吳中，蘇治北

（河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，江蘇南京210098）

室內(nèi)停車(chē)場(chǎng)防撞帶設(shè)計(jì)的碰撞仿真分析

吳中，蘇治北

（河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，江蘇南京210098）

針對(duì)室內(nèi)停車(chē)場(chǎng)碰撞事故的傷害問(wèn)題，提出了停車(chē)場(chǎng)防撞帶的設(shè)計(jì)，建立有無(wú)防撞帶的車(chē)輛碰撞模型，并對(duì)長(zhǎng)方體防撞帶與波浪形防撞帶進(jìn)行性能分析比較，運(yùn)用LS-DYNA軟件對(duì)車(chē)輛、防撞帶以及墻體碰撞進(jìn)行仿真模擬。得到防撞帶和車(chē)輛翼子板的等效應(yīng)力分布和能量轉(zhuǎn)化情況，證實(shí)了防撞帶能有效減少車(chē)輛的損害程度，且長(zhǎng)方體防撞帶效果更好。

室內(nèi)停車(chē)場(chǎng)；防撞帶；翼子板；碰撞；LS-DYNA仿真

隨著城市化進(jìn)程的明顯加快與城市交通快速發(fā)展，城市室內(nèi)、地下和空中立體停車(chē)場(chǎng)得到長(zhǎng)足發(fā)展，車(chē)輛在狹小空間回旋的防撞以及減少車(chē)輛與建筑部件的傷害問(wèn)題也日益突顯。停車(chē)場(chǎng)內(nèi)除加強(qiáng)或改善車(chē)輛進(jìn)出管理外，在停車(chē)場(chǎng)適用處設(shè)置簡(jiǎn)易的小體積防撞設(shè)施，對(duì)改善車(chē)輛在停車(chē)場(chǎng)內(nèi)移動(dòng)的安全性有重要作用?，F(xiàn)有停車(chē)場(chǎng)的防撞設(shè)施一般只設(shè)有護(hù)角，護(hù)角的主要用途是為停車(chē)場(chǎng)立柱作防護(hù)，增加反光，減少車(chē)輛與立柱碰撞的破壞程度，但也有很多小的事故是與立柱的表面或者與停車(chē)場(chǎng)的墻面發(fā)生摩擦或碰撞。大多數(shù)地下或樓頂停車(chē)場(chǎng)的出入口坡道都設(shè)計(jì)為螺旋狀或彎道，車(chē)輛容易在狹窄的彎道與墻面發(fā)生摩擦或碰撞，造成最常見(jiàn)的車(chē)輛前后翼子板損壞，對(duì)車(chē)主和停車(chē)場(chǎng)都有不同程度的損害。

針對(duì)上述情況，需要吸收撞擊能量好、安裝方便而且成本低廉的墻柱體防撞帶。橡膠材料因其吸附能力強(qiáng)、成本低常被用作兩物體間沖撞擠壓的緩沖材料。本文采用有限元法對(duì)車(chē)輛與防撞帶碰撞的過(guò)程進(jìn)行仿真分析，先用HYPERMESH軟件建立車(chē)輛、防撞帶以及墻體的模型，并用LS-DYNA軟件進(jìn)行碰撞性能的仿真計(jì)算［1］，得到車(chē)輛碰撞構(gòu)件和防撞帶的等效應(yīng)力分布以及能量轉(zhuǎn)化情況，從而檢驗(yàn)防撞帶對(duì)車(chē)輛碰撞性能的作用。

1 防撞帶力學(xué)分析以及模型的建立

1.1 力學(xué)分析

車(chē)輛與防撞帶的碰撞會(huì)導(dǎo)致車(chē)輛構(gòu)件與防撞帶發(fā)生彈塑性變形，碰撞過(guò)程主要依靠變形來(lái)吸收能量，防撞帶由橡膠材料來(lái)制成。

防撞帶的橡膠作為彈性體形變化時(shí)，外力對(duì)防撞帶做功的能量?jī)?chǔ)存于橡膠中，作為彈性復(fù)原的能量，稱為彈性應(yīng)變能（即彈性儲(chǔ)能），它用來(lái)描述彈性體的應(yīng)力—應(yīng)變行為，通常用W來(lái)表示應(yīng)變能［2］，假設(shè)彈性體是各向同性的，應(yīng)變能W可以表示為應(yīng)變不變量的函數(shù)

式中：I1，I2，I3為應(yīng)變不變量（也稱Green應(yīng)變不變量），分別為

式中：λ1，λ2，λ3為主伸長(zhǎng)比，下標(biāo)1，2，3分別表示3個(gè)相互正交的坐標(biāo)軸。

橡膠作為粘彈性材料，在車(chē)輛發(fā)生碰撞過(guò)程中，其剛性表面發(fā)生滑動(dòng)接觸界面上的相互作用，這種作用主要包括黏附摩擦作用和黏彈摩擦作用［3］，黏附作用可以有效地將橡膠與車(chē)輛表面進(jìn)行對(duì)偶表面相的貼和，該作用能減少車(chē)輛表面的刮擦程度，保持車(chē)輛表面的光滑與平整度。對(duì)于黏彈摩擦作用，通過(guò)橡膠的彈性變形和粘彈性變形來(lái)吸收車(chē)輛碰撞過(guò)程中的能量，減小車(chē)輛剛性表面的損害程度。

1.2 墻體與防撞帶

模型的墻體和防撞帶結(jié)構(gòu)都采用實(shí)體單元，實(shí)體單元的算法采用的是全量方法研究［4］。為了節(jié)省模型計(jì)算的時(shí)間，墻體采用長(zhǎng)為3 600mm，寬為1 000mm，厚度為300mm的長(zhǎng)方體代替，見(jiàn)圖1（a），墻體模型在碰撞過(guò)程中不會(huì)發(fā)生形變，所以混凝土材料采用*MAT_RIGID定義，混凝土結(jié)構(gòu)材料參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 墻體的材料參數(shù)Tab.1 Thematerial parameters of the wall

防撞帶被固定于在墻體上，其橫截面中心線距地面為500mm（車(chē)輛俯視圖外邊緣與地面的距離），為了優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了兩種類型的防撞帶，長(zhǎng)方體防撞帶長(zhǎng)為3 200mm，寬為200mm，厚度為30mm，見(jiàn)圖1（b），波浪形防撞帶長(zhǎng)為3 200mm，寬200mm，在長(zhǎng)度方向上每隔200mm有一個(gè)圓弧并在其中間有一個(gè)半徑為10mm的貫穿孔，圓弧弧頂?shù)綁w的間距50mm，見(jiàn)圖1（c）。兩種類型的防撞帶都采用橡膠材料*MAT_BLATZ_KO_RUBBER定義，橡膠的材料參數(shù)見(jiàn)表2。

圖1 墻體模型Fig.1 Wallmode

表2 橡膠材料參數(shù)表Tab.2 Thematerial parameters of the rubber

在橡膠制品中，丁基橡膠的性能較為良好，故采用其為室內(nèi)停車(chē)場(chǎng)防撞帶的材料［5］，該類橡膠具有較強(qiáng)的能量吸收率，突出的氣密性和耐熱性，并且具有良好的減振性能。為了增加防撞帶的功能，可以在其表面粘貼反光材料起到導(dǎo)向的作用，該材料遇到光線照射時(shí)產(chǎn)生反光，尤其適合室內(nèi)停車(chē)場(chǎng)［6］。

1.3 有限元模型的建立

使用HYPERMESH軟件建立實(shí)體模型，對(duì)構(gòu)件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，按照規(guī)范要求設(shè)置各構(gòu)件間相應(yīng)的接觸類型、定義初始邊界條件、連接方式和制定求解控制參數(shù)等［7］。車(chē)輛模型采用美國(guó)國(guó)家碰撞分析中心發(fā)布的單橫臂獨(dú)立懸掛小車(chē)，Part的數(shù)量為336個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為283 859個(gè)，實(shí)體數(shù)量為2 852個(gè)，單元數(shù)為270 769個(gè)，車(chē)輛重量為1.333 t。為了保證所建模型的準(zhǔn)確性，碰撞模型采用整車(chē)碰撞［8］，見(jiàn)圖2。模型路面采用*RIG?ID_WALL關(guān)鍵字定義，采用*AUTOMATIC_SIN?GLE_SURFACE定義車(chē)輪與路面的接觸。車(chē)輛與防撞帶和墻體的接觸也采用*AUTOMATIC_SURFACE_TO_ SURFACE。根據(jù)室內(nèi)停車(chē)場(chǎng)的相關(guān)規(guī)定，設(shè)定車(chē)輛與防撞帶發(fā)生碰撞的速度，為5 km·h-1，并用關(guān)鍵字*INI?TIAL_VELOCITY_GENERATION定義車(chē)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，模型碰撞角度為20°，碰撞位置選在防撞帶中間。分析駕駛員從開(kāi)始踏下制動(dòng)踏板到制動(dòng)結(jié)束至少用時(shí)0.7 s，故模型的碰撞過(guò)程設(shè)為0.7 s，基本單位選用s，mm，t，計(jì)算單元總數(shù)量為296 272個(gè)。

圖2 車(chē)輛碰撞有限元模型Fig.2 The finite elementmodel of vehicle collision

2 模型碰撞仿真分析

LS-DYNA是世界上最著名顯式為主、隱式為輔的通用非線性動(dòng)力分析有限元程序，能夠模擬真實(shí)世界的各種復(fù)雜問(wèn)題，主要用于求解三維非線性結(jié)構(gòu)在碰撞、爆炸沖擊下的大變形力學(xué)相應(yīng)問(wèn)題，其作為有限元求解器在汽車(chē)、軍工、航天航空領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，也是目前汽車(chē)安全分析的主要工具之一［9］。為了深入分析車(chē)輛與防撞帶和墻體碰撞的動(dòng)態(tài)物理狀況，采用LS-DYNA對(duì)其碰撞過(guò)程進(jìn)行仿真分析，仿真完成后采用LS-PREPOST對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，得到車(chē)輛構(gòu)件與防撞帶的應(yīng)力、能量轉(zhuǎn)化和損害情況，以此評(píng)價(jià)防撞帶的性能特征。

2.1 防撞帶的黏合與吸能情況分析

對(duì)于沒(méi)有安裝防撞帶的模型，由于碰撞過(guò)程存在摩擦力，使得車(chē)輛在一定程度上存在刮傷，而安裝了防撞帶的模型，防撞帶由橡膠制成，可以使防撞帶與車(chē)輛表面發(fā)生對(duì)偶表面相的貼和，其作用以有效的減少車(chē)輛表面的刮傷程度，保護(hù)表面的光滑度，但由于車(chē)輛構(gòu)件的刮傷程度較淺，沒(méi)有明顯現(xiàn)象，因此這里采用理論分析。在此，為了方便模型的區(qū)分，將設(shè)定未安裝防撞帶的碰撞模型為A，安裝長(zhǎng)方體防撞帶的碰撞模型為B，安裝波浪形防撞帶的碰撞模型為C。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，安裝了不同防撞帶的模型，在車(chē)輛與防撞帶的碰撞過(guò)程中，防撞帶由于被撞擊而產(chǎn)生的應(yīng)力云圖如圖3，也會(huì)因?yàn)樾巫兊漠a(chǎn)生而吸收能量，如圖4，對(duì)比圖中的吸能曲線，B模型與C模型的吸能效果相當(dāng)，但較沒(méi)有安裝防撞帶可以減少車(chē)輛構(gòu)件的損傷，起到保護(hù)車(chē)輛的效果。

圖3 防撞帶等效應(yīng)力云圖Fig.3 The Von Mises stress of anti-collision belt

2.2 車(chē)輛翼子板的等效應(yīng)力分布與能量轉(zhuǎn)化情況的分析

通過(guò)LS-DYNA軟件仿真，將讀取3個(gè)模型中碰撞構(gòu)件的應(yīng)力云圖、最大單元應(yīng)力值和碰撞構(gòu)件的吸能情況，以此來(lái)分析防撞帶的性能特征。

圖5給出了碰撞構(gòu)件的等效應(yīng)力云圖。從圖中可以看出，碰撞過(guò)程中車(chē)輛翼子板的變形不大，A模型中的單元應(yīng)力部分隨時(shí)間的增加而在增大，B模型隨時(shí)間先增大后減小，而C模型的單元應(yīng)力隨時(shí)間先增大后減小，但是減少的程度顯然沒(méi)有B模型大。對(duì)于車(chē)輛碰撞構(gòu)件的表面單元應(yīng)力情況，表3為每隔0.1 s構(gòu)件的單元最大應(yīng)力值，但這些值中并不存在碰撞模型的最大應(yīng)力值，在A模型中的最大應(yīng)力值出現(xiàn)在0.24 s時(shí)，最大應(yīng)力值為385.228 MPa，B模型中的最大應(yīng)力值出現(xiàn)在0.27 s，其值為346.460 MPa，由此數(shù)據(jù)可以得到，安裝長(zhǎng)方體防撞帶之后，其最大應(yīng)力值比未安裝減少10.06%，可以減少碰撞車(chē)輛的損壞程度。而C模型中的最大應(yīng)力值出現(xiàn)在0.26 s時(shí)，最大應(yīng)力值為421.218 MPa，通過(guò)B模型與C模型數(shù)據(jù)對(duì)比，可以得到長(zhǎng)方體防撞帶比波浪形防撞帶的減少應(yīng)力效果更好。

圖4 防撞帶的吸能曲線Fig.4 Energy absorption curve of anti-cdlision belt

圖5 翼子板的等效應(yīng)力云圖Fig.5 The Von Mises stress of the fender

表3 單元最大應(yīng)力值Tab.3 Unitmaximum stress valueMPa

在3個(gè)模型的碰撞過(guò)程中，能量的轉(zhuǎn)化情況反映出車(chē)輛與防撞帶和墻體碰撞的劇烈程度，同時(shí)也反映出車(chē)輛碰撞構(gòu)件與防撞帶的吸能情況，還能檢驗(yàn)防撞帶的緩沖作用以及碰撞構(gòu)件的受影響程度［10］。車(chē)輛翼子板的材料內(nèi)能隨時(shí)間會(huì)產(chǎn)生一定量的增長(zhǎng)，但也會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的波動(dòng)。從圖6可以得出，在0.2，0.4，0.6 s時(shí)刻，B模型翼子板比A模型翼子板吸收的能量要少，少吸收的能量分別為6.935，1.775，4.480 J，能量降低的比例分別為67.1%，13.3%，25.5%。通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，安裝防撞帶之后，可以有效減少碰撞構(gòu)件吸收的能量，起到保護(hù)車(chē)輛的作用。通過(guò)對(duì)比圖6中B模型與C 模型的吸能結(jié)果，發(fā)現(xiàn)C模型中車(chē)輛翼子板所受的吸能更大，故碰撞對(duì)其損傷程度也就越大，導(dǎo)致此結(jié)果的原因是波浪形防撞帶的厚度大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜引起車(chē)輛翼子板的變形大，因此得到長(zhǎng)方體防撞帶比波浪形防撞帶的效果要好，所以選用長(zhǎng)方體防撞帶。

圖6 不同時(shí)刻3個(gè)模型翼子板的吸能曲線Fig.6 Energy absorption curve of the fender

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)室內(nèi)停車(chē)場(chǎng)適用處設(shè)置簡(jiǎn)易的小體積防撞設(shè)施的研究，提出了防撞帶的設(shè)計(jì)方案，運(yùn)用有限元軟件LS-DYNA進(jìn)行仿真分析，得出以下結(jié)論：安裝防撞帶后能對(duì)發(fā)生碰撞的車(chē)輛構(gòu)件起到保護(hù)作用，車(chē)輛構(gòu)件的平均能量吸收率減少35.3%，有效減少車(chē)輛表面的損害程度；車(chē)輛構(gòu)件吸能越多，損害程度就越大，安裝長(zhǎng)方體防撞帶比波浪形防撞帶車(chē)輛構(gòu)件的平均能量吸收率減少41.1%，故長(zhǎng)方體防撞帶的效果更好。

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Collision Simulation Analysis of Indoor Parking Anti-collision Belt Design

Wu Zhong,Su Zhibei
(College of Civil and Transportation Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China)

Aiming at indoor parking collision damages,this paper proposes the design of anti-collision belt and es?tablishes vehicle collisionmodel with or no anti-collision belt.The rectangular anti-collision belt and wavy anticollision belt performances are analyzed through LS-DYNA for simulation of vehicle collision into the wall body. The results demonstrate the equivalent stress distribution and energy conversion of anti-collision belt and the vehi?cle fender,which confirms that the anti-collision belt can effectively reduce vehicle damage degree and the effect of the rectangular anti-collision belt is better.

indoor parking;anti-collision belt;fender;collision;LS-DYNA simulation

U492.1

A

2014-05-27

吳中（1964—），男，教授，博士，研究方向?yàn)榻煌ㄒ?guī)劃與管理、交通運(yùn)輸信息與控制、交通流仿真、交通被動(dòng)安全。

1005-0523（2014）04-0021-05