SAm 级中央分隔带波形梁新型护栏碰撞研究

汪志勇，甘树兵，王胜

（1.宜春公路勘察设计院，江西 宜春 33600；2.宜春市公路管理局直属分局，江西 宜春 33600；3.长沙理工大学 汽车与机械工程学院，湖南 长沙 410114）

0 引言

中央分隔带护栏作为公路安全行驶重要保障措施，具有分隔车流，防止车辆穿过车道的作用［1-3］。在公路交通事故发生时，护栏装置还具备吸能导向作用［4-7］，能够最大程度降低事故损失［8-12］。但随着中国汽车保有量的飞速增长以及人们对行车安全要求的提高，已有护栏结构并不能满足出行安全需求，因此研究开发出高防护等级的护栏结构尤为重要。

针对上述问题，本文设计一款防撞等级达到SAm 级的中央分隔带护栏，主要结构采用抗撞性能较好的130 mm×130 mm×6 mm 矩形钢立柱与长3 m 的三波板。为验证所设计的中央分隔带护栏（为便于区分，后文将其统称为“新型护栏”）达到标准中所要求的SAm 级，以《公路护栏安全评价标准》（2013 版）的试验车辆对护栏标准段进行碰撞仿真分析。

1 护栏碰撞条件和评价标准

1.1 碰撞条件

按照中国公路法规标准［2］，SAm 级护栏的试验条件见表1。

表1 护栏试验条件

1.2 评价标准

（1）中央分隔带护栏作为中国常用公路护栏的一种，应具备较为基础的车辆阻拦及导向功能。

（2）中央分隔带护栏在满足阻拦和导向功能的同时还应具备缓冲吸能功能，具体要求汽车碰撞后各向加速度均小于20g。

（3）考虑到中央分隔带允许变形区域有限，以及避免车辆在碰撞过程中出现侧翻现象，将新型护栏最大动态变形量上限值设为试验车辆最大宽度的一半，即1 200 mm。获得新型护栏评估标准，如表2 所示。

表2 新型护栏评估标准

2 仿真模型的建立

2.1 新型护栏的几何模型

新型护栏主要由三波板、矩形立柱、防阻块、混凝土板和钢筋组成，三维模型如图1 所示。

图1 新型护栏三维模型

2.2 新型护栏尺寸

经过研究发现，在确定混凝土板与防阻块的外形轮廓之后，波形板梁的中心高度成为影响车辆能否达到安全标准的关键。

以中国现有的一款高速公路护栏作为参考，如图2 所示，其所设计的护栏中心离地高度为800 mm。考虑到新型护栏设计不同，需要根据碰撞效果调节新型护栏中心高度。

图2 现有护栏尺寸图（单位：mm）

经过多次碰撞仿真分析，确定将三波板离地中心高度设置为747 mm。新型护栏结构的混凝土块尺寸及整体结构侧面如图3 所示。

图3 新型护栏尺寸图

2.3 新型护栏材料属性

新型护栏的三波板、矩形立柱和防阻块主要由235 号低碳钢制造而成，在仿真分析时，使用LS-DYNA 材料库中的24 号材料模型进行模拟，该材料模型能够较好地反映低碳钢的机械性能。

式 中：σ为 动 态 流 动 应 力；σ0为 初 始 应 力 值；ε̇为 应 变率。C和P为材料常数，本研究中将其取值分别设置为40 和5。

三波板、矩形立柱和防阻块的材料参数见表3。

表3 材料模型参数

此外，使用材料库中的*MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CONCRETE_TITLE 材料模型模拟混凝土板。使用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC_TITLE 材料模型模拟钢筋，两种材料参数分别如表4、5 所示。

表4 混凝土JHC 模型材料参数

表5 钢筋模型材料参数

2.4 新型护栏有限元模型

新型护栏整体有限元模型如图4 所示。其中，使用面网格划分新型护栏的三波板、矩形立柱和防阻块，使用六面体网格划分混凝土板。

图4 新型护栏结构有限元模型

在车辆与护栏碰撞仿真分析时，为避免因部件之间相互接触造成的穿透问题，使用“自接触”定义部件内部的接触关系。使用“面面接触”定义车辆与护栏之间的接触关系，动摩擦系数为0.3，静摩擦系数为0.15。根据中国公路法规规定的碰撞分析条件设置有限元模型碰撞初始条件，建立三次碰撞试验有限元模型，如图5 所示。

图5 新型护栏结构碰撞有限元模型

3 新型护栏碰撞仿真结果

在完成试验车辆与新型护栏碰撞模型计算后，对试验车辆与新型护栏碰撞过程具体结果进行分析。

3.1 护栏导向能力分析

首先，3 款试验车辆碰撞新型护栏后均可以实现导向，具体动画如图6～8 所示。

图6 小型客车碰撞护栏过程图

图7 中型客车碰撞护栏过程图

图8 大型货车碰撞护栏过程图

3.2 加速度分析

3 款车辆各向加速度曲线如图9～11 所示，其碰撞过程中各向加速度最大值列于表6。由表6 可知：小型客车、中型客车、大型货车碰撞过程中加速度最大值分别为13.8g、7.79g、8.60g，都小于20g。

图9 小型客车质心各向加速度

图10 中型客车质心各向加速度

图11 大型货车质心各向加速度

表6 试验车辆的加速度结果

3.3 横向动态偏移量分析

对3 款试验车辆碰撞新型护栏产生的动态变形进行分析，3 款试验车辆碰撞新型护栏后，新型护栏产生的最大动态变形量列于表7。由表7 可知：3 款试验车辆碰撞新型护栏后产生的最大动态变形量均小于1 200 mm。

表7 车辆-护栏横向偏移量

3.4 新型护栏与传统护栏碰撞对比分析

通过对护栏进行仿真分析，不难发现小型客车在碰撞新型护栏时，车身产生的各向加速度值为3 组碰撞试验中最大，而新型护栏在受到中型客车碰撞时，护栏波形板产生的变形量为3 组碰撞试验中最大。因此，为研究新型护栏和传统护栏的区别，通过设置相同碰撞初始条件，将两款护栏碰撞试验的最大加速度值与最大变形量进行对比。

设置的初始条件为：小型客车以100 km/h，速度、20°角度碰撞传统护栏，小型客车碰撞传统护栏时各向加速度曲线如图12 所示。

图12 小型汽车碰撞传统护栏各向加速度图

小型客车碰撞传统护栏与新型护栏各向加速度对比结果如表8 所示。

表8 小型客车各向加速度对比

由表8 可知：小客车在碰撞新型护栏时，X、Y、Z向加速度分别降低了62.9%、38.9%、34.4%，极大地降低了小客车碰撞护栏时各向加速度，提高了汽车乘员安全性。

同理，针对中型客车碰撞新型护栏与传统护栏时，两款护栏所产生的变形量进行对比，结果如图13所示。

图13 新型护栏与传统护栏最大变形量对比

新型护栏在受到中型客车碰撞时所产生的变形量较传统护栏受到中型客车碰撞时所产生的变形量降低了12%，较大程度避免了因护栏变形产生的其他交通事故。

4 结论

研制开发了一款适用于高级公路使用的中央分隔带护栏。在该方案中将波形板中心高度设置为747 mm，波形板结构采用三波板，混凝土板采用分段不连续设计。这种方案的组合式护栏增大了车辆碰撞接触面积，能够使车辆顺利导向。

（1）依据法规要求对新型护栏进行碰撞试验分析，获得以下试验结果：①3 款试验车辆在碰撞新型护栏后均可实现顺利导向；②3 款试验车辆碰撞新型护栏过程中所产生的加速度最大值分别为13.89g、7.79g和8.60g，满足法规中车辆质心处的各向加速度应小于20g的要求；③3 款试验车辆碰撞新型护栏，护栏结构的最大变形量分别为80 mm、673 mm 和667 mm，均满足小于1 200 mm 的要求。因此，可以认为所设计的中央分隔带新型护栏达到防撞等级SAm 级别。

（2）将新型护栏与传统护栏进行对比分析可知，新型护栏更大程度地保障了车辆碰撞护栏时的安全性。因此，该款护栏可推广应用于高级公路防护。