武漢理工大學碩士學位論文 中文摘要 近年來 隨著我國汽車保有量和高速公路里程的不斷增加 公路上發生的交 通事故也在逐年增加 其中近1 3 的事故是由汽車與護欄碰撞造成的 每年造成 巨大的人員傷亡和財產損失 所以分析汽車與高速公路護欄碰撞的事故 研究人 體損傷防護以及護欄和車輛防護性能的改進具有非常現實而重大的意義 本文主要從車和護欄的角度 用計算機仿真的方法系統研究了轎車與高速公 路護欄的碰撞 文章先對國內外高速公路發展情況和高速公路交通事故進行了統 計分析 并對國內外汽車 高速公路護欄碰撞事故的研究情況進行了對比分析 然后 文章對高速公路護欄的種類 設計方法和性能評估等方面進行了全面討論 文章基于多剛體動力學碰撞仿真軟件m a d y m o 建立了多剛體轎車 有 限元雙波形護欄碰撞系統仿真模型 通過研究車輛和護欄在碰撞中的動態響應 來揭示乘員的損傷與交通事故中的相關因素 如碰撞角度 碰撞速度等 之間的 內在關系 對比在不同碰撞角度和碰撞速度時 車輛與護欄的動態響應來研究轎 車與護欄之間的碰撞規律 并取得一些有意義的結論 在對影響護欄防護性能的外在因素進行了研究之后 本文接下來還對影響護 欄防護性能的內在因素 護欄橫梁板的設計參數m h 1 和r 1 與護欄整體防護性 能的相互關系進行了研究 結果分別從護欄的吸能特性和護欄作用在轎車上的加 速度兩個方面進行分析 研究表明 對于設計參數m 從護欄的吸能特性來看 現役護欄吸收的碰撞能量最多的 所以對應的三個設計量都是最優的 從護欄作 用在轎車上的加速度來看 現役護欄作用在車體x 方向上的加速度相對較小 在y 方向上加速度卻較大 z 方向幾乎差別不大 設計參數h 和r 1 也得到相似 的結論 最后 本文在總結了轎車與高速公路波形護欄碰撞中轎車的動態特性及護欄 防護特性的基礎上 提出了當前研究所遇到的若干問題和解決方案 并展望了進 一步的研究目標 關鍵詞 高速公路 波形護欄 碰撞仿真 防護性能 設計參數 武漢理 l 大學碩士學位論文 a b s t r a c t i i lr e c e n ty e a r s w i t ht h et o t a ln u m b e ro fm o t o rv e h i c l e sa n dh i g h w a ym i l e a g e e x p a n s ec o n t i n u o u s l yi no u rc o u n t r y t r a f f i ca c c i d e n t st h a th a p p e no nt h eh i g h w a ya r e i n c r e a s i n gy e a rb yy e a r a m o n gt h e mn e a r l y1 3 a c c i d e n t sa r ed u et ot h ei m p a c t b e t w e e nv e h i c l e sa n dg u a r d r a i l s a n db r i n gal a r g en u m b e ro fl o s s e st oh u m a nsl i f e a n dp r o p e r t y t h es t u d yo nv e h i c l e g u a r d r a i li m p a c ti ss t i l la tt h es t a r t i n gs t a g ea t p r e s e n ti no u rc o u n t r y s ot h er e s e a r c hw o r kt h a tc a r r i e so ni nt h i sa s p e c th a sav e r y r e a l i s t i ca n dg r e a tm e a n i n g f r o mv i e w so fv e h i c l ea n db a r r i e r c a rc r a s hw i t hh i g h w a yb a r r i e rw a ss t u d i e d s y s t e m a t i c a l l y i nt h i sp a p e rb yu s i n gc o m p u t e rs i m u l a t i o n f i r s t l y b a c k g r o u n do f h i g h w a yd e v e l o p m e n ta n dd a t ac o l l e c t i n ga n ds t a t i s t i c sa n a l y s i so fh i g h w a ya c c i d e n t s a th o m ea n da b r o a dw e r ec a r d e do u t r e s e a r c h e so fv e h i c l e b a r r i e rc r a s ha c c i d e n t so n h i g h w a yw e r ec o m p a r e db e t w e e ni n a n do u t s i d ec h i n a a n ds e v e r a ls i g n i f i c a n t c o n c l u s i o n sw e r ea c q u i r e d t h ec a t e g o r y d e s i g na n dg u i d e l i n e so fh i g h w a yb a r r i e r s w e r et h e nd e s c r i b e d b a s e do nd y n a m i c ss i m u l a t i o ns o f t w a r em a d y m o am u l t i b o d yc a ra n df i n i t e e l e m e n tw b e a mg u a r d r a i li m p a c tm o d e lh a sb e e ne s t a b l i s h e d b ys t u d y i n gt h e d y n a m i cr e s p o n s eo fv e h i c l ea n dg u a r d r a i li nc o l l i s i o n t h i sp a p e ra n n o u n c e dt h e i n h e r e n tr e l a t i o nb e t w e e nt h ed a m a g eo ft h ep e r s o n sa n dr e l e v a n tf a c t o r so ft r a f f i c a c c i d e n t s u c ha st h ei m p a c ta n g l e i m p a c ts p e e da n ds oo n a f t e ra n a l y z i n gt h ee x t e r n a lf a c t o 颶 t h i sp a p e rw e n to nt os t u d yt h ei n h e r e n t r e l a t i o nb e t w e e nt h eg u a r d r a i lsp r o t e c t i v ep e r f o r m a n c ea n di t si n t e r n a lf a c t o r s s u c h a st h eg u a r d r a i lsd e s i g np a r a m e t e r sm h ia n dr 1 t h er e s u l t sw e r ea n a l y z e df r o mt h e t i m eh i s t o r yo fe n e r g ya b s o r b e db yt h eg u a r d r a i la n da c c e l e r a t i o no nt h ec a rsm a s s c e n t e r f r o mt h er e s u l t sw ec a ns e e t h ea c t i v eb a r r i e rc a na b s o r bm u c hm o r ei m p a c t e n e r g yt h a nt h eo t h e rt w o a n dt h et h r e ec o r r e s p o n d i n gd e s i g no ft h ea c t i v eb a r r i e ra r e o p t i m a l a n dt h ea c t i v eb a r r i e rh a sal o w e s ta c c e l e r a t i o ni nt h exd i r e c t i o n b u ta h i g i l e s to n ei nt h eyd i r e c t i o n a n dt o ol i t t l ed i f f e r e n c ei nz d i r e c t i o nt ob ec o n s i d e r e d t h ed e s i g np a r a m e t e r sm h ia n dr lh a v ec o m et ot h es i m i l a rc o n c l u s i o n s f i n a l l y o nt h eb a s i so fs u m m a r i z i n gd y n a m i c so fc a ra n dp r o t e c t i o nb e h a v i o ro f g u a r d r a i li nc a r h i g h w a yb a r r i e rc r a s h m a n yp r o b l e m ss o l u t i o n sc o n f r o n t e di nt h e c u r r e n tr e s e a r c hw e r ep r e s e n t e d a n dt h ep r o s p e c to b j e c t i v e so ff u r t h e rw o r kw e r ea l s o g i y e n k e yw o r d s h i g h w a y w b e a mg u a r d r a i l i m p a c ts i m u l a t i o n p r o t e c t i v ep e r f o r m a n c e d e s i g n p a r a m e t e r n 獨創性聲明 本人聲明 所呈交的論文是本人在導師指導下進行的研究工作及取得的研究 成果 盡我所知 除了文中特別加以標注和致謝的地方外 論文中不包含其他人 已經發表或撰寫過的研究成果 也不包含為獲得武漢理工大學或其它教育機構的 學位或證書而使用過的材料 與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已 在論文中作了明確的說明并表示了謝意 簽名 塑型趣日期 2 竺虛 上 z 關于論文使用授權的說明 本人完全了解武漢理工大學有關保留 使用學位論文的規定 即學校有權保 留 送交論文的復印件 允許論文被查閱和借閱 學校可以公布論文的全部或部 分內容 可以采用影印 縮印或其他復制手段保存論文 保密的論文在解密后應遵守此規定 簽引司 權翮簽伽日期 伊彥 r 武漢理下大學碩士學位論文 1 1 研究背景 第1 章緒論 汽車自誕生以來的1 0 0 多年間 以其特有的優越性為現代社會發展和人類 生活條件的改善做出了巨大的貢獻 但是汽車的大量普及不可避免的帶來了交 通擁擠 環境污染和事故傷害等許多問題 尤其是道路交通事故發生率居高不 下 對人們的人身財產安全造成了難以估計的傷害 1 9 7 0 年以前 世界上一些 經濟發達國家隨著汽車保有量的增加 交通事故也相應增多 到1 9 7 0 年交通事 故數達到最高峰 例如日本 1 9 7 0 年死于車禍的人數達到1 6 7 6 5 人 傷于車禍 的人數達到9 8 1 0 9 6 人 死 傷總人數達到全國人口的1 但在這之后 發達 國家開始對公路護欄的安全性能進行了大量的研究工作 各種新型護欄不斷出 現并被廣泛使用 這些國家的交通事故正在逐年減少 由事故造成的損失也隨 之大為減輕 據不完全統計 在1 9 8 7 1 9 9 2 年這5 年中 西歐交通流量上升了 1 6 然而在1 9 8 8 1 9 9 2 年間德國的事故率卻下降了7 0 法國和西班牙均下 降了2 0 左右 英國的車禍死亡率由每公里1 8 人 億輛降低到1 1 人 億輛 1 l 一交通事故 起 1 傷亡人數 人 i 一經濟損失 7 i 元 i 1 9 7 0 1 9 7 4 1 9 7 8 1 9 8 2 1 9 8 6 1 9 9 0 1 9 9 4 1 9 9 8 2 0 0 22 0 0 6 圖11 9 7 0 2 0 0 6 年全國道路交通事故統計 我國的交通事故基本是隨著國民經濟的發展而逐步上升的 交通事故死亡 人數列世界第一 根據資料表明 在道路交通事故中 發生在普通干線公路上 的事故約有4 5 發生在高速公路上的事故約有3 0 其中由于汽車越出道路 而造成的特 重大惡性交通事故占該類事故總數的比例高達6 2 以上 同時我 0 0 o o 0 0 0 0 o 0 0 0 o 0 o 0 o o 0 0 o o 0 o 0 o 0 0 0 0 o 0 0 0 0 o o 0 0 0 0 o o 0 o o 0 0 0 0 o o o 0 0 0 0 o o o o o o o 0 o 5 o 5 o 5 0 5 o 5 o 5 0 5 o 5 8 7 7 6 6 5 5 4 4 3 3 2 2 1 1 武漢理工大學碩士學位論文 國每年因交通事故而導致的死亡事故中有1 3 是汽車與路側碰撞的單車事故 圖1 為我國1 9 7 0 2 0 0 6 年歷年道路交通事故以及由此造成的人員傷亡和直接經 濟損失的情況1 2 引 從圖中可以觀察到 從7 0 年代以來 我國道路交通事故 總數和傷亡人數總體呈現上升趨勢 特別是9 0 年代中后期增長非常迅速 但從 2 0 0 2 開始 我國道路交通事故總數有了明顯的下降 但由此造成的人員損傷總 數卻遠遠高于世界上其他國家 2 0 0 4 年1 0 月世界衛生組織公布 我國汽車保 有量僅占世界汽車保有量的2 可道路交通事故的死亡人數卻占世界交通事 故死亡人數的1 7 萬車死亡率是美國的3 5 倍 日本的2 2 倍 成為世界交通 事故死亡人數最多的國家 據世界銀行的報告預測 到2 0 2 0 年 中國因道路交 通造成的死亡還會再上漲9 2 由此造成的經濟損失將占到g d p 的1 5 相 當于2 1 0 億美元 分析我國道路交通事故傷亡人數居高不下的諸多因素中 其中非常重要的 一個方面就是我國的公路設施 特別是高速公路設施 與發達國家相比 無論 從實質的合理性 還是從設施的總體品質均遠比不上 在所有道路交通事故中 高速公路交通事故 主要是護欄碰撞事故 占了很大的比例 而且隨著我國高 速公路里程和汽車保有量的增加有上升的趨勢 特別是隨著汽車行駛速度的不 斷提高 現有的護欄將有可能無法滿足安全行駛的需要 因此進一步開展汽車 與道路護欄碰撞事故的研究 具有非常重要的意義 1 2 研究現狀 1 2 1 國外研究現狀 護欄作為高速公路上的主要安全設施 在世界范圍內很早就受到了人們的 廣泛重視 國外公路交通較發達的國家在高速公路出現的初期就著手于護欄結 構的研究 例如 美國從1 9 2 0 年起就開始了護欄的研究與使用 在理論分析和 模擬實驗的基礎上 通過實車足尺護攔碰撞驗證實驗和公路上的應用實踐 積 累了大量的資料和豐富的經驗 制定了有關護欄形式的選擇 結構設計 試驗 方法 手段以及護欄的生產制造 運輸安裝和維修等一系列的標準 如1 9 6 6 年美國首先制定實施了國家交通 汽車安全法及公路安全法 1 9 6 8 年又實施了 安全標準f m v s s 1 9 7 0 年美國運輸部公布了開發試驗安全車 e s v 的計劃 美國國家研究會交通研究所在1 9 8 1 年制定了高速公路安全設施的評價標準 在 1 9 7 0 年和1 9 8 6 年前后組織了高速公路護欄結構及各種安全設施的一系列的研 究工作以及編寫各種設計規范 法國 英國 德國等國家也在很早就丌始護欄 結構的研究工作 建立健全了 整套的實驗設施和相應的實驗規程 從理論和 2 武漢理一 大學碩十學位論文 實驗上研究了多種類型的護欄結構 日本于5 0 年代開始這方面的研究工作 并 在名神高速公路開始正規使用護欄 在短短十幾年中 日本的眾多研究機構對 各種護欄結構進行了廣泛深入的開發研究 于1 9 6 5 年制定了護欄設置綱要 對 護欄的適用范圍 結構設計 功能要求 施工安裝等方面做出了明確的規定 至此形成了美 日兩種典型的護欄形式 其它許多國家 大致在5 0 6 0 年代 也相繼開展了各自國家的護欄結構的設計標準的研究 國外不少設施的碰撞研究人員對汽車與路側撞進行了廣泛而深入的研究 并將碰撞試驗所得的結果與用計算機仿真模擬得到的結果進行比較分析 m i l l e r 和c a r n e yi i i 介紹了使用l s d y n a 程序模擬在重型車和輕型車的高速碰撞下 美國康涅狄格州碰撞衰減系統n c i a s 的吸能特性 并將有限元仿真和足尺寸碰 撞試驗的結果進行了比較 如加速度一時間曲線 速度一時間曲線 位移一時 間曲線 結果非常一致 并建議將這種計算機仿真工具更廣泛地用于道路安全 性能的研究1 4 i s r o b e r tt h o m s o n 對路側和中央分隔帶護欄系統的安全性以及 評價標準進行了詳細的說明 對路邊設施進行標準化試驗的要求始于2 0 世紀 6 0 年代 隨著路側硬件設施的研究和試驗技術的進步 很多文獻都報告了非常 詳細的評價系統 如n c h r p n a t i o n a lc o o p e r a t i v eh i g h w a yr e s e a r c hp r o g r a m 2 3 0 報告 1 9 8 1 和3 5 0 報告 1 9 9 3 歐洲的試驗條件 在p r e n l 3 1 7 標準中 進行了說明 1 2 2 國內研究現狀 我國在七五期間開始針對高速公路護欄的設計 生產與施工等方面的開 展研究工作 交通部公路科學研究所從1 9 8 4 年開始對波形梁護欄進行了系統的 研究 之后不久便提出了一種適合我國當時國情的護欄結構形式 該結構采用 厚度3 m m 的深波紋橫梁 z 字形開口型鋼立柱的形式 并從1 9 8 9 年起在全國 推廣應用 但根據隨后幾年工程實踐得出 z 形柱強度太弱 損壞嚴重 不利 于行車安全 故于1 9 9 4 年5 月停止使用波形梁護欄z 形柱 1 9 9 2 年前后 中 國公路工程咨詢監理總公司組織有關人員對全國己通車高速公路護欄的使用情 況做了調查 據此擬定了波型梁護欄實車碰撞試驗方案 聯系了近十個單位 組織了近百人的試驗研究課題組 進行了一年多的工作 完成了我國第一次實 車足尺寸碰撞試驗的研究任務 建立了一套試驗方法和設施 1 9 9 2 年底 交通 部公路科學研究所在總結全國護欄實際應用的基礎上 推出了新型的變截面波 形梁護欄結構形式 該結構由于橫梁采用變截面形式 橫梁在搭接處結合緊密 使高強螺栓的性能得以充分發揮 橫梁在搭接處產生斷裂的可能性大為減小 從而保證了橫梁的連續梁作用 并使線形更加順適美觀 造價降低 該結構形 武漢理 二大學碩士學位論文 式已應用于首都機場和成渝高速公路 并將作為我國公路護欄的基本結構形式 列入交通行業標準 在全國推廣應用 到1 9 9 4 年初我國制定了行業標準 j t j 0 7 4 9 4 高速公路交通安全設施設計及施工技術規范 1 9 9 5 年制訂了 高 速公路波形梁鋼護欄 產品標準 到1 9 9 7 年 交通部公路科學研究所就開發 了可用于高速公路設施碰撞研究的試驗手段 為防撞護欄的試驗研究創造了更 好的條件 2 0 0 0 年交通部編寫發布了 公路三波形梁鋼護欄 行業標準并推廣 應用 主要用于重型車 大型車比例高的路段和山區高速公路等地形不利之處 2 0 0 4 年我國又針對高速公路制訂了 高速公路護欄安全性能評價標準 j t g t f 8 3 0 1 2 0 0 4 2 0 0 6 年 在對 高速公路交通安全設施設計細則 cj t j0 7 4 9 4 借鑒和修改的前提下 我國重新統一制訂了 公路交通安全設施設計及施工技 術規范 j t g 廠rd 8 1 2 0 0 6 6 1 7 11 8 雖然我國的公路防撞護欄在研究和實踐上都取得了一定的進步 但從整體 水平上與國外相比仍然存在很大的差距 主要表現為 一方面雖然我國高速公 路上已經安裝了各種結構形式的護欄 但其設計基本都是參照國外的有關標準 和規范進行的 嚴重缺乏實驗過程和技術數據 更沒有自主知識產權 這與我 國所面臨的w t o 規則是嚴重相背的 另一方面 實際上各國交通環境條件及 車型不盡相同 針對我國的具體情況 研究開發適合我國國情的新型高速公路 護欄 充分開展護欄沖擊過程的吸能導向特性及其反應的研究 為我國護欄設 計積累必要的技術數據 是目前亟須解決的課題 1 3 研究目的和內容 1 3 1 研究目的 統計結果進一步表明 在我國的道路交通事故中 發生在普通干線公路上 的約有4 5 發生在高速公路上的約有3 0 是車輛越出路外造成的 且由此造 成的特 重大惡性交通事故占該類事故總數的比例達6 2 以上1 9 我國每年有 1 3 的死亡事故發生在車輛與路側碰撞的單車事故中 且呈逐年上升趨勢 因 此有必要對汽車與高速公路護欄碰撞的規律進行研究 對護欄結構進一步綜合 優化 本文將建立轎車 護欄碰撞的仿真系統 基于這樣的系統用各種不同的 碰撞參數來進行不同的實驗研究 根據實驗結果來分析這些參數與人體遭受的 損傷之問的關系 通過這種關系可以明確將來需要進一步研究的方向 本文研究的目的是通過改變護欄橫梁的某些設計參數 對比分析各個參數 與護欄防護性能的相互關系 為以后對護欄進行優化設計提供參考 4 武漢理工大學碩士學位論文 1 3 2 研究內容 本文的研究內容主要包含以下三個方面 1 建立轎車與波形梁護欄的碰撞仿真系統 建立準確的模型是進行計算機仿真研究工作的前提和關鍵 本仿真試驗使 用的汽車多剛體模型的結構和尺寸均參照天津一汽夏利2 0 0 0 三廂轎車 護欄模 型根據現行的 公路交通安全設施設計細則 j t 叩d 8 12 0 0 6 中的c r a 4 c 護欄系統來設計 其組件包括護欄立柱 防阻塊和波形欄板 2 研究不同碰撞條件下護欄對事故車輛的防護性能 高速公路上轎車和護欄的碰撞可能在不同的碰撞速度 不同的碰撞角度下 發生 碰撞的角度 速度不同 護欄對事故車輛所起到的防護作用也會不同 乘員在事故中受到的傷害及傷害的程度也有差異 通過本文的研究探索在不同 的碰撞條件下 護欄防護能力以及乘員所受的傷害之間的規律 從而為護欄設 計和安全法規制訂提供依據 3 對比研究護欄的不同設計參數與其防護性能的相互關系 選取波形護欄欄板的某些設計參數作為研究對象 對比分析在相同的碰撞 條件下 不同設計量與護欄整體防護性能之間的相互關系 為以后對護欄進行 優化設計提供參考 1 4 研究方法 目前國內外對車輛碰撞護欄的研究主要采用三種方法 實車足尺試驗法 縮尺模型試驗法和計算機仿真法 1 4 1 實車足尺試驗法 實車足尺撞擊試驗是用實際車輛沖撞護欄來模擬現實交通事故的一種研究 方法 它可以得到車輛在撞擊過程中的運動軌跡和運動姿態 車輛與護欄的變 形和損傷特征以及碰撞沖擊力等真實可信的技術參數 是護欄結構設計和驗證 其他研究方法的直接依據 目前汽車 護欄碰撞試驗較有影響力的標準主要有歐洲e n l 3 1 7 標準和 美國標準n c h r p 3 5 0 報告 1 0 1 1 1 1 早在1 9 7 4 年 美國國家合作高速公路研究項 目 n c h r p 1 5 3 報告就出版了 這個文件是第一個比較全面的標準 涉及到 范圍很廣的道路硬件設施 包括 縱向護欄 護欄端部 過渡段和碰撞緩沖器 等 提出了具體的評價標準 主要包括以下三個方面 1 結構的可靠性 5 武漢理 大學碩十學位論文 2 乘員安全的危險程度 3 碰撞后汽車的行駛軌跡 后期陸續出現的n c h r p 2 3 0 報告和n c h r p 3 5 0 報告則對高速公路硬件安 全設施規定了詳細的足尺碰撞試驗程序 試驗碰撞條件由汽車的重量 碰撞速 度和碰撞角度組成 1 2 汽車與護欄的足尺寸碰撞試驗需要大量的試驗設備 表1 1 中列出了碰撞 試驗的儀器 1 3 1 表1 1 碰撞試驗儀器 參數n c h r p 2 3 0u b c 高速膠卷 2 0 0 f p s 警用無線電裝置 碰撞速度超速監視區 高速錄像機 5 0 0 1 0 0 0 f p s 備用輪 碰撞角度 高速膠卷 2 0 0 f p s 高速錄像機 5 0 0 1 0 0 0 f p s 駛出路線 高速膠卷 2 0 0 f p s 汽車路線 護欄校準儀 高速膠卷 2 0 0 f p s 高速錄像機 5 0 0 1 0 0 0 f p s 護欄偏轉 位移電壓計總體情況監測系統 0 汽車轉動速度速度陀螺儀3 一d 錄像分析 汽車加速度加速度儀加速度儀 為了提高高速公路的行車安全性 使高速公路的護欄設置更加安全合理 經濟適用 中國在參照國外標準的基礎上于2 0 0 4 年1 2 月1 4 日發布了 高速公 路護欄安全性性能評價標準 j t g 廠rf 8 3 0 12 0 0 4 推薦性 該標準為檢驗 各級高速公路護欄的實際防護能力和安全性能提供參考 表1 2 給出了該標準 中規定的我國實車碰撞的試驗條件 1 4 表1 2 實車碰撞試驗條件 序號 車輛質量 t 碰撞速度 k m h 碰撞角度 一 碰撞能量 k j 11 51 0 02 0 21 06 02 01 6 0 以上 3 1 0 8 02 02 8 0 以上 41 4 8 02 04 0 0 以上 51 88 02 0 5 2 0 以上 特殊設計護欄 需要特殊設計的公路 如集裝箱 i 有率相當高 跨越非 6 常重要建筑區 通航等級高 繁忙的河道 干線高速鐵路 等 各項指 標可根據公路設計的實際情況具體確定 6 武漢理工大學碩十學位論文 1 4 2 縮尺模型試驗法 縮尺模型試驗法是一種將實際汽車護欄或其中的一部分構件按一定比例縮 小進行模擬試驗的方法 它可以在實驗室進行 具有試驗成本低 試驗過程易 于控制 變換參數容易 可采用多組試件反復進行等眾多優點 是對護欄進行 撞擊特性 撞擊剛度 能量吸收能力等物理力學特性研究的一種經濟有效的試 驗方法 但在應用該方法時 需解決縮尺模型與實際模型的動力模擬相似性的 問題 1 4 3 計算機仿真法 雖然實車碰撞試驗是最主要的研究方法 但是人們也在逐漸使用計算機模 擬分析工具在這一領域里展開研究工作 6 0 年代早期c o m e l l 航空實驗室的研 究人員用有限元研究了紐約公共事業部的汽車 護欄碰撞事故機制 開發出了簡 單的分析模型 使用彈簧 阻尼器 桿和連接器檢測汽車的動態特性和護欄的 強度 這個研究是相當成功的 得出了許多當時通用護欄系統的評價結果 1 5 1 6 許多現在公認的護欄安全問題是這次研究中發現的 如 1 護欄板與立柱的分離以防止汽車鉆入的重要性 2 輪胎掛在強度高的護欄立柱上的可能性 3 強立柱與相對較弱的立柱護欄組合時壓窩的可能性 這些研究結果在改善波形梁護欄性能 對目前仍在美國紐約州使用的箱型 梁護欄進行設計時確實起到了作用 通過計算機仿真方法 可以預先得到碰撞 的結果 從經濟上考慮 這一點能夠極大的減小護欄的設計成本 從6 0 年代開始 隨著汽車使用人數的增加 發生的交通事故數量也不斷的 增加 人們對汽車的安全性越來越重視 這就迫使汽車生產廠家和設計者進行 大量的試驗 找出有關結構和零部件的各類缺陷 提高產品的質量 性能 現 在隨著計算機技術的迅速發展 其它相關領域的新技術和新理論的不斷發展和 完善 實現復雜結構的模擬計算己經成為可能 汽車發生碰撞時 其運動軌跡以及車內乘員的運動狀態往往十分復雜 因 此運動方程式的建立和求解也都很復雜 再加上碰撞時車身發生大變形并引起 儀表板 前圍板等零件縮入乘客室內 減少了人體與室內物體的距離 也使得 問題求解復雜化 因此 汽車碰撞的計算機模擬研究一般包括以下三方面的內 容 1 用有限元方法研究汽車碰撞過程中車身 車架變形及動態響應 2 研究人體在多種碰撞條件下的響應 7 武漢理工大學碩士學位論文 3 仿真計算 與之相關的最基本的也是最復雜的工作是建立能真實反映實際碰撞過程的 數學模型 現有的數學模型大體上可分為集中質量模型 多體系統模型和有限 元模型 目前 數學建模主要涉及以下的研究領域 1 建立適用于不同碰撞條件 正面碰撞 側面碰撞 尾部碰撞等 的車體 動力學模型 包括各種汽車部件模型 2 建立體現不同人體特征和動力響應特性的假人模型 3 建立人體局部結構的生物力學模型 4 建立汽車安全系統模型 計算機模擬研究汽車碰撞過程中車身 車架變形及動態響應的重要前提是 建立正確的汽車結構數學模型 根據研究對象的不同 建立的數學模型可以是 整車模型 也可以是汽車的某一部分 目前應用于汽車碰撞模擬的計算機仿真軟件主要有l s d y d a p a m c r a s h m a d y m o 等等 1 l s d y n a l s d y n a 是世界上著名的通用顯式動力分析程序 它以l a g r a n g e 算法為 主 兼有觸正和e u l e r 算法 以顯式求解為主 兼有隱式求解功能 以結構分 析為主 兼有熱分析 流體 結構耦合功能 以非線性動力分析為主 兼有靜力 分析功能 如動力分析前的預應力計算和薄板沖壓成形后的回彈計算 特別適 合求解各種結構的高速碰撞 爆炸和金屬成型等高度非線性瞬態動力學問題 在工程界得到廣泛應用并被認為是最佳的顯式分析軟件包 與實驗結果的無數 次對比證實了其計算的可靠性和準確性 2 p a m c r a s h p a m c r a s h 是基于顯式有限元算法的計算機三維碰撞沖擊仿真模擬系 統 能夠對大位移 大旋轉 大應變 接觸碰撞等問題進行十分精確的模擬 主要有以下顯著特點 能夠簡便地處理異常復雜的邊界約束 支持多c p u 并行計算 d m p 和s m p 運算效率高 三維圖形顯示屬性靈活控制 色彩多樣逼真 動態分配內存 無須用戶設置 靈活控制計算的時間步長 可設置阻尼以加快求解彈性接觸時的收斂 自動消除初始穿透 靈活搜尋接觸區間 針對大變形材料可采用特有的a d a p t i v em e s h f r o z e n m a t r i c n o n 1 i n e a r c o n t a c ts t i f f n e s s 等措施來保證求解的穩定性和精確性 8 武漢理工大學碩十學位論文 可設定材料的斷裂失效條件 簡便地定義焊點 鉚釘等約束及其斷裂條件 針對汽車碰撞而特設指標整形 輸出 比較模塊 3 m a d y m o m a d y m o m a t h e m a t i cd y n a m i cm o d e l 多剛體動力學分析軟件是最初在 1 9 7 5 年由荷蘭的t n o 公路汽車研究學會完成 m a d y m o 軟件由二維版本和 三維版本組成 兩個版本有幾乎相同的格式 m a d y m o 到1 9 8 3 年形成了3 0 版 到1 9 8 8 年形成了4 2 版 目前 m a d y m o 已發展到6 3 2 版 并成功地將 有限元融入多剛體系統分析中 成為了一個多剛體與有限元結合的數學模擬軟 件 主要用于汽車碰撞安全性研究 可以做乘員約束系統分析 1 7 1 m a d y m o 軟件中有著全世界最好的機械假人數學模型和歐洲人體模型項目最新開發的 h u m 0 2 數學模型 廣泛應用于車身結構設計 懸架系統分析 安全氣囊 安 全帶 座椅 儀表板 方向盤轉向柱等開發 是乘員約束系統整合及優化設計 的首選工程軟件和工業標準 1 4 4 研究方法對比 足尺寸碰撞試驗是綜合評價汽車碰撞安全性能的最基本 最有效的方法 只要試驗條件符合實際碰撞條件 試驗設備達到一定的精度 其結果是最直觀 的 因此該方法己為國內外很多研究人員使用 是一種不可替代的方法 但是 由于足尺寸試驗的費用非常昂貴 進行試驗準備的時間也很長 從而限制了這 種方法的廣泛應用 另外 即使花費大量的資金對安全設施進行一系列的足尺 寸碰撞試驗 以確保可靠的安全特性 但是這些試驗裝置和實際路旁設施之間 依然存在差別 另一方面 進行足尺寸碰撞試驗的范圍是非常有限的 從目前 國內外研究人員所做過的試驗看 進行的試驗主要是針對頻發事故而設計的 而且幾乎所有的足尺寸碰撞試驗都是在平地上進行的 而這種條件與實際情況 并不完全相符 最后一點 足尺寸碰撞試驗的再現性不是很好 其結果會受到 試驗地點 試驗環境等條件的影響 近年來 非線性有限元程序的發展 極大地推動了計算機建模和汽車碰撞 仿真技術的發展 隨著計算機模擬汽車與路旁設施碰撞能力的提高 研究道路 安全特性將變得更加經濟 由于減少了所需足尺寸碰撞試驗的數量因而能大大 降低研究費用 研制新的硬件設施的成本也就隨之大大減小 對于那些無法通 過足尺寸碰撞試驗來進行研究的情況 卻可以利用計算機仿真來很好地模擬 從而有助于改進和提高汽車安全和道路安全 只要模型建立得準確 得出的結 果就會與實際的結果接近 計算機仿真其結果的再現性很好 只要輸入條件相 9 武漢理 f 大學碩十學位論文 同 計算精度相同 得到的結果就會一致 由于計算機仿真是對真實事件的簡化 并且計算結果受計算精度的限制 因此有必要驗證仿真模型的正確性 往往通過做足尺寸碰撞試驗來驗證計算機 仿真模型的正確性 通過對比分析這兩種方法得到的試驗結果 來確定模型是 否準確 找出還存在的問題 為模型的修正提供依據 盡管計算機仿真已經表 現出很強大的生命力和適應性 但是目前還是無法完全取代費用昂貴的足尺寸 試驗 1 0 武漢理 大學碩士學位論文 第2 章護欄裝置 眾所周知 護欄作為高速公路上重要的安全設施 對交通事故的防治尤其 是對特 重大惡性交通事故的防治具有相當重要的意義 高速公路護欄主要作 用有 1 防止失控汽車沖出路外或越過中央分隔帶的功能 2 具有較強的吸收碰撞能量的能力 3 具有導向功能 使碰撞汽車改變行駛方向 4 具有誘導視線的功能等 2 1 護欄類型 護欄作為一種縱向吸能結構 通過自體變形或車輛爬高來吸收碰撞能量 從而改變車輛行駛方向 阻止車輛越出路外或進入對向車道 最大限度地減少 對成員的傷害 按其在公路中的縱向設置位置 可分為路基護欄和橋梁護欄 按其在公路中的橫向設置位置 可分為路側護欄和中央分隔帶護欄 根據碰撞 后的變形程度 可分為剛性護欄 半剛性護欄和柔性護欄 1 8 2 1 1 剛性護欄 剛性護欄是一種基本不變形的護欄結構 混凝土護欄是剛性護欄的主要形 式 它是一種以一定形狀的混凝土塊相連接而組成的墻式結構 它利用失控車 輛與墻碰撞后爬高并轉向來吸收碰撞能量 混凝土護欄分為整體式和分離式兩 種形式 整體式護欄適合設置在中央分隔帶較窄路段 分離式護欄適合設置在 中央分隔帶較寬路段 這樣就使得易于在中央分隔帶內埋設通信和供電管線 混凝土安全護欄的高度一般設計為8 1 0 m m 當存在危險的坡道和彎道時 則將 其加高 由于汽車與混凝土相撞時 護欄在瞬間沖擊荷載的作用下 基本上不移動 不變形 碰撞過程中的能量主要是依靠汽車與護欄面接觸并沿著護欄面爬高和 轉向來吸收 并使碰撞汽車恢復到正常行駛方向 所以混凝土護欄的截面形狀 和尺寸 高度 寬度等 直接影響碰撞作用效果 目前 國內外混凝土護欄一 般都采用上 下雙斜面的結構型式 見圖2 1 其下斜面較緩用于抬升汽車 將 動能轉化為勢能 減緩沖擊速度 而其上斜面較陡用于攔阻汽車 1 9 混凝土護欄的施工可采用滑模成型 預制和現澆三種方法進行 采用預制 方法可保證護欄混凝土的整體質暈和線形較美觀 可在其他工程施工時 進行 武漢理i 人學碩十學位論文 護欄預制 最后可加快護欄施工 但需要較大的預制場地 采用現澆法施工時 混凝土表面質量及護欄線形較難保證 施工工藝段加強控制 進度較慢 對于 整體式的混凝士護欄 若通信管線埋于中央分隔帶護欄內 則只能使用現澆法 施工 采用滑模成型法 成本低 因為可以放置很長的路段而不必截斷 2 叭 2 1 2 半剛性護欄 圖2 i 混凝土護欄 飛讕 武漢理 大學碩士學位論文 撞護欄一般采用波形梁鋼護欄作為路側護欄及中央分隔帶護欄 中央分隔帶護 欄采用分設型 目前這種護欄使用較為廣泛 對波形梁護欄的設計主要是其高度的確定 合理的高度應使失控汽車與護 欄碰撞時 能作用于汽車的有效部位 即不使汽車越出欄桿 又不致使汽車鉆 入護欄下面 目前規范中規定護欄安裝高度即連接螺栓中心至路面的距離為 6 0 c m 通信管道可埋在中央分隔帶下 埋深超過護欄柱 以免發生交通事故時 受撞擊的護欄柱對通信管道造成破壞 波形梁護欄工程總造價一般不超過整體 式混凝土護欄 2 1 3 柔性護欄 柔性護欄是一種具有較大緩沖能力的韌性護欄結構 纜索護欄是柔性護欄 的主要代表形式 它是一種以數根施加初張力的纜索固定于立柱上而組成的結 構 它主要依靠纜索的拉應力來抵抗車輛的碰撞 吸收碰撞能量 纜索護欄由纜索 立柱和托架組成 纜索一般通過鋼絲繩經過防銹處理鍍 鋅 鋁 制作而成 如圖2 3 為國內某條高速公路上所裝配纜索護欄 纜索護 欄可適用于路側護欄和中央分隔帶護欄 當用于中央分隔帶護欄時 兩側纜索 通過一根立柱相聯 可用于中央分隔帶較窄的路段 最早的纜索安全護欄是由 美國紐約州和加利福尼亞州于2 0 世紀5 0 年代晚期開發的 纜索的數量由2 索 增加到目前的3 索和4 剝2 1 j 目i j 使用比較多的是三索護欄 纜索護欄的施工一般安排在路面施工完成后進行 包括立柱埋設安裝托架 和架設纜索 其中端部及中間端部施工較復雜 立柱的埋設可通過鉆孔法或打 樁法施工 同時 纜索護欄用于中央分隔帶時 高速公路通信管線可在立柱之 間埋設 2 1 4 幾種護欄特性對比 1 混凝土護欄防止車輛越出路外的效果好 車輛撞時幾乎不變形 整體 式混凝土護欄適合于中央分隔帶較窄的路段和較危險的路側護欄 混凝土護欄 的維修量小 行車時噪音較大有壓迫感 施工速度慢 整體線形較難順直 整 體式混凝土護欄防眩造價高 不易埋設通信管道且不能在以后新增管道 2 波形梁護欄具有一定的剛性和韌性 損壞時容易更換 便于維修 且 有較好的視線誘導功能 能與道路線形相協調 外形美觀 用于中央分隔帶時 一般采用植物防眩 可美化環境和公路景觀 且節省造價 波形梁護欄施工工 藝簡單 速度較快 目前生產廠家及施工單位較多 易于選擇 3 纜索護欄具有最美觀的外形 適合于風景區的高速公路 由于在彈性 武漢理1 大學碩 學位論文 范圍內工作 可以重復使用 容易修復 適用于北方積雪地區 支柱間距比較 靈活 受不均勻沉陷的影響小 但纜索護欄施工復雜 端部立柱損壞時修理困 難 不適合在小半徑路線路段使用 視線誘導性差 架設長度短時不經濟 2 2 護欄設計方法 護欄作為公路的重要安全附屬設施 只有進行正確的設計和設置 才有可 能直接削減交通事故的傷亡率 因此 護欄的設置對提高公路運營的經濟效益 和社會效益有至關重要的作用 對于行車安全 行車舒適度 公路沿線景觀和 工程造價都具有一定的影響 所以 必須充分認識各種護欄的特性 合理選擇 和設置護欄 2 2 1 設置原則 按照護欄設置的位置的不同 護欄的設置原則也不同 主要分為 路側護 欄和中央分隔帶護欄 2 2 1 1 路側護欄 凡符合以下任一種情況的路段都應該設置路側護欄 1 車輛駛出路外有可能造成二次特大事故的路段必須設置路側護欄 2 凡符合下列情況之一 車輛駛出路外有可能造成單車特大事故或二次 重大事故的路段必須設置路側護欄 二級及以上等級公路邊坡坡度和路堤高度在圖2 4 的i 區方格陰影范圍 之內的路段 2 2 l o g 冒 蟊6 姆 蔞n 2 o 辯溪心岡 既鞠凌蒸簽 美瓣黼匭感黼 黼 冀 形 篷搿f 琵i 蕊 憋 一 黲攥 i 巡賽湫 澎 s 搿j 穆釜蕊遵黼 漤 黲 戤 出i 繇 哆 l 黼甥 7 一 1 7 芻 y 1 2 1 3 訪坡i 霾虛 圖2 4 邊坡坡度 路堤高度與設置護欄的關系 路側有江 河 湖 海 沼澤 航道等水域的路段 1 4 武漢理工大學碩十學位論文 3 凡符合下列情況之一 車輛駛出路外有可能造成重大事故的路段 應 設置路側護欄 二級及以上等級公路邊坡坡度和路堤高度在圖2 4 的i i 區斜線陰影范圍 以內的路段 高速公路 一級公路路側安全凈區內設有車輛不能安全穿越的照明燈 攝像機 可變信息標志 交通標志 路塹支撐壁 聲屏障 上跨橋梁的橋墩或 橋臺等設施的路段 二級及以上等級公路路側邊溝無蓋板 車輛無法安全穿越的挖方路段 三 四級公路路側有懸崖 深谷 深溝等的路段 4 凡符合下列情況之一 經論證車輛駛出路外有可能造成一般或重大事 故的路段宜設置路側護欄 二級及以上等級公路邊坡坡度和路堤高度在圖2 4 的i i i 區內的路段 三 四級公路邊坡坡度和路堤高度在圖2 4 中i 區內 二級及以上等級公路縱坡大于或等于現行 公路工程技術標準 j p g b 0 1 規定的最大縱坡值的下坡路段和連續長下坡路段 二級及以上等級公路平曲線半徑小于現行 公路工程技術標準 j p g b 0 1 一般最小半徑的路段外側 在高速公路 一級公路用地范圍內存在粗糙的石方開挖斷面 高出路面 3 0 c m 以上的混凝土基礎 擋土墻或大孤石等障礙物時 高速公路 一級公路互通式立體交叉出口匝道的三角地帶及匝道小半徑 圓曲線外側 5 根據車輛駛出路外有可能造成的交通事故等級 應按表2 1 的規定選 取路側護欄的防撞等級 因公路線形 運行速度 填土高度 交通量和車輛構 成等因素易造成更嚴重碰撞后果的路段 應在表2 1 的基礎上提高護欄的防撞 等級 表2 1 路基護欄防撞等級的適用條件 設計速度 車輛