趙德望,王皖婷,邢 云,趙坤民,2

(1.安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,安徽 淮南 232063;2.浙江合眾新能源汽車有限公司車身制造部,浙江 桐鄉(xiāng) 314500;3.一汽豐田技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司研發(fā)部,天津 300457)

在高速公路事故中,汽車撞向兩側(cè)的護(hù)欄可能威脅到乘客的安全,導(dǎo)致更嚴(yán)重的二次傷害,因此,提高護(hù)欄的防撞性能非常必要。研究表明,波形梁護(hù)欄可以降低乘員受傷程度,增加梁的厚度能夠提高其抗撞性,但沉重的護(hù)欄板給安裝帶來(lái)困難,也增加了能耗和CO2排放。因此,研究公路護(hù)攔板的抗撞性和輕量化是個(gè)新穎而有實(shí)際意義的課題。

國(guó)外眾多學(xué)者及機(jī)構(gòu)研究了車輛與護(hù)欄的碰撞特性,提供了大量的護(hù)欄碰撞安全的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)[1]。我國(guó)最初的高速公路護(hù)欄結(jié)構(gòu)是3mm的波形梁和Z型的立柱[2],從20世紀(jì)90年代后更多學(xué)者參與了護(hù)欄板的研究。文獻(xiàn)[3]建立了改進(jìn)護(hù)欄的模型,確立了護(hù)欄防撞性能的評(píng)判準(zhǔn)則。文獻(xiàn)[4]探討了客車與三波形護(hù)欄的碰撞機(jī)理。文獻(xiàn)[5]優(yōu)化了A型護(hù)欄的相關(guān)參數(shù),起到了輕量化效果。文獻(xiàn)[6-7]做了實(shí)車足尺碰撞實(shí)驗(yàn),評(píng)價(jià)幾種改進(jìn)的護(hù)欄的防撞性能。文獻(xiàn)[8]提出兩種優(yōu)化方案以改善絆阻問(wèn)題。文獻(xiàn)[9]分析研究了 SA 級(jí)波形梁護(hù)欄。文獻(xiàn)[10]優(yōu)化護(hù)欄結(jié)構(gòu),提高力護(hù)欄的防護(hù)能力。文獻(xiàn)[11]表明加高改造立柱的能量吸收率和緩沖能力優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)立柱且滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。文獻(xiàn)[12]通過(guò)仿真分析方法對(duì)橋側(cè)護(hù)欄進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

文章先建立護(hù)欄、轎車、SUV和小型客車的有限元物理模型,并構(gòu)建不同車型與護(hù)欄碰撞的數(shù)值仿真模型。其中,護(hù)欄采用中錳鋼和普通碳素鋼兩種材料,再比較不同材護(hù)欄在不同碰撞工況下的抗撞特性,評(píng)估輕量化中錳鋼護(hù)欄的抗撞安全防護(hù)效果。

1 汽車與護(hù)欄有限元建模

在我國(guó)高速公路兩側(cè)通常使用A級(jí)波形防護(hù)欄,因此,在碰撞數(shù)值仿真分析中的護(hù)欄選用A級(jí)波形梁護(hù)欄,汽車選用轎車、SUV和小型客車3種車型。本文采用HyperMesh前處理(幾何模型建立、定義材料、網(wǎng)格劃分、邊界條件施加等),采用LS-DYNA求解計(jì)算,采用HyperView后處理及分析。

1.1 標(biāo)整車有限元模型

為了確保整車模型的可用性,本文分別建立了3種車型與剛性墻的碰撞模型,計(jì)算后觀察能量曲線、速度曲線、加速度曲線、質(zhì)量增加曲線等結(jié)果,從而驗(yàn)證整車模型的正確性和可靠性。

圖1分別展示了某款轎車、SUV和小型客車的有限元模型:轎車整車質(zhì)量為1 263kg,共有1 137 030個(gè)單元;SUV整車質(zhì)量為2 038kg,共有627 798個(gè)單元;小型客車整車質(zhì)量為2 902kg,共有300 096個(gè)單元。按C-NCAP要求將汽車碰撞的速度設(shè)置成56km/h,分別布設(shè)加速度傳感器在車輛質(zhì)心、座椅和發(fā)動(dòng)機(jī)上。

(a)轎車模型

圖2顯示了轎車碰撞過(guò)程中的動(dòng)能、內(nèi)能、總能量和隨碰撞時(shí)間沙漏能的變化,圖3顯示了質(zhì)心的加速度、座椅、整車速度和引擎處的加速度曲線。從圖中可以看出,沙漏能低于總能量的5%,速度和加速度曲線與典型碰撞試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果相似,質(zhì)量增加曲線也滿足要求,故該轎車模型符合要求,可以作為碰撞護(hù)欄系統(tǒng)的整車模型。

圖2 轎車正碰過(guò)程中能量隨時(shí)間變化曲線圖

1.2 護(hù)欄建模

常見(jiàn)的A級(jí)波形梁護(hù)欄由兩波型的波形梁板、六角形的防阻塊和圓形立柱構(gòu)成,使用高強(qiáng)螺栓連接。首先利用三維建模軟件UG建立波形梁護(hù)欄的三維模型,再利用HyperMesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分、材料和屬性定義等前處理工作。

單塊梁板的長(zhǎng)度是4 320mm,在建模時(shí)將多跨護(hù)欄板采用護(hù)欄整體建模的方式。波形梁板采用了LS-DYNA的Belytschko-Tsay殼單元,材料模型選為MAT_24,密度7 860kg/m3,楊氏模量210GPa,泊松比0.3,在HyperMesh軟件中輸入材料的真應(yīng)力應(yīng)變曲線。防阻塊是用來(lái)連接立柱和波形梁板,防阻塊的縱向高是200mm,單元類型和材料模型與梁板一致。波形梁護(hù)欄和地面的連接是通過(guò)立柱。路側(cè)A級(jí)波形梁護(hù)欄的立柱全高為2 150mm、壁厚4.5mm、外經(jīng)為140mm,且1 400mm埋在地下。兩根立柱間隔了4 000mm,其有限元模型的單元類型和材料模型與防阻塊、梁板一致,有限元模型及尺寸如圖4所示。

2 汽車與護(hù)欄碰撞仿真建模

通過(guò)對(duì)高速公路上事故的相關(guān)調(diào)研,發(fā)現(xiàn)大部分車輛與護(hù)欄發(fā)生碰撞時(shí)碰撞角度都小于20°,因此,本文所有的模型中碰撞角度都定為20°。為模擬不同的防撞性能,本文對(duì)3種車型分別選取了60、80和100km/h的碰撞速度。

設(shè)置汽車和波形護(hù)欄的接觸為自動(dòng)單面接觸形式、汽車與波形護(hù)欄的接觸為自動(dòng)面面之間接觸形式、汽車車輪與地面之間為自動(dòng)點(diǎn)面接觸形式,摩擦系數(shù)設(shè)定為0.15,求解時(shí)間設(shè)置為0.4 s。

由于時(shí)間步長(zhǎng)要小于最大允許值,則

Δt≤tcrit=2/ωmax

(1)

式中,ωmax是最大的頻率,Hz;ωmax=2c/l,l表示網(wǎng)格單元的邊長(zhǎng),mm;c表示波在其中的速度,m·s-1。當(dāng)比例因子0.9時(shí),則允許的最大時(shí)間步長(zhǎng)為

(2)

式中,E為材料彈性模量,MPa;ρ為材料密度,tg/m3;υ泊松比。

當(dāng)汽車與護(hù)欄碰撞時(shí),細(xì)分碰撞位置的護(hù)欄網(wǎng)格尺寸,設(shè)置單元長(zhǎng)度為10mm,則允許的最大時(shí)間步長(zhǎng)為

(3)

3 護(hù)欄碰撞仿真及性能比較

A級(jí)波形梁護(hù)欄的波形梁板、防阻塊和立柱都是由Q235普通碳素鋼材料制成,厚度不低于4.0mm,整體較重,所以公路護(hù)欄的輕量化工作具有現(xiàn)實(shí)意義。由于中錳鋼具有很好的強(qiáng)塑積(60GPa%)、成形性和吸能性,是實(shí)現(xiàn)輕量化的理想材料。因此本文將Fe-0.1C-5Mn中錳鋼材料應(yīng)用于波形梁護(hù)欄上,探究其抗撞性能及輕量化潛力。

3.1 材料性能

本文通過(guò)單向拉伸試驗(yàn)實(shí)測(cè)了Q235鋼、HSLA鋼、Fe-0.1C-5Mn中錳鋼的應(yīng)力應(yīng)變曲線,如圖5所示。這3種材料的理論吸能性是其應(yīng)力應(yīng)變曲線所包圍的面積,即應(yīng)力對(duì)應(yīng)變的積分所得的應(yīng)變能,數(shù)值如圖5的條形圖所示。

圖5 3種鋼材應(yīng)力應(yīng)變曲線及吸能性比較

通過(guò)圖5可見(jiàn),中錳鋼的吸能性是Q235鋼的2.7倍,即中錳鋼護(hù)欄板的厚度減薄63%(由4.0mm降低到1.5mm)同樣可以滿足碰撞吸能要求。

3.2 碰撞點(diǎn)的選擇

碰撞點(diǎn)是發(fā)生碰撞時(shí)車身最先接觸到的護(hù)欄位置,不同碰撞點(diǎn)會(huì)直接影響護(hù)欄的變形程度。在A級(jí)波形梁板上選取不同的碰撞點(diǎn)(見(jiàn)圖6),車型選擇轎車,對(duì)不同碰撞點(diǎn)的碰撞分析分別求解計(jì)算。

圖6 汽車碰撞護(hù)欄有限元模型及護(hù)欄變形圖

如表1所示,這4個(gè)不同碰撞點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)護(hù)欄橫向最大變形量。通過(guò)表1可以看出,位置2處護(hù)欄會(huì)產(chǎn)生最大的橫向變形623mm,這是由于汽車以一定初速度和角度碰撞之后會(huì)繼續(xù)行進(jìn),因此波形防撞梁最大位移處在中心區(qū)域。而位置3雖然是中心區(qū)域,但是由于汽車?yán)^續(xù)移動(dòng)實(shí)際發(fā)生變形區(qū)域不在中心處,因此位置2是發(fā)生位移最大的碰撞點(diǎn)。

表1 不同碰撞點(diǎn)工況下護(hù)欄最大橫向變形量

3.3 兩種材料護(hù)欄抗撞防護(hù)性能對(duì)比

仿真轎車、SUV和客車分別以60、80、100km/h的速度碰撞中錳鋼護(hù)欄和普通碳素鋼護(hù)欄,對(duì)比分析兩種材料護(hù)欄抗撞防護(hù)特性。仿真車輛撞擊護(hù)欄的位置2(見(jiàn)圖6),對(duì)比分析兩種材料護(hù)欄的吸能性以及車輛座椅受到的最大加速度,并獲得護(hù)欄最大橫向變形量。圖7是3種車型以80km/h的速度撞護(hù)欄時(shí)汽車座椅上加速度變化曲線。通過(guò)圖7可以看出,3種車型在該速度下撞擊防護(hù)欄時(shí),當(dāng)材料為中錳鋼時(shí)車輛座椅處所產(chǎn)生的最大加速度均小于材料為Q235鋼護(hù)欄,這表明乘員的傷害程度會(huì)更小;當(dāng)碰撞速度為60km/h和100km/h得到類似的結(jié)論。通過(guò)分析變形可知,不同情況護(hù)欄由于被撞擊而產(chǎn)生的最大變形值都小于1 000mm,滿足要求,而且中錳鋼護(hù)欄的最大變形量均小于Q235鋼護(hù)欄,說(shuō)明中錳鋼護(hù)欄的抗撞潛力更大。

(a)轎車座椅處加速度曲線

4 中錳鋼護(hù)欄梁板厚度優(yōu)化

目前我國(guó)高速公路A級(jí)波形梁護(hù)欄梁板厚4mm,利用控制變量法不改變防阻塊、立柱的材料和厚度,使用中錳鋼代替碳素鋼作為梁板。研究不同厚度的中錳鋼梁板的抗撞防護(hù)特性,圖8是轎車以不同碰撞速度撞擊不同厚度Q235和中錳鋼護(hù)欄時(shí)的吸能曲線。

圖8 轎車以60、80、100km/h的速度撞擊不同厚度護(hù)欄的吸能曲線

從圖8可以看出:當(dāng)車速為60km/h時(shí),2.8mm厚的中錳鋼梁板的吸能性和乘員受損程度與4mm厚的Q235鋼相近;當(dāng)車速為80km/h時(shí),3.0mm厚的中錳鋼梁板的吸能性和乘員受損程度與4mm厚的Q235鋼相近;當(dāng)車速為100km/h時(shí),3.0～3.2mm厚的中錳鋼梁板的吸能性和乘員受損程度與4mm厚的Q235鋼相近。研究表明,護(hù)欄在受到碰撞時(shí),3種同厚度的中錳鋼梁板產(chǎn)生的橫向變形都小于1 000mm,符合使用要求。因此采用中錳鋼波形防護(hù)梁相比于目前的A級(jí)波形防護(hù)梁,厚度上能減薄1.0mm,實(shí)現(xiàn)25%的輕量化。

5 結(jié)論

本文針對(duì)我國(guó)高速公路A級(jí)波形梁護(hù)欄開(kāi)展了抗撞防護(hù)特性分析和輕量化研究,得到如下結(jié)論:在多數(shù)碰撞情況下,中錳鋼護(hù)欄的耐撞性明顯優(yōu)于Q235鋼護(hù)欄。碰撞過(guò)程中,能量吸收曲線的變化規(guī)律與車輛結(jié)構(gòu)、碰撞速度和車輛質(zhì)量等因素有關(guān);A級(jí)波形防護(hù)欄材料由Q235鋼改為中錳鋼,梁板厚度可減少1.0 mm,輕量化程度可達(dá)25%。