高速公路护栏端头碰撞能量衰减装置性能模拟仿真研究(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者：金莹

出版社：中国财富出版社

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高速公路护栏端头碰撞能量衰减装置性能模拟仿真研究试读：

前言

汽车数量和高速公路修建里程数的相继增加，直接导致了交通事故数的大幅度增加。其中汽车与护栏碰撞、剐蹭或者直接越出道路外所造成的事故造成了严重的生命财产损失。因此，改进高速公路护栏及护栏端头现有的结构形式，研究分析高速公路交通安全设施的工作具有非常重要的理论意义和实际应用价值。

首先，本书基于国内外的护栏研究现状和评价标准，结合我国道路防护设施的实际需要，研究和分析并总结出适合我国道路条件的护栏端头研究内容、研究方法及技术路线。

其次，本书拟采用计算机仿真法进行研究，应用Pro/Engineer软件和ANSYS/workbench、LS-DYNA软件进行建模、静力加载试验和动力仿真试验。对汽车—护栏端头控制理论进行了详细分析，分析了汽车与护栏碰撞过程的有限元方法基本原理和有关算法，从有限元求解控制方程、单元算法、应力修正、接触碰撞界面以及时间积分、沙漏控制等方面进行考虑，根据实际情况选择适合的控制方程和单元算法，为后续的车辆与护栏端头碰撞能量衰减装置性能研究提供了理论依据。

本书从高速公路交通安全现状实际需求和创新的角度出发，研发了新型半壳体护栏端头和圆筒护栏端头结构的高速公路碰撞能量衰减装置，并对其进行计算机模拟仿真和动力学特性的分析研究。应用动力学仿真试验分析了在不同碰撞条件下的碰撞过程，得到碰撞过程中的应力分布状态、变形形成过程与动能转化规律，给未来开展交通安全设施研究领域人员提供一定的理论参考。

根据护栏耐撞性水平的评价标准及仿真结果分析，研究的两种高速公路护栏端头碰撞能量衰减装置具有良好的端头整体韧性和缓冲性能，能够有效地吸收碰撞能量，有效地衰减碰撞冲击力，并可尽量避免车辆及车乘人员因承受过大压力或翻出护栏而发生严重的交通事故。本书所设计的高速公路护栏端头碰撞能量衰减装置具备制造成本低、外表美观、安装维修容易等优点。该高速公路护栏碰撞能量衰减装置主要应用在高速公路波形板护栏、混凝土护栏的端部，也可以应用在交通分流处三角地带、中央分隔带开口以及隧道入、出口处等位置。研究结果具有良好的市场应用前景。金莹2016年11月

1 绪论

1.1 研究背景

鉴于我国经济的飞速发展，高速公路设施建设得到了人们的普遍重视。

新中国成立以来，中国公路建设进程飞速，在新中国成立初期，我国只有8万千米公路，到2012年年底我国公路总里程已超过423.75万千米，高速公路里程已达到9.6万千米，对我国现代化建设的推动贡献巨大。

我国现有运输方式为公路、铁路、民航、水运、管道五种，公路是其中最基本的服务方式，公路运输在这五种运输方式中有着举足轻重的地位。

高速公路发展突飞猛进、如火如荼，这是我国社会进步的一种体现，也是我国经济发展的必然产物。截至2012年年底，我国高速公路形成了更为合理的结构态势，国家高速公路网基本实现了东网、中联、西通的目标。因此，从根本上提升了公路运输在综合运输体系中的地位，也必然带动我国各个产业的发展，公路运输业的蓬勃发展，为我国经济插上腾飞的翅膀。

2011年，美国著名汽车行业杂志Wardsauto公布了全球机动车保有量排名。美国以2.4亿汽车注册量位居第一，中国以7800万辆位居第二，日本以7400万辆位居第三。根据这个业内比较权威的排名，比较汽车保有量在前六的各国公布的交通事故官方数据会发现，中国以6.2万的死亡人数居第一，而和中国的汽车保有量在同一量级的日本则只有4612人因交通事故在2011年死亡。根据以上数据计算，中国、日本和美国的万车死亡率分别是8.26、0.64和1.4，中国的万车死亡率是日本的13倍，是美国的6倍，我国当前交通事故总量比较大，万车死亡率比较高。图1-1为2011年汽车保有量前六的国家因交通事故死亡的人数。

高速公路的建设与发展，有着其不可替代的优势，但同时也带来了高速公路交通事故数量不断增长的负面效应。根据统计资料，我国发生在高速公路上的交通事故占全国交通事故数量的45%，在高速公路上车辆与护栏碰撞事故数量约占高速公路交通事故数量的2/3，失控车辆碰撞后由于骑跨、翻越护栏，或者翻转、掉头驶入相邻车道引发的重、特大交通事故占全国交通事故数量总和的62%。与此同时，我国每年汽车与路侧设施碰撞的单车事故占交通死亡事故的1/3，且所占的比例逐年上升。通过分析交通事故统计数据可知，随着道路交通状况的改善、高速公路管理水平的提高、人们安全意识的增强，全国交通事故每百千米事故数和事故增加率逐年下降，但绝对数量和致死率（见表1-1）却因为高速公路里程数的增加而不断上升，其中失控汽车与护栏碰撞的交通事故比例最大。因此，科学地搞好交通管理，有效地降低交通事故率和致死率，在高速公路上设置防撞护栏等一系列的防护设施是最切实有效的方法之一。2000—2007年我国高速公路交通事故数据统计分析如表1-1所示。图1-1 2011年汽车保有量前六的国家因交通事故死亡的人数表1-1 2000—2007年我国高速公路交通事故数据统计分析表续表

护栏是高速公路上最重要的交通安全设施，当事故发生时，有冲出路外趋势的车辆会被护栏阻止，这有效降低了事故发生时的破坏程度。但是关于护栏的应用场合、结构选择、防撞等级、吸能效果、安全性能等方面需要进行更深入系统的研究。例如，在互通式立交进出口、中央分隔带开口处、匝道出入口处等高危路段最易发生严重的恶性交通事故，因此，在特殊路段需要对护栏或者端头的结构形式、防撞等级、吸能状况等方面加以重点考虑。我国高速公路上基本采用的是半刚性波形梁护栏和混凝土护栏。在高危路段安置沙桶，并在桶表面配上视觉诱导警示图案，但是关于沙桶的安全性能和防撞等级等并没有相关的理论依据支撑。因此，从我国国情出发，结合高速公路实际情况，自主研发高速公路护栏端头碰撞能量衰减装置迫在眉睫。

1.2 研究的理论与实际意义

护栏主要由端头、标准段和过渡段组成，护栏端头有上游端和下游端，护栏端头指的是护栏在起点或终点处所做的一种特殊处理（护栏标准段开始端或结束端所设置的端头结构），设计合理的护栏端头结构非常重要。本书对所设计的高速公路护栏端头碰撞能量衰减装置结构进行有限元模拟碰撞仿真研究，其主要应用在相对危险的路段（如出入匝道口处、混凝土护栏与波形梁护栏连接处以及护栏起始或终点处等）。护栏组成相对位置如图1-2所示。图1-2 护栏组成相对位置图

相关学者及单位在我国产品设计和数值模拟、实车碰撞方面做了很多研究，潜心研究了护栏结构设计、护栏导向性、美观性以及车辆与护栏碰撞时护栏的安全性，为新型高速公路护栏的设计开发奠定了坚实的基础。但是，我国对于高速公路上护栏端头的设计研究并没有提上日程，研究甚少。端头外展是最常用的做法，即设置渐变段在护栏端头和标准段之间以实现端头外展，最常见的两种设置形式是圆头式和地锚式。在高速公路上，这些端头结构均有应用并具有较好的安全性，但与国外护栏端头相比，性能尚存在一定差距。以下是车辆与传统护栏端头发生碰撞后的事故图例。

图1-3为小型车碰撞传统护栏端头的事故形态。可以看出，小型车辆由于车体重心低、碰撞端头角度大，基本上相当于正面垂直碰撞，因此与护栏端头碰撞事故的严重程度远远大于车辆与护栏侧面碰撞事故程度；碰撞直立式波形梁护栏端头，易发生波形梁板刺穿车体伤害乘员的事故；碰撞地锚式波形梁护栏端头和混凝土护栏端头，车辆沿坡面迅速爬升，易发生翻车和翻滚事故；碰撞直立式混凝土护栏端头，车头粉碎危及乘员生命安全；碰撞U型波形梁或混凝土护栏端头，由于得不到良好缓冲吸能，护栏端头易插入车体，对乘员造成严重伤害。

图1-4为大型车碰撞护栏端头的事故形态。可以看出大型车由于车体重心高，碰撞护栏端头后未造成严重伤害。

图1-5为沙桶碰撞事故形态。虽然绝大多数高速公路在互通式立体交叉进出口等处的U型波形梁护栏端头或混凝土护栏端头设置防撞桶，但实践证明防撞桶不但起不到应有的防撞作用，还会造成大量抛撒物侵入相临车道，容易引发二次交通事故。图1-3 小型车碰撞护栏端头事故形态图1-4 大型车碰撞护栏端头事故形态图1-5 沙桶碰撞事故形态

车辆与传统护栏端头发生碰撞后的事故原因分析如下：（1）发生正面碰撞时，圆头式端头不能发生位移，是波形梁板插入车体的最主要原因；（2）护栏端头没有安装缓冲装置导致车辆突然撞击产生巨大的冲击力以及冲击加速度，造成车内驾驶员和乘客的严重伤亡；（3）地锚式护栏端头的设计理念是靠车辆爬升来吸收车辆碰撞动能，但会引起翻车和加速度超标；（4）圆头式端头面积小是波形梁板易插入车体的另一个原因；（5）立柱阻绊车辆是引起正面碰撞圆头式端头时车辆加速度超标的最主要因素，新型护栏端头不存在车辆阻绊问题，有效降低车体加速度，保证车乘人员安全；（6）护栏端头较高的刚度和强度设计导致车辆撞击时无法缓慢释放能量，从而导致大量能量积聚瞬间爆发；（7）护栏端头螺栓的高强度连接以及其他连接组件设计的不合理性使得其被撞击后无法及时断裂，导致车辆卡在护栏组件上无法挣脱。

综上所述，护栏端头研究的理论与实际意义主要体现在以下几个方面：（1）根据我国国情的实际情况，自主研发符合我国道路交通安全的高速公路护栏端头碰撞能量衰减装置，具有重要的理论意义和实用价值。

虽然我国一些学者和专家对护栏的潜心研究做出了突出的贡献，并且取得了一定的研究成果，但与国外相比还有较大的差距。仍然存在很多问题，主要体现在：①根据国外有关标准和规范设计的各种结构形式的护栏端头在我国高速公路上已经得到应用，但是我国没有自主知识产权，缺少技术数据；②从我国实际出发，由于高速公路上违章超速车辆较多，原有护栏端头结构难以满足实际需要。因此，根据我国国情，研究开发符合我国道路交通安全的新型高速公路护栏端头碰撞能量衰减装置，具有重要的理论意义和实用价值。（2）对于降低车辆在高速公路危险三角区内的事故率方面，科学合理地设计护栏及其端头具有重要的实际意义。

目前，我国对高速公路或危险路段上护栏及其端头的作用和设计重视不够，直接利用国外护栏原有的护栏端头结构。虽然在国外的高速公路上，这些护栏端头设计被应用且效果也被初步证实，但对于我国的实际道路条件来说并不完全适合，因此交通事故频繁发生。所以，研制适合我国道路条件的护栏及其端头结构迫在眉睫。（3）护栏端头的研究成果为高速公路事故分析提供了有价值的参考数据，也为高速公路护栏设计人员提出了指导性建议。

本书除了对模型进行仿真分析外，还将不断调整优化护栏的某些参数，设计出两种新型的护栏端头结构，通过调整不同参数来分析护栏端头的防撞能力，为将来对护栏端头进行优化设计提供参考。（4）改善路侧安全的对策与理念，以提高路侧安全设计水平，对于缓解当前交通安全的严峻形势具有十分重要的现实意义。

1.3 国内外相关研究综述

护栏端头作为护栏的主要组成部分，得到了各国的广泛重视。在高速公路建设初期，发达国家就着手于护栏端头结构的研究。而我国在“七五”期间才开展与护栏相关的研究工作。迄今为止，护栏端头的研究以美国、欧洲取得的成果最为突出，分别形成了各自较为合理的护栏端头设计理念。1.3.1 国外相关研究现状

1920年，美国开始护栏的研究与使用。

1962年，国家高速公路合作研究计划（National Cooperative Highway Research Program，NCHRP）在美国公路联合会的支持下组织召开，细致深入地研究分析了护栏过渡部分、护栏端头、缓冲吸能装置等系统，通过模拟仿真试验和实车足尺试验相对比，在进行了一系列的理论分析、模拟试验和数值仿真后，制定出一系列规范和标准，其中包括设计程序、加工制造、物流运输、安置维护等内容。

1971年，NCHRP在发表名为《公路交通护栏的设置、选择和维护》的报告中，详细规定了护栏的安全性能、如何选择护栏、如何安置护栏、如何维护护栏等标准。

1977 年，AASHTO（美国国有公路运输管理员协会） 制定了《交通护栏指南》，全面系统地总结了护栏的形状、结构、尺寸及护栏的设计原则、设置条件、安全评价、安装方法、维护维修等各方面的基本理论。

1981年，美国国家研究会交通科学研究所出版发行了《高速公路安全设施的评价标准》。

1988 年，AASHTO提交了路侧设计指南，此指南取代了1977年版护栏指南。此升级版本在原有基础上添加了新的内容：路侧安全附属设施、照明设施、警示标志牌、排水结构设施以及维修养护工作区等内容。美国正式开始着手护栏端头研究，研发出了一系列的产品，如端头SENTRE，消能端VAT/CAT，释放端CRT、BCT、ELT、MELT和过渡端TREND等。这些结构只能保证汽车与护栏端头碰撞时，端头结构不会刺入汽车内部，但不具备吸能能力。

1991年，美国研制开发了将护栏端头设计成埋入式，通常路侧护栏端头采用“埋入式”安全性较好。在地势险峻、地形复杂的路段只能采用解体消能式钢索护栏端头。还有一种经过改进的向下翻转式护栏端头也常用在此处，这种方法通过改进结构刚度，使汽车保持良好的运动姿态，防止翻滚等重大事故的发生。

1993年，美国NCHRP350报告，其属于一种标准性文件，用来评价道路设计是否安全。护栏设计人员必须考虑最大限度地保证道路安全，需要测评、制定一整套的碰撞试验体系和安全设施，并对已放置的安全设施和事故影响因素进行跟踪评价以增进对交通安全的理解。

日本从20世纪50年代初期开始研究护栏端头和大规模使用护栏，护栏主要应用在明神高速公路。1965年，首次制订护栏及其端头设置标准，规定了护栏及其端头的应用场合、结构形状、安全性能、安置维护等标准；1998 年 4 月，日本道路协会颁布实施了护栏设置的新标准，日本设计的护栏端头刚度大、横向变形量小，不利于吸收能量。

从20世纪六七十年代开始，法国、意大利、德国等一些欧洲国家，通过理论分析和大量的试验验证，建立了各种不同的试验设施，完善了试验流程。1.3.2 国内相关研究现状

在“七五”期间，我国首次把护栏的各种研究开发课题列入国家“七五”科技攻关项目，开展了大量的针对高速公路护栏的结构设计、制造加工、安置维护等研究工作。由于我国科研经费紧张、科研水平落后，国外护栏应用经验丰富，所以中国在早期也没有根据我国国情和公路条件对国外护栏结构形式进行科学合理的改进，而是直接照搬照抄国外护栏形式，仅凭经验设计和应用道路、桥梁护栏，使汽车碰撞护栏时撞断护栏的可能性增大，汽车从高架、桥梁上翻落，引发重大事故。

1984年，鉴于我国的护栏设计条件，交通部公路科学研究所对波形梁护栏进行了系统的研究，提出的新型护栏结构形式比较适合我国的国情。

1989年，清华大学等高校协助交通部科研所联合开发了一种新型护栏结构，护栏结构主要包括波形梁和Z形立柱。波形梁结构采用厚度3mm的深波纹横梁，钢立柱的形式为Z字形开口型，并于当年在全国范围推广使用，由于Z形柱强度过弱，所以实际应用在高速公路及一级公路上时，会造成严重的损坏，并不能保证车辆行驶安全。

1992年，中国公路工程咨询监理总公司派工作者研究分析我国高速公路上护栏的使用状况，设计了“车辆与波形梁的碰撞试验方案”，成功完成我国第一次实车足尺碰撞试验，确定了完整的试验方法和设施，圆满完成波形梁护栏的试验研究工作；通过调研我国护栏实际应用情况，交通部公路科研所研究出新型变截面波形梁护栏结构形式，该护栏线形更加舒适美观，造价更低，我国将其作为公路护栏的基本结构形式，并将该结构纳入交通行业标准，在全国范围内推广应用，该结构横梁为变截面形式，使用性能良好的高强螺栓在接合处将横梁紧密连接，确保了横梁的连续作用。

1994年，我国制定了《高速公路交通安全设施设计及施工技术规范》（JTJ 074—94），规定了护栏端头的设计要求、设计原则、所用材料和质量要求等内容；同年5月，交通部公路管理司下令停止使用波形梁护栏“Z”形柱。

1995年，中国公路工程监理咨询总公司的刘少源提出高速公路汽车与护栏碰撞的柔性梁法，他指出波形梁未出现显著的塑性流动，也不考虑车体的自身变形和车与地面、车与护栏之间的摩擦，将车与护栏的整个动力碰撞过程模拟成质点在梁—柱结构运动，因此护栏位移和车辆碰撞过程中运动轨迹的数据均可得到。

随着我国经济建设的迅速发展，高速公路路网分布越来越密集，重型车和大型车数量持续增加，波形梁护栏已经不能保证大、重型车的行车安全，交通事故频发。因此，交通部公路科学研究所开发了更好的试验手段，用来研究高速公路碰撞。

1996年，周志斌、冯联杰等中国农业大学的学者们对汽车与护栏等公路设施的碰撞过程用计算机进行了仿真分析，他们阐明了思想观点和分析方法，提出了汽车与护栏碰撞后的一系列相关算法，建立汽车—护栏的碰撞模型，缺点是该方法与碰撞时真实的弹塑性大变形情况存有较大的偏差，因为他们都将汽车与护栏结构设定成弹性体。

1997年，中国矿业大学李华教授提出一种高速公路组合型护栏，该护栏在碰撞中能保持高度基本不变，鉴于该结构及其受力方面的特点，将护栏计算模型简化，并提出一种简单、准确的模拟方法，用来模拟护栏受到冲击发生变形的过程；此后，张誉教授对刚性护栏进行研究，同济大学的石红星、华南理工大学的钟云华、华南理工大学的黄小清教授和沈阳建筑工程学院的阎小平、姚启明等人在护栏的碰撞安全性方面努力开展研究。

1999年，我国知名的交通工程专家贾日学、汤文杰等创办北京深华达交通工程检测有限公司，公司试验场位于北京市昌平区西北部的白杨沟旅游风景区，占地约40余亩，是目前国内唯一满足标准的大型实车足尺碰撞试验场，能进行最大吨位40t、最高速度120km/h，还能在坡道加速的实车碰撞试验；根据高速公路的实际需要，安全护栏的创新试验研究得到发展，先后开发出了危险路段（陡崖峭壁）座椅式护栏、桥梁混凝土护栏（具有高防撞能力）、槽形混凝土护栏（置于中央分隔带）、混凝土基础三波梁护栏（协作式）、混凝土护栏（应用于弯道）以及活动护栏（防撞型）等，已开始生产并推广使用。根据《公路交通安全设施标准汇编1999》，把护栏端头分为圆头式和地锚式两种，其中圆头式遵循表1-2中的规定，地锚式遵循JTJ 074中的规定。表1-2 圆头式端头尺寸规格及允许偏差

2000年，交通部制订并推广应用《公路三波形梁钢护栏行业标准》，设计出三波形护栏端头，主要用于地势险峻、地形危险、事故率较高的路段。同年，雷正保教授（长沙理工大学）建立了有限元模型，在摆锤撞击半刚性护栏的过程分析中应用这个模型，它利用有限元方法模拟的护栏被摆锤撞击后的整个大变形过程精准度很高，并在国内利用间接方法验证了该模型的准确性。

2001年，雷正保教授提出半刚性护栏防撞新思想，在宏观上指出了半刚性防撞护栏研究思路的新方向，即将汽车—半刚性护栏碰撞系统作为一个完整的大系统，并对其进行耦合模拟分析，具有跨越性的意义。

2003年，香港路政署利用北京深华达交通工程检测有限公司的试验场地进行实车碰撞试验，将1辆马自达轿车时速设定为130km/h，将3辆双层巴士的时速分别设定为50km/h和70km/h，碰撞两种护栏结构，验证了两种护栏结构的防撞性能及导向功能，这一举动属全球首次。

2005年，我国研发出一种新型抗冲击旋转式公路防撞护栏，在北京东郊的交通部公路碰撞试验场进行碰撞试验，碰撞车辆选用10t货车、碰撞速度设定为60km/h；进行了单根波形梁缩比、单跨缩比、三跨缩比护栏系统的冲击试验和相应的有限元分析。

2007年，中国科学院力学研究所的张晶等学者们对比分析了实车足尺碰撞试验结果和车辆与弯道处的混凝土护栏碰撞的数值模拟结果，提出了在碰撞过程中，曲线半径的大小也会直接影响乘员的安全，通过仿真分析和试验数据对比，得出车辆在与弯道混凝土护栏碰撞过程中对乘员伤害最大的护栏半径。

2008年，山东大学的吕国仁教授验证开发的新型波形梁护栏端头满足相关评价标准的要求；沈阳工业大学的沈新普教授利用Abaqus 6.5软件进行有限元仿真分析，选取不同型号、不同质量的车辆碰撞护栏系统，对弹塑性大变形动力学接触问题进行仿真，计算出护栏的最大位移量，研究护栏系统的吸能效果，并讨论摩擦系数对护栏结构的影响。北京中路安交通科技有限公司进行了实车足尺碰撞试验，试验对象为新开发的波形梁护栏端头。

2010年，北京中路安交通科技有限公司闫书明教授等学者采用有限元仿真与实车足尺碰撞试验相结合的技术手段，以此评定护栏的安全性能。得到的结论是：护栏吸能630kJ，车辆碰撞护栏试验结果和仿真结果基本相同。护栏变形量以及车辆加速度变化均满足要求。1.3.3 国内外研究评述

在汽车与护栏碰撞方面的研究，我国已经开始跟上国际的步伐，但在个别方面仍存在差距，如碰撞试验数据和建立准确模型的技术等。国外护栏端头的结构设计起步较早，研究考虑的因素也相对全面，所以具有良好的使用效果，目前主要集中在护栏端头对整个护栏碰撞性能影响的分析方面。通过科学的分析碰撞过程，从而更好地开发出新型护栏及其端头的结构，同时国外的碰撞模型建立都需要进行试验验证来保证模型的可靠性，而国内目前对护栏端头的重视程度明显不够，仅停留在不同类型车辆与护栏的有限元模型的开发和检验护栏性能的阶段，究其原因主要是增加护栏端头将增加护栏设施建设的整体费用、生产企业因结构过于复杂或者市场需求少而不愿生产等。目前推行的木质解体消能式护栏端头在国外有一系列的实践标准，而在我国还未投入使用，仅仅停留在宽容设计阶段，而且设计理念不成体系，与发达国家相比仍有较大的差距。传统护栏端头形式没有采用解体消能立柱或者滑动基座，又没有采用吸能、变位等设计。因此端头的吸能效果不会很好，也容易发生各类交通事故。

1.4 主要研究内容

1.5 研究方法及技术路线

目前，国内外研究分析汽车与护栏以及端头碰撞时，基本通过四种试验来完成：计算机仿真试验、有限元数值分析、缩尺模型试验以及实车足尺碰撞试验。研究方法介绍如下：

1.计算机仿真试验法

采用计算机对数学模型进行仿真试验，仿真模拟汽车与防撞护栏的碰撞过程，得到相关数据，然后进行分析研究。该方法的优点是方便快捷、成本低廉、可重复试验，还能根据各种结构参数的变化计算出冲撞的响应。广泛应用于汽车碰撞安全领域，尤其在乘员安全保护、汽车与护栏结构设计等方面极具应用价值。

2.有限元数值分析法

目前国际上通用的用于有限元分析的主要有ANSYS、NASTRAN、ABAQUS、MARC等大型软件分析程序，其中ANSYS软件最具代表性。这种方法既具有强大的前后处理计算机数据的功能，又有计算机仿真试验的优点。其可以模拟护栏碰撞过程中的大量非线性因素，分析数值方便。因此，该研究方法适用有效且快速经济。

3.缩尺模型试验法

按一定比例缩小实际护栏体系或其中的部分构件来进行。优点是能在试验室内多次、反复进行模拟试验，可以节省大量试验经费，能模拟不同车型、不同碰撞角度、不同碰撞速度条件下的碰撞过程，是对护栏进行安全特性、撞击刚度和吸能性等物理力学特性研究，是一种经济有效的试验方法。但需要合理解决动力模拟相似性的问题。

4.实车足尺碰撞试验法

是最重要的研究手段，以交通事故再现的方式来评价汽车护栏碰撞的安全性能，与真实事故情况最接近，在碰撞试验中研究碰撞前后人与车的运动状态及损伤情况等，是最基本最有效的一种方法。试验数据真实可靠，但不可能进行多次重复试验，试验本身也具有一定的危险性，且费用巨大，即使用传感器也难以获得全面的信息。综合评价汽车碰撞安全性能，实车足尺碰撞试验是一种最基本、最有效的方法。因为交通事故中各种形式的碰撞是瞬时发生的、不可预知的，因此需要进行大量的、不同条件的试验，试验费用高昂。

综合以上研究方法的优劣分析，本书研究方法为计算机仿真试验法与有限元数值分析法相结合，具体操作为：通过ANSYS/Workbench软件对所设计的护栏端头进行静力加载试验，来确定护栏端头的材料；由于ANSYS/Workbench软件不支持动力仿真分析、碰撞模拟和曲线分析，而LS-DYNA软件对汽车与护栏及端头碰撞仿真分析最具代表性，因此，选择LS-DYNA软件进行后处理，以动态显示非线性有限元为理论依据，来验证所设计的护栏端头结构的安全性能和吸能效果。1.5.2 技术路线

根据上述对国内外护栏及其端头结构研究现状的分析，本书拟从理论上研究护栏端头合理的整体设计方案。采用软件建模的方法，基于经典力学原理，构建护栏端头三维结构模型。在确定碰撞条件及检验标准的前提下，利用计算机仿真试验法与有限元数值分析法相结合，对本书所设计的护栏端头碰撞能量衰减装置进行三维碰撞仿真试验，分析碰撞过程中护栏端头碰撞能量衰减装置有限元模型的动能转化规律、动态变形量、乘员撞击加速度以及应力分布与变化情况。技术路线如图1-6所示。图1-6 技术路线

2 护栏评价标准及端头碰撞能量衰减装置结构设计方案

由于国内外目前均无系统全面的护栏端头安全性能评价标准，因此通过国内外主要护栏安全评价标准中的评价指标对比分析，包括美国护栏安全性能评价标准NCHRP Report 350、欧盟护栏安全性能评价标准BS EN1317：1998和以欧盟的EN1317、美国的NCHRP350为蓝本编写而成的中国护栏安全性能评价标准JTG/T F83-01-2004，来确定本书依据的护栏端头安全性能评价标准。

2.1 安全性能评价标准

1.美国护栏安全性能评价标准NCHRP Report 350

美国是最早开始研究高速公路护栏的安全试验和性能评价标准的国家，NCHRP Report 350标准的具体内容如下：（1）允许护栏在规定范围内发生横向弯曲、变形，不允许有大位移、大变形，要求护栏保持较好的刚度，具有良好的导向性，防止车辆跨越护栏；（2）被测护栏的脱离、断裂和弯曲变形等情况必须是可预期的；（3）合格的护栏性能可以是：改变试验车辆行驶方向，使试验车辆的穿透、停止均在规定范围内；（4）脱离的组件、碰撞碎片或其他碰撞残移物不能具有穿透乘员车厢的趋势或者穿透乘员车厢，也不得对往来车辆、行人和工作区内工作人员的安全造成威胁，更不允许出现造成乘员严重伤害的车厢内向变形、侵入这一情况；（5）脱离的组件、碰撞碎片或其他碰撞残遗物都不能影响驾驶员的视线，保证驾驶员正常操控车辆；（6）乘员碰撞速度应满足乘员碰撞速度极限和撞击加速度；（7）在碰撞之后，其他临近的行车道最好不被碰撞车辆运行轨迹侵入到；（8）乘员碰撞速度最大不得超过12m/s，同时乘员纵向冲击加速度不得超过20g；（9）测量出射角度的点应在试验车辆刚好脱离开被测护栏那一时刻，最佳出射角度应为试验车辆的出射角度小于碰撞角度的60%；（10）允许试验车辆的运行轨迹超出护栏长度；（11）试验车辆在碰撞过程中和碰撞后允许轻微的摇晃、倾斜和方向偏移。

2.欧盟护栏安全性能评价标准BS EN1317：1998

EN1317标准的具体内容：（1）护栏在不能被冲断的情况下能有效阻挡车辆并导向；（2）护栏的主要部件不能脱落，护栏的部件不能脱落伤人或者穿入乘员舱；（3）护栏立柱的设计应符合安全护栏的设计准则；（4）变形护栏的中心线不能被试验车辆的重心越过；（5）不论在碰撞过程中还是碰撞后，试验车辆均能保持正常的状态行驶；（6）试验车辆的运行轨迹在碰撞距离内不能越过与护栏规定距离的平行线。2.1.2 国内护栏安全性能的评价标准概况

1.中国护栏安全性能评价标准JTG/T F83-01-2004《高速公路交通安全设施设计及施工技术规范》（JTJ074-94）是我国高速公路护栏安全评估及研究其他交通安全设施的开始，而2004年12月颁布的《高速公路护栏安全性能评价标准》（JTG/T F83-01-2004）（以下简称F83）才是单独以护栏作为评估对象的标准。F83是在结合我国道路实际情况的基础上，以欧盟的EN1317和美国的NCHRP350为蓝本编写而成，该标准为高速公路护栏安全评价提供了坚实的理论依据，首次系统全面地提出了高速公路安全护栏的试验方法和评价标准。

2.F83标准的具体内容（1）由于护栏的防护作用应考虑大部分车辆的安全性能，因此应选用两种车型，其测试的侧重点也不同。碰撞过程中小型客车主要侧重于避免冲击加速度对车内乘员的伤害和反弹距离过大造成和其他车道正常行驶的车辆发生二次碰撞事故；大型车辆避免车辆冲出路外造成重大伤亡事故。（2）护栏应能发挥其最基本的防护性能，有效地阻挡车辆，并具有良好的导向性，禁止车辆穿越、骑跨、下穿护栏，保障乘员的安全。（3）美国《高速公路安全设施安全性能评价推荐程序》（NCHRP report350）中规定车辆的驶出角度不大于驶入角度的60%；欧盟《高速公路护栏安全性能评价标准》（BS EN 1317-1998）规定了车辆碰撞后的运行区域，即车辆的任何部位在有效距离之内不能超越限制宽度。这两种方法虽然方法不同但效果是一致的。并且根据驶出角度计算出的有效距离与欧盟《高速公路护栏安全性能评价标准》（BS EN 1317-1998）中的规定基本一致，因此本标准中规定两种方法均为有效测试方法。（4）由于护栏的缓冲性能和导向性能不良、有阻绊，导致碰撞车辆的运动轨迹发生较大的改变，发生横转、掉头等现象，可能会对乘员造成伤害或发生二次事故。（5）避免碎片（护栏的碎片）在碰撞过程中，进入驾驶室内伤及车内乘员，或阻挡驾驶员视线造成车辆完全失控，避免造成其他连带事故。

由于国内外均无系统全面的护栏端头安全性能评价标准，而护栏端头是护栏的重要组成部分。因此本书参考以欧盟EN1317和美国NCHRP350为蓝本编写而成的中国护栏安全性能评价标准JTG/T F83-01-2004，根据F83规定的试验方法和安全性能评价标准，主要从乘员安全性能评价指标（乘员撞击加速度）、最大动态变形量和吸收碰撞能量三方面考查护栏端头碰撞能量衰减装置的安全性能。2.1.3 各国护栏安全评价标准中评价指标的对比分析2.1.3.1 护栏防撞性能评价指标

由于护栏的结构形式不同，选用的材料多样，应用的路段复杂多变，因此应规定护栏的最大变形量，以确保安全、控制成本。评价指标比较如表2-1所示。表2-1 各国护栏防撞性能评价指标比较表图2-1 护栏最大变形及响应宽度表2-2 护栏响应宽度各级限值2.1.3.2 乘员安全评价指标

1.欧盟

有三个乘员安全评价指标：乘员加速度伤害指标ASI（Acceleration Severity Index）、碰撞后头部减速度PHD（Post-impact Head Deceleration）、理论头部碰撞速度THIV（Theoretical Head Impact Velocity）。（1）乘员加速度伤害指标ASI。

乘员安全评价指标ASI是在车辆重心处安装加速度传感器，通过加速度传感器获取X， Y， Z三个方向的加速度，再经过计算推导得出的。计算公式如下：

式中：、、分别为车辆重心的加速度在X， Y， Z三个方向上的分量的限制值，按照标准规定对于系有安全带的2乘员所取的限制值为2g、9g、10g（g为重力加速度，取9.8m/s）；而、、分别为车辆重心处X， Y， Z三个方向的加速度a、a、a三个分量任意δ=50ms时段的平均值，即：xyz（2）理论头部碰撞速度THIV。

在碰撞瞬间（T时刻），若乘员（头部）相对于车体坐标系的速度分别为V（T）和V（T），则：xy

即THIV（头部碰撞速度）为V（T）和V（T）的合成值，该指xy标用于衡量乘员（头部）撞击乘员舱内表面的剧烈程度。（3）碰撞后头部减速度PHD。

乘员头部和车体在碰撞过程中的加速度相同，则碰撞后头部减速度：

2.美国

在美国护栏安全评价标准中，乘员碰撞速度OIV（Occupant Impact Veloci ties）和乘员撞击加速度ORA（Occupant Ride down Accelerations）是关于乘员安全的评价指标。（1）乘员碰撞速度OIV。

式中，V——乘员与汽车发生碰撞时在X，Y两个方向上的速X，Y度；

a——试验车辆在X，Y两个方向上的加速度；x，y*

t——车内乘员因碰撞发生横向位移0.3 m或纵向位移0.6 m中所经历较小的一个时间，计算方法如下：

其中，乘员纵向位移量为X=0.6m，乘员横向位移量为Y=0.3m。

应用以上两个积分式（2-5）、式（2-6），可分别求出对应于*X=0.6m的积分时间和对应于Y=0.3m的积分时间，t为和中较小的时间。（2）乘员撞击加速度ORA。

乘员撞击加速度是指车辆与护栏碰撞过程中，每10ms间隔内，车体在横向、纵向两个方向上合成加速度的平均值的最大值。

3.中国

我国乘员安全是以车体10ms间隔平均加速度为评价指标。而F83中规定车体10ms间隔平均加速度是以《实车正面碰撞乘员保护设计规则》（CMVD294）中的假人损害指标为其评价指标。2003年，CMVDR294升级成为《乘用车正面碰撞的乘员保护》（GB 11551—2003），但头部综合性能指标HPC、胸部综合性能指标THPC和腿部综合性能指标FPC并未有所改变。（1）头部综合性能指标HPC。

式中，a——假人头部中心的合成加速度；

t，t——从初始接触到最后接触过程中任意两个时刻，t-t 1221<36ms。（2）胸部性能指标THPC为胸部压缩量，即胸部变形的绝对值。（3）大腿性能指标FPC为大腿轴向压力，即假人每条大腿所受的轴向传递的压力。2.1.3.3 对比分析

比较美国和欧盟、中国护栏安全评价标准中乘员安全评价标准如表2-3所示，经过对比分析，得到如下结论：（1）标准中部分指标所取时间间隔不同。如欧洲标准中ASI取50ms、PHD取10ms，美国标准中ORA取10ms，我国F83中的HPC采用的是36ms等。（2）评价指标采用车体的加速度，加速度取值方向不同。（3）欧盟的THIV和美国的OIV二者的指标极限值基本一致。（4）欧盟的PHD和美国的ORA都是表征乘员与驾驶舱内部碰撞之后乘员所经历的车辆加速度，欧盟PHD的最大值为20g，美国ORA

试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]

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