文章編號(hào)1000-5269（2024）06-0091-08

DOI：10.15958/j.cnki.gdxbzrb.2024.06.14

摘要：為了解決開(kāi)發(fā)公路新型護(hù)欄過(guò)程中需要實(shí)車(chē)足尺碰撞導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)代價(jià)高昂?jiǎn)栴}，論文采用有限元計(jì)算仿真設(shè)計(jì)了一種由輕量化不銹鋼三波板和低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼組合而成的公路新型SB級(jí)護(hù)欄結(jié)構(gòu)。在深入分析材料特性基礎(chǔ)上，構(gòu)建了新型護(hù)欄立柱和防阻塊及相應(yīng)的有限元模型。在驗(yàn)證整車(chē)模型可靠性基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了護(hù)欄板厚度、立柱厚度和防阻塊厚度三因素四水平的正交實(shí)驗(yàn)仿真方案。碰撞仿真結(jié)果表明：三因素中防阻塊厚度對(duì)車(chē)輛質(zhì)心加速度的影響程度最大，且隨著防阻塊厚度的逐步增大，車(chē)輛質(zhì)心加速度增大；護(hù)欄板厚度對(duì)護(hù)欄橫向最大動(dòng)態(tài)變形量的影響程度最大，且隨著波形梁板的厚度逐步增大，護(hù)欄的最大動(dòng)態(tài)變形量變小。最后，綜合考慮碰撞指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)性，確定了護(hù)欄最優(yōu)組合方案并驗(yàn)證了可行性。研究成果可為公路新型護(hù)欄結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考。

關(guān)鍵詞：交通安全設(shè)施；公路新型護(hù)欄；碰撞仿真；正交實(shí)驗(yàn)；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

中圖分類(lèi)號(hào)：U417

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

高速公路波形梁護(hù)欄具有重要的防護(hù)和阻攔功能，防止發(fā)生交通事故時(shí)車(chē)輛墜崖、墜橋或者沖入對(duì)向車(chē)道造成群死群傷二次事故，因此護(hù)欄必須確保具有足夠的防護(hù)性能。研究表明，合理增加半剛性波形梁、立柱及防阻塊的厚度可以有效提高護(hù)欄的防撞性能，減輕事故發(fā)生時(shí)乘員的受傷程度；然而，隨著護(hù)欄材料厚度的增加，必然造成產(chǎn)品重量大、成本高，生產(chǎn)和運(yùn)輸過(guò)程碳排放量大。因此，研究公路護(hù)欄材料與結(jié)構(gòu)最優(yōu)組合具有重要的實(shí)用價(jià)值。

針對(duì)半剛性護(hù)欄材料與結(jié)構(gòu)的優(yōu)化組合國(guó)內(nèi)外學(xué)者提供了大量可以借鑒的經(jīng)驗(yàn)。LI等［1］研究了不同安裝高度的雙面雙波護(hù)欄和三角形梁護(hù)欄的性能，評(píng)估了護(hù)欄的動(dòng)態(tài)撓度、車(chē)輛反應(yīng)和車(chē)輛轉(zhuǎn)向特性以及乘員撞擊速度、乘員翻滾加速度（occupant ridedown accelerations，ORAs）和加速度嚴(yán)重性指數(shù)等指標(biāo)。KURTULUS等［2］利用混合模擬退火算法（hybrid Harris hawks simulated annealing algorithm，HHOSA）優(yōu)化高速公路護(hù)欄系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)，根據(jù)EN1317標(biāo)準(zhǔn)對(duì)25種不同的護(hù)欄組合設(shè)計(jì)進(jìn)行了碰撞分析，驗(yàn)算了算法的有效性。YIN等［3］設(shè)計(jì)了一種eta形波形梁護(hù)欄克服車(chē)輛與護(hù)欄碰撞時(shí)輪胎與護(hù)欄之間容易纏繞的問(wèn)題。JABER等［4］研究了高速公路貨車(chē)與三波型鋼護(hù)欄之間的碰撞仿真，結(jié)果顯示鋼護(hù)欄在碰撞中吸收了60%以上的貨運(yùn)車(chē)輛平移動(dòng)量。張坤［5］提出一種薄壁立柱加混凝土組合式半剛性護(hù)欄，經(jīng)改造后的組合護(hù)欄可以滿足A級(jí)和SB級(jí)防護(hù)安全性能要求，可用于實(shí)際工程改造。劉彬等［6］針對(duì)正六邊形、矩形、楔形、梯形等幾種防阻塊不同斷面形式、材料用量、結(jié)構(gòu)厚度下的防阻性能展開(kāi)對(duì)比研究。孫漢正［7］提出了一種改進(jìn)的雙向漸進(jìn)算法，開(kāi)展結(jié)構(gòu)多目標(biāo)穩(wěn)健性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)仿真開(kāi)發(fā)出具備較強(qiáng)抗噪能力的新型公路護(hù)欄產(chǎn)品，提高了護(hù)欄結(jié)構(gòu)的耐撞性和輕量化水平。王利軍［8］研究了現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)下波形梁碳鋼護(hù)欄存在的主要問(wèn)題，對(duì)比分析了傳統(tǒng)碳鋼護(hù)欄和高強(qiáng)鋼輕量化護(hù)欄的優(yōu)缺點(diǎn)。楊永奇等［9］研究了一種新型泡沫鋁防阻塊防撞護(hù)欄，通過(guò)實(shí)車(chē)足尺試驗(yàn)驗(yàn)證了新型泡沫鋁防撞護(hù)欄僅通過(guò)更換新型防阻塊就可以把護(hù)欄的防護(hù)等級(jí)從SB級(jí)提升到SA級(jí)，同時(shí)達(dá)到輕量化的目標(biāo)。趙德望等［10］提出一種A級(jí)中錳鋼護(hù)欄，其抗撞防護(hù)性明顯優(yōu)于傳統(tǒng)Q235鋼護(hù)欄，輕量化程度達(dá)到了25%。

論文設(shè)計(jì)了一種輕量化不銹鋼（QN1701）材料作為護(hù)欄的波形板和防阻塊，選擇低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼Q355作為立柱，組合成公路新型SB級(jí)護(hù)欄；構(gòu)建了小型汽車(chē)和護(hù)欄有限元模型；通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)比SB級(jí)碰撞工況下不同厚度波形梁板、立柱和防阻塊組合的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，尋找最優(yōu)組合，為實(shí)車(chē)足尺碰撞試驗(yàn)護(hù)欄定型提供理論依據(jù)。

1有限元仿真計(jì)算理論基礎(chǔ)

車(chē)輛碰撞護(hù)欄是復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)物理過(guò)程，其主要理論包括大變形動(dòng)態(tài)顯式有限元求解方法、材料非線性理論、邊界非線性處理方法； LS-DYNA是一款功能全面的通用非線性計(jì)算軟件，能夠較好輔助非線性動(dòng)力學(xué)分析。

1.1車(chē)輛護(hù)欄碰撞大變形動(dòng)態(tài)顯式有限元求解方法

M（t）=P（t）-F（t）-C（t） （1）

式中：M為總體質(zhì)量矩陣； （t）、（t）分別為整體節(jié)點(diǎn)加速度向量和速度向量；P（t）為整體載荷向量；F（t）為單元應(yīng)力場(chǎng)的整體等效節(jié)點(diǎn)力向量；C為總體阻尼矩陣。

采用中心差分法對(duì)式（1）進(jìn)行時(shí)間積分，其算法為

=M-1［P（tn）-F（tn）-C（tn-12）］

（tn-12）=12（Dtn-1+Dtn）（tn）

x（tn+1）=x（tn）+Dtn（tn+12） （2）

tn-12=12（tn+tn-1）tn+12=12（tn+1+tn） （3）

Dtn-1=tn-tn-1

Dtn=tn+1-tn "（4）

式中： （tn）、（tn+12）、x（tn+1）分別為tn時(shí)刻的節(jié)點(diǎn)加速度向量、tn+12時(shí)刻的節(jié)點(diǎn)速度向量和tn+1時(shí)刻的節(jié)點(diǎn)位移向量； P（tn）和F（tn）分別為tn時(shí)刻的載荷與節(jié)點(diǎn)向量。

1.2材料非線性理論

在車(chē)輛與半剛性護(hù)欄的碰撞仿真計(jì)算中，準(zhǔn)確描述材料的力學(xué)行為是確保仿真結(jié)果精確性和可靠性的關(guān)鍵步驟。由于車(chē)輛和護(hù)欄主要由彈塑性材料構(gòu)成，在碰撞過(guò)程中這些材料會(huì)發(fā)生非線性變形。因此，在仿真過(guò)程中，本文首先需要對(duì)材料的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行判斷，以確定其是否達(dá)到了屈服狀態(tài)。

當(dāng)材料的應(yīng)力未達(dá)到屈服強(qiáng)度時(shí)，則可以將其視為線彈性材料，按照線彈性材料本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行計(jì)算。這種計(jì)算方法簡(jiǎn)單且高效，能夠較為準(zhǔn)確地描述材料在彈性范圍內(nèi)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。然而，當(dāng)材料的應(yīng)力達(dá)到或超過(guò)屈服強(qiáng)度時(shí)，材料的力學(xué)行為將發(fā)生顯著變化，進(jìn)入塑性或脆性變形階段。在這種情況下，則必須采用更為復(fù)雜的塑性或脆性變形的本構(gòu)關(guān)系來(lái)計(jì)算結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。該計(jì)算方法能夠更準(zhǔn)確地模擬材料在屈服后的力學(xué)行為，從而更真實(shí)地反映車(chē)輛-護(hù)欄耦合碰撞時(shí)的全過(guò)程動(dòng)力學(xué)特性。

在仿真分析中，本文通過(guò)采用 V.Mises 屈服準(zhǔn)則來(lái)判斷材料是否進(jìn)入塑性：

F0（σij，k0）=f（σij）-k0=0 （5）

f（σij）=12sijsij

k0=13σ2s0

sij=σij-σmδij

σm=13（σ11+σ22+σ33） （6）

式中：σij為應(yīng)力張量分量；k0 為給定的材料參數(shù)；F0（σij，k0）為初始屈服面；σs0 為材料的初始屈服應(yīng)力；sij為偏斜應(yīng)力張量分量；σm為平均正應(yīng)力。其中，sij和等效應(yīng)力有以下關(guān)系：

12sijsij=23=J2（7）

式中：J2稱(chēng)為第二應(yīng)力不變量，將式（7）代入式（6），得到=σs0，即可以得出等效應(yīng)力與材料的初始屈服應(yīng)力相等，此時(shí)材料開(kāi)始進(jìn)行塑性變形。

1.3邊界非線性處理方法

在顯式有限元算法中，準(zhǔn)確處理物體間的接觸問(wèn)題對(duì)于仿真結(jié)果的精度和可靠性至關(guān)重要。特別是在車(chē)輛與護(hù)欄碰撞這類(lèi)復(fù)雜動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的仿真中，接觸界面的非線性特性給計(jì)算帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。為了有效處理這種接觸問(wèn)題，本文采用了懲罰函數(shù)算法來(lái)處理接觸方式。這種方法的核心思想是在每個(gè)時(shí)間步內(nèi)，首先檢查從節(jié)點(diǎn)是否穿越了主面。如果發(fā)生穿透現(xiàn)象，則在穿透的從節(jié)點(diǎn)與被穿透的主面之間引入一個(gè)界面接觸力。這種接觸力的大小與穿透深度和主面的剛度呈線性相關(guān)關(guān)系，從而能夠有效地防止從節(jié)點(diǎn)對(duì)主面的進(jìn)一步穿透。通過(guò)引入這種界面接觸力，不僅能夠確保仿真的動(dòng)量守恒，還能更好地模擬真實(shí)世界中車(chē)輛與護(hù)欄碰撞時(shí)的動(dòng)力學(xué)行為。因此，采用懲罰函數(shù)處理接觸方式在車(chē)輛與護(hù)欄碰撞仿真中具有顯著的優(yōu)勢(shì)，為提高仿真精度和可靠性提供了一種有效的方法。

2護(hù)欄材料特性及有限元模型

2.1護(hù)欄材料特性

為了兼顧護(hù)欄的經(jīng)濟(jì)性和防護(hù)功能，新型護(hù)欄三波板采用不銹鋼，立柱采用Q355低合金高強(qiáng)鋼。QN1701不銹鋼是一種新型奧氏體不銹鋼，主要化學(xué)成分如表1所示，錳元素含量在5.0%～8.0%，鉻元素含量在16.0%～18.0%，耐點(diǎn)蝕當(dāng)量PREN為19.3%，與傳統(tǒng)碳鋼相比，具有高錳、高鉻和高PREN值特點(diǎn)，抗拉強(qiáng)度為740 MPa，其屈服強(qiáng)度為439 MPa，延伸率為54%，因而具有高強(qiáng)度、高延伸和高耐蝕特征，其應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)鐖D1所示。

Q355是一種低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，主要成分包括碳、硅、錳、磷、硫等元素，其化學(xué)成分見(jiàn)表1，其抗拉強(qiáng)度為470～630 MPa，屈服強(qiáng)度≥345 MPa，伸長(zhǎng)率≥22%， Q355材質(zhì)具有較高的強(qiáng)度和良好的塑性和韌性，能夠滿足護(hù)欄碰撞防護(hù)需求。

2.2護(hù)欄結(jié)構(gòu)及有限元模型

新型護(hù)欄防阻塊和立柱連接構(gòu)造及模型如圖2所示。目前，國(guó)內(nèi)半剛性碳鋼護(hù)欄A級(jí)防護(hù)等級(jí)采用六邊形防阻塊，SB及以上防護(hù)等級(jí)采用BF型防阻塊，個(gè)別地方采用泡沫鋁菱形防阻塊（SB級(jí)）。六邊形防阻塊剛度較小，受力時(shí)容易擠壓變形吸收能量；BF型防阻塊剛度較大，應(yīng)用在防護(hù)等級(jí)較高的護(hù)欄上；泡沫菱形防阻塊在3種防阻塊中剛度最小，受力時(shí)向上擠壓變形，抬高護(hù)欄板，防止碰撞車(chē)輛翻越。為了吸收菱形防阻塊的優(yōu)點(diǎn)，并適當(dāng)提高防阻塊剛度，變形后的防阻塊新型結(jié)構(gòu)如圖2（b）所示。新型不銹鋼防阻塊充分利用不銹鋼材料抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率比碳素鋼大幅度性能提升的優(yōu)點(diǎn)，能節(jié)省材料用量，達(dá)到輕量化護(hù)欄的目的；同時(shí)利用菱形防阻塊受壓時(shí)容易向上變形的特點(diǎn)，在碰撞受力時(shí)可以抬高護(hù)欄板，防止車(chē)輛翻越護(hù)欄。傳統(tǒng)半剛性護(hù)欄立柱通常有圓形和方型兩種類(lèi)型，新型護(hù)欄立柱采用C型立柱，三波板、防阻塊和C型立柱之間的連接關(guān)系如圖2（c）所示。在車(chē)輛碰撞護(hù)欄時(shí)，由于防阻塊的構(gòu)造特征，護(hù)欄板傳遞壓力后防阻塊向上擠壓變形，帶動(dòng)抬升護(hù)欄板；當(dāng)受力達(dá)到臨界狀態(tài)后，C型立柱發(fā)生屈服彎曲，防阻塊脫離立柱，其碰撞過(guò)程中新型護(hù)欄各構(gòu)件的變化過(guò)程將在仿真中進(jìn)一步驗(yàn)證。

3車(chē)輛有限元模型及可靠性驗(yàn)證

根據(jù)《公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B05-01），高速公路SB級(jí)護(hù)欄設(shè)計(jì)防護(hù)能量為280 kJ，實(shí)車(chē)足尺碰撞試驗(yàn)中小型客車(chē)的車(chē)輛總質(zhì)量、重心高度、尺寸參數(shù)、碰撞速度和碰撞角度如表2所示。文中小型客車(chē)和護(hù)欄有限元模型采用HyperMesh軟件進(jìn)行前處理工作，在完成材料定義、網(wǎng)格劃分、邊界條件和輸出控制等設(shè)置后采用LS-DYNA軟件求解計(jì)算。

為了確保整車(chē)有限元模型的正確性和可靠性，仿真構(gòu)建了小型汽車(chē)與剛性墻的碰撞模型，計(jì)算后觀察動(dòng)能、內(nèi)能、總能量曲線以及沙漏能變化情況。仿真中設(shè)置小型汽車(chē)模型網(wǎng)格總數(shù)49 810個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)48 003個(gè)，整車(chē)質(zhì)量1.5 t，如圖3所示。小型客車(chē)正向碰撞仿真結(jié)果如圖4所示。其中：圖4（a）顯示了小型客車(chē)在正向碰撞剛性墻過(guò)程中動(dòng)能、內(nèi)能、總能量隨時(shí)間變化的過(guò)程；圖4（b）為小型客車(chē)碰撞后客車(chē)質(zhì)量的變化過(guò)程；圖4（c）—（d）顯示了小型客車(chē)整車(chē)x向速度和質(zhì)心x向加速度隨時(shí)間變化的過(guò)程。綜合以上分析，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)量增加曲線遠(yuǎn)小于5%，從而驗(yàn)證了該小型客車(chē)模型的可靠性，故可以將其作為車(chē)輛-護(hù)欄耦合碰撞系統(tǒng)的整車(chē)模型。

4護(hù)欄碰撞仿真

4.1仿真方案設(shè)計(jì)

為了探究新型護(hù)欄梁板、立柱、防阻塊材料厚度的最佳組合，本文采用了正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法。通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，能夠系統(tǒng)地研究多個(gè)因素及其不同水平對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，從而找到最優(yōu)的參數(shù)組合。在本次仿真實(shí)驗(yàn)中，選取了護(hù)欄梁板厚度、立柱厚度、防阻塊厚度作為關(guān)鍵影響因素，并利用L16（43 ）正交表來(lái)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)次數(shù)（見(jiàn)表3），確保實(shí)驗(yàn)的高效性和代表性。根據(jù)正交表的設(shè)計(jì)，共進(jìn)行了16組仿真實(shí)驗(yàn)，以全面評(píng)估不同材料厚度組合對(duì)車(chē)輛碰撞性能的影響。在仿真過(guò)程中，重點(diǎn)關(guān)注了車(chē)輛的質(zhì)心在x軸和y軸方向的最大加速度、質(zhì)心合加速度以及護(hù)欄的最大動(dòng)態(tài)橫向變形量等關(guān)鍵評(píng)價(jià)指標(biāo)，這些指標(biāo)能夠直接反映護(hù)欄在車(chē)輛碰撞時(shí)的力學(xué)性能和車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，是評(píng)價(jià)護(hù)欄性能優(yōu)劣的重要依據(jù)。具體實(shí)驗(yàn)方案如表4所示。

小型客車(chē)在不同護(hù)欄材料組合下的正交仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4，可以看出：小型客車(chē)質(zhì)心x方向最小加速度出現(xiàn)在2號(hào)組合為17.4 m/s2，最大加速度出現(xiàn)在5號(hào)組合為46.4 m/s2；y方向最小加速度出現(xiàn)在7號(hào)組合為16.7 m/s2，最大加速度出現(xiàn)在15號(hào)組合為21.5 m/s2；小型汽車(chē)質(zhì)心最大合成加速度出現(xiàn)在5號(hào)組合為53.9 m/s2，最小合成加速度出現(xiàn)在2號(hào)組合為21.6 m/s2；護(hù)欄最大動(dòng)態(tài)變形量隨著護(hù)欄厚度的增加總體上呈現(xiàn)逐漸降低趨勢(shì)，護(hù)欄最大動(dòng)態(tài)變形量出現(xiàn)在1號(hào)組合為1.276 m，最小動(dòng)態(tài)變形量出現(xiàn)在16號(hào)組合為0.670 m。

4.2仿真結(jié)果分析

根據(jù)碰撞仿真實(shí)驗(yàn)中車(chē)輛質(zhì)心合成加速度和護(hù)欄最大橫向動(dòng)態(tài)變形量，可以進(jìn)一步計(jì)算得到三因素四水平的平均轉(zhuǎn)化率指標(biāo)k和極差R值，如表5所示。其中，R=max（k1，k2，k3，k4）－min（k1，k2，k3，k4），可以根據(jù)計(jì)算R值來(lái)判斷各實(shí)驗(yàn)因素對(duì)指標(biāo)的影響程度：R值越大說(shuō)明該因素對(duì)指標(biāo)的影響越大；反之，R值越小說(shuō)明該因素對(duì)指標(biāo)的影響越小。

由表5，通過(guò)對(duì)比極差R值大小，可以看出護(hù)欄板厚度、立柱厚度、防阻塊厚度三因素對(duì)于車(chē)輛質(zhì)心加速度的影響程度為因素C（防阻塊厚度）gt;因素B（立柱厚度）gt;因素A（護(hù)欄板厚度），僅考慮車(chē)輛質(zhì)心最優(yōu)加速度，護(hù)欄最優(yōu)組合為A3B2C1，即對(duì)應(yīng)的正交試驗(yàn)組合為321；同樣，三因素對(duì)護(hù)欄橫向最大動(dòng)態(tài)變形量的影響程度為因素A（護(hù)欄板厚度）gt;因素B（立柱厚度）gt;因素C（防阻塊厚度），僅考慮護(hù)欄最大動(dòng)態(tài)變形量，護(hù)欄最優(yōu)組合為A4B4C4，即對(duì)應(yīng)的正交試驗(yàn)組合為444。

進(jìn)一步分析轉(zhuǎn)化率指標(biāo)k。從圖5和圖6可以看出k隨因素水平的變化趨勢(shì)：車(chē)輛質(zhì)心合成最大加速度隨著因素A（護(hù)欄板厚度）增加的變化趨勢(shì)是先增大后減小再增大，隨著因素B（立柱厚度）增加的變化趨勢(shì)是先減少后增大，隨著因素C（防阻塊厚度）增加的變化趨勢(shì)是先增大后減小再增大；護(hù)欄橫向最大動(dòng)態(tài)變形量隨著因素A（護(hù)欄板厚度）、因素B（立柱厚度）和因素C（防阻塊厚度）的增加均是逐漸減小的趨勢(shì)，從斜率上看，因素A（護(hù)欄板厚度）的斜率最大，即改變護(hù)欄板厚度對(duì)護(hù)欄的橫向最大變形量影響效果最快。

綜合以上碰撞仿真分析結(jié)果，可以總結(jié)得到：隨著防阻塊厚度的逐步增大，車(chē)輛質(zhì)心加速度增大，增大了碰撞時(shí)對(duì)乘員的傷害；同樣，隨著波形梁板的厚度逐步增大，護(hù)欄的剛度變大，護(hù)欄的最大動(dòng)態(tài)變形量變小，碰撞時(shí)大部分能量被車(chē)輛吸收。因此，護(hù)欄最優(yōu)設(shè)計(jì)組合應(yīng)既考慮護(hù)欄碰撞時(shí)最大動(dòng)態(tài)變形量，又要考慮車(chē)輛質(zhì)心加速度不能過(guò)大；在滿足規(guī)范規(guī)定碰撞指標(biāo)的前期下，優(yōu)先考慮護(hù)欄性?xún)r(jià)比高的組合設(shè)計(jì)方案。綜合車(chē)輛碰撞后的約束速度、加速度和護(hù)欄變形指標(biāo)以及護(hù)欄經(jīng)濟(jì)性，初步確定護(hù)欄最優(yōu)組合方案：護(hù)欄板厚度為3.0 mm，立柱厚度為5.0 mm，防阻塊厚度為4.0 mm。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證護(hù)欄最優(yōu)組合方案（護(hù)欄板厚度為3.0 mm，立柱厚度為5.0 mm，防阻塊厚度為4.0 mm）的碰撞效果，正交仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果如下：車(chē)輛質(zhì)心x向峰值加速度18.50g，y向峰值加速度19.20g，其變化過(guò)程見(jiàn)圖7；護(hù)欄最大橫向動(dòng)態(tài)變形值0.966 m，整車(chē)x向撞后速度為11.10 m/s，整車(chē)y向撞后速度為0.30 m/s，碰撞各項(xiàng)指標(biāo)滿足規(guī)范要求。碰撞區(qū)域三波板約10 m長(zhǎng)度發(fā)生明顯變形，6個(gè)防阻塊發(fā)生明顯變形，其中4個(gè)防阻塊脫落，4根立柱發(fā)生彎折，如圖8所示，驗(yàn)證了C型立柱和日型防阻塊組合是可行的。

5結(jié)論

1）本文提出一種由日型防阻塊和C型立柱組合構(gòu)成的新型護(hù)欄。其中：三波板和防阻塊材質(zhì)為QN1701不銹鋼，具有高強(qiáng)度、高延伸和高耐蝕特征；立柱材質(zhì)為Q355低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼。仿真結(jié)果顯示該新型護(hù)欄結(jié)構(gòu)在碰撞中具有較好的阻攔和緩沖功能。

2）小型汽車(chē)正交仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：護(hù)欄板厚度、立柱厚度、防阻塊厚度三因素中對(duì)車(chē)輛質(zhì)心加速度的影響程度分別為 C（防阻塊厚度）gt;B（立柱厚度）gt;A（護(hù)欄板厚度）；三因素對(duì)護(hù)欄橫向最大動(dòng)態(tài)變形量的影響程度為 A（護(hù)欄板厚度）gt;B（立柱厚度）gt;C（防阻塊厚度）。

3）通過(guò)三因素四水平的正交仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果中平均轉(zhuǎn)化率和極差值分析，轉(zhuǎn)化率指標(biāo)隨因素水平變化各不相同：隨著防阻塊厚度的逐步增大，車(chē)輛質(zhì)心加速度增大；同樣，隨著波形梁板的厚度逐步增大，護(hù)欄的剛度變大，護(hù)欄的最大動(dòng)態(tài)變形量變小。

4）綜合考慮小型汽車(chē)碰撞后的速度、加速度和護(hù)欄變形指標(biāo)以及護(hù)欄經(jīng)濟(jì)性，初步確定護(hù)欄最優(yōu)組合方案為護(hù)欄板厚度3.0 mm，立柱厚度5.0 mm，防阻塊厚度4.0 mm。仿真結(jié)果驗(yàn)證了最優(yōu)組合合理可行。

論文只是針對(duì)小型汽車(chē)碰撞仿真進(jìn)行了分析，限于篇幅后續(xù)將繼續(xù)開(kāi)展中型客車(chē)和大型貨車(chē)的碰撞正交實(shí)驗(yàn)研究，以進(jìn)一步優(yōu)化護(hù)欄結(jié)構(gòu)。

參考文獻(xiàn)：

[1]LI Z， FANG H W， FATOKI J， et al. A numerical study of strong-post double-faced W-beam and Thrie-beam guardrails under impacts of vehicles of multiple size classes［J/OL］. Accident Analysis and Prevention， 2021， 159（2021-07-13）［2024-04-03］. https：//doi.org/10.1016/j.aap. 2021. 106286.

［2］ KURTULUS E， YILDIZ A R， SAIT S M， et al. A novel hybrid Harris hawks-simulated annealing algorithm and RBF-based metamodel for design optimization of highway guardrails［J］. Materials Testing， 2020， 62（3）： 251-260.

［3］ YIN H F， XIAO Y Y， WEN G L， et al. Design optimization of a new W-beam guardrail for enhanced highway safety performance［J］. Advances in Engineering Software， 2017， 112（5）： 154-164.

［4］ JABER M M， ALI M H， ABD S K， et al. Simulation research on the collision between freight cars and expressway three-wave beam steel guardrail［J/OL］. Multimedia Tools and Applications，2023（1）（2023-01-31）［2024-04-03］. https：//doi.org/10.1007/s11042-023-14374-5.

［5］ 張坤. 薄壁+混凝土組合式路側(cè)半剛性護(hù)欄防護(hù)能力研究［D］. 重慶：重慶交通大學(xué)， 2023.

［6］ 劉彬， 李菲， 趙秀京， 等. 波形梁護(hù)欄防阻塊結(jié)構(gòu)參數(shù)及防阻性能研究［J］. 公路， 2019， 64（1）： 197-201.

［7］ 孫漢正. 改進(jìn)的雙向漸進(jìn)法及其在公路護(hù)欄結(jié)構(gòu)碰撞拓?fù)鋬?yōu)化中的應(yīng)用研究［D］. 長(zhǎng)沙： 長(zhǎng)沙理工大學(xué)， 2022.

［8］ 王利軍. 高強(qiáng)鋼輕量化波形梁護(hù)欄應(yīng)用分析［J］.北方交通，2021（10）： 66-68.

［9］ 楊永奇， 虞葉東， 賈宜鑫. 高速公路新型泡沫鋁防撞護(hù)欄性能研究［J］. 公路， 2021， 66（7）： 220-223.

［10］趙德望， 王皖婷， 邢云， 等. 公路波形梁護(hù)欄抗撞防護(hù)特性及輕量化研究［J］. 安徽理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2023， 43（4）： 19-25.

（責(zé)任編輯：曾晶）

Abstract：

In order to solve the problem of high economic cost caused by the need for real vehicle foot-size collision in the process of developing new highway guardrail， we adopted finite element computational simulation technology to design a novel highway SB class guardrail structure， which is made of lightweight stainless steel triple-wave plate and low alloy high-strength structural steel combination. On the basis of in-depth analysis of material properties， we constructed new guardrail posts and new anti-blocks， Also， we builded the corresponding finite element models. Regarding the reliability of the whole vehicle model， we designed an orthogonal test simulation scheme with three factors and four levels（i.e.， guardrail plate thickness， column thickness and anti-resistance block thickness）. The results of the crash simulation show that the thickness of the anti-block has the greatest influence on the acceleration of the center of mass of the vehicle among the three factors， and the acceleration of the center of mass of the vehicle increases as the thickness of the anti-block gradually increases. Guardrail plate thickness on the guardrail lateral maximum dynamic deformation of the largest degree of influence， and with the waveform beam plate thickness gradually increased， the maximum dynamic deformation of the guardrail becomes smaller. Finally， the optimal combination of guardrails was determined and the feasibility was verified by considering the collision index and economy. The research results may provide reference for the optimization of new guardrail structures for highways.

Key words：

traffic safety facilities； highway new guardrail； crash simulation； orthogonal test； structural optimization

收稿日期：2024-04-03

基金項(xiàng)目：福建省高速公路科技項(xiàng)目（2023Y012）；福建省交通運(yùn)輸科技項(xiàng)目（202201）

作者簡(jiǎn)介：吳德華（1978—），男，副教授，博士，研究方向：交通安全設(shè)施，E-mail：610706517@qq.com.

*通訊作者：吳德華，E-mail：610706517@qq.com.