrier displacement time-history curves under different collision angle condition

撞击角度分别为18°、20°、22°时，防撞护栏最大动态变形量分别为265.5、244.3、223.6 mm。该数据表明撞击角度愈大，碰撞过程中护栏的动态变形量愈大，反之则愈小。

表4为不同撞击角度、最大动态变形量敏感性分析表。可见撞击角度上升10%，最大动态变形量增加8.67%，敏感度系数为0.867；撞击角度下降10%，最大动态变形量减小-8.47%，敏感度系数为-0.847；护栏最大动态变形量对于撞击角度的平均敏感度系数为0.854。

表4 不同角度、最大动态变形量敏感性分析表Table4 Maximumdynamicdeformationsensitivityanalysista-blefordifferentcollisionanglecondition碰撞参数Ⅰ评价指标A敏感度系数E角度/(°)变化率/%最大动态变形量/mm变化率/%A变化率/I变化率20—244.3——2210265.58.670.86718-10223.6-8.47-0.847

综上分析，护栏最大动态变形量对于车辆质量、撞击速度、撞击角度三者的平均敏感度系数分别为0.336、2.10和0.854，可见防撞护栏最大动态变形量受撞击速度改变的影响最大，其次是撞击角度，最后为车辆质量。

5 结论

通过数值模拟，分析了防撞护栏最大动态变形量对车辆质量、撞击速度及撞击角度改变的敏感程度。在分析过程中，以平均敏感度系数作为评价敏感度的标准。仿真计算分析表明，撞击速度是影响防撞护栏最大动态变形量的最敏感因素。分析结果为制定碰撞试验误差范围提供了有益依据[10]，具有一定指导作用。