汽车与护拦碰撞特性的研究_车与波形梁护拦碰撞过程的力学模型.pdf

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1、第9卷第3期1 9 9 6年9月中国公路学报ChinaJournalofH ighwaya ndTran sportVol.9Sep.No.31 996汽车与护拦碰撞特性的研究?车与波形梁护拦碰撞过程的力学模型丁桦贾日学储劲草庞曰成周春明中国科学院力学所,北京,10 0 0 8。?中国公路工程咨询监理总公司?福州市公路局!摘要:本 文给出了通过对实车足尺护拦碰 撞实验数据的观察分析总结出的车与护拦碰撞过程 中的一些 基本特征,根据这些特征建立 了这一过 程的力学模型,并讨论了这一模型的适用范围。关键词:汽车,波形梁护拦,碰撞特性,力学模型分类号:U4 1712Studyof Coll isio

2、 n sofVehiele sa ndGu ard Rails?ModelingoftheCollisio nsofUn eontrol ledVehiele sa ndw一Be amGuardRailsI):ngHua#UliaRi工u eChz#J,c a ol)a,9Yueche,9Zho:l hu,川 i,:g%Inst.tuteofMe eha nies,C A S,Be 1);ng,100 080?A bstraet:Theehara eteristieoftheeolll、:o nproe edu r e sofveh一elesar idw一 be amgr ardr:1115,

3、wtlieh:lr ebas edontl e:、n alys lsoftheexperime ntal datnoff、一11s eaeera;htests,:一re9iveTzinthispaper.Ae eordi:29totllese一)ropertieswee stablishame el anie al modeltomod-。1ingtleproeedur es.Son、eremarksonthevalid;、tio nofrhen 飞。(101aregiven.Keywords:Vehiele,W一boanlguard,Colli、ior l,Meelz a丁11(aln飞u(

4、lel护栏,作为高速公路上 的主要安全设施,在世 界范围内受到了人们的广 泛重视。国外公路交通较发达的国家在高速公路出现的初期就着手于护拦结构的研究。例如,在美国,人们从1 9 2。年起 就开始了护栏的研究与使用 一&,在理 论分 析和模拟实验的基 础上,通过 实车足尺护拦碰撞验证 实验和公路上的应用实践,积累 了大童的资料和丰富的经验,制定了有关护栏形式的选择、结构设计、实验 方法、手段以及护栏 的生产制造、运输安装和维修 等一 系列的标准。如美国国家研究 会交通 研究所在1 981年 制定 了高速 公路安全设施的评 价标准,在197 0年和19 86年前后组织 了高速 公路 护栏结构及各种

5、安全设 施的一系列的研究工 作以及收 稿卜 l期:199几一7 J f一)弓中国公路学报1996年编写各种设计规 范。在 欧州,如法国、英国、德国等国家也 在很早 就开始护栏 结构 的研 究工作,建立健全 了一整套 的实验设 施和相 应 的实验规程,从理 论和实验上研究了多种类型的护栏结构。日本于5 0 年代开始这方面的的研究工作,名 神高 速公路 开始正规使用护栏。在短短十几年中,以 日本道 路公团、日本道路协 会、建设 省土木研 究所 为 中心,联 合有关大学、护栏生产厂家,对各种护栏结构 进行 了广 泛的开发研究,于1 96 5年制定了护栏设置纲要,对 护栏 的适用范 围,结构设计,功

6、能要求、施工 安装等方 面作出了明确 的规定。其它许多国家,大致 在 5 0一6 0年代,也相继开展了各自国家的护栏结构的设计标准 的研究。我国在&七五期间就已开始针对高速高路护栏 的设计,生产与施工等方面 的研究工作。但在 初期,尽管我国高速 公路上已安装 了各种结构 形式的护栏,其设计基本都是参照国外有关标准和规 范进 行的。而对于修 改的部分 也没有充分的科学依据。1992年前后,中 国公路工程咨询监理总公 司组 织有关人员对全 国已通 车的高速 公路护栏的使用情况 作了调查。据此拟定 了&波型梁护栏 实车碰撞试验 方案经交通部工 管司批准,公 司联 系了近十个单位组织了近百人的实验研究

7、课题组,进行了一年多的工作,完成了我国第一次实车足尺碰撞试验 的研究任务,建立了一整套实验 方法和设 施,紧接着公司又承担 了&玻璃钢护栏的实验研 究工作并通过分析、计算和实验圆满地完成 了这项工作,、8!。护栏作为承受 冲击 作用的抗冲击 结构,其 受力状态,作用过程是非常 复杂 的,加之护拦的施工对其性能也会带 来一 些不可忽视的影响,几 乎所 有开展护栏 研究 的国家都是通过大量的实验研究辅以理 论分 析、计算最终通过实车足尺实验 来 完成 护栏结构的设计,开发的。近年 来,人们 在 大 量 的 实 验研究 的基础 上建立 了各种护栏结 构和碰 撞 过 程 的 力 学模型,一2!,已可以

8、描述、模拟碰撞过程的一些主要参 数,但目前距 代替 和取代设 计过 程中的实验(包括模拟实验和实车足尺实验)研究 尚有一定 的距 离。我 们在分析前人工作和自己的实验、计算、分析和设计 工作 的基础上,提出了一个能反 映车与 护 栏碰撞过程的主要特征的力学模型。1碰撞过程的特征分析汽车与护栏碰撞是一复 杂的结构碰撞问题。影响碰撞效果的因素有很多:如车型、车况、车的载货情况,护栏 的施工、路基 的密实度,事故原因(爆胎、失控 等)、司机的干预、碰撞 时的车速、入射 角等等,这些因素 中有许 多都具有一定的随机性,因而 我们必 须对这些因素作一定的限制以使我们有可 能抓 住主要矛盾,使问题得到简化

9、。本文讨论 的问题是:车在自由行驶状态下,以一定的初速和角度 撞向理想施工 安装的波形梁结 构(见图1)的碰撞过程。这一过 程的主要特征是 车体和 护栏结 构的运 动、变形的 祸合效应,即:车 的运 动引起护栏结构的变形和运动,而护栏结构的变形与运动吸收 了车体的一部 分能 量并 给车以反 作用 力来改变车体 的运动方 向。这里找们不考虑 车体的倾梭,倾覆过 程的力学模型将在后继文章 中介绍。1.1实车足尺护栏碰撞实 验的观察结果和分析车以一定速度和角度撞上护栏后,护栏结构开始 变形 和运动 并吸收车 的能量,同时给车以反作用力来改 变车的运 动状态。通 过对这一过程的实验数据(高速摄影,加速

10、度,应变及静态测里见文献(8二)的观察分析,我 们发现:()l车型、车况和车的载货情况对 碰撞过程中车体 的倾覆 的情况影响很大。这 主要是因第3期丁桦千:汽车与护拦碰撞特性的研究?车与波形梁护拦碰撞过程的力学模型87为这 些因素 决 定了车 体的重 心 位 置和对 车体和货物质 量的约束情 况。当 车况良好 且货 物被很好地约束时,在不翻车的 情况下车 体 的变形和载货在 车 中 的相对运动是可以忽略 的。(2)在 不 翻 车的情 况 下,车 体 在 碰撞 后,没有大 的变形 和破坏。其 主要 变 图l护栏结构示意图形 是前保 险 杠的 弯 曲变形.保 险 杠 是车 与护栏 首 先接触 的点

11、,在 保 险杠 弯 曲后,对于大 车(1 0t解放卡 车),是 前轮与护栏接触,之后 护栏与车 体有轻微 的接触。在护栏变形 到最大 位移附近 时,护栏同车体的接触基本 上是 在两处:前轮和 后轮。但这时护栏对 车体的主要 作用仍是通过前轮与护栏的接触点,直 到前轮离开护栏的前后,后轮才对护栏的变形有较明显的影响。这 种影响 使车体 在驶离护栏的 同时有一个使车头回转 向护栏 的趋势。(3)护栏结构 的变形主 要体现 在横梁 的弯 曲变形和立柱 的塑性弯 曲变形上,托架的变形能够吸收一部分 车体 的能量。但它对车体运 动姿态的影响不是很大。4)立柱的变形主要是地表 下1 52 5cm处的弯 曲

12、变形,地基 的影响 可以结合立柱的变形 一起考虑。弯 曲断面情况类似于 立柱进行三 点弯曲实验的形态,在碰撞过程 中,立柱在车体(通过护栏)的作用下开始 向路外侧弯 曲,对于车体后面的立往有可 能 在护栏 拉直的过程中向路内侧回弯。但 由于托架的存在这种回弯 的可能性很小。(5)横 梁的变形主要是与车体 的接触点处和与立 柱(通过 托架)的接触点处的弯曲变形。车体 与护栏横 梁的接触点可近似地 看作 一滚动的塑性铰。这 样的塑性 铰要 承受正反 两个方向的屈服(即撞 弯和拉直),其反向屈服严 格的说是离 散的。具有一定的特 征尺度。(6)护拦横 梁和立柱在弯 曲变形较大时会 出现截 面弱化和失

13、稳。它们的弯 曲特征如单结构弯曲特性图2所示。(7)托架的变形一般是被压扁。在护栏 位移较大 的地l?芝?录枷方,压扁的托架又被拉开、拉扁、拉脱(离立柱),这时护栏横梁与立柱脱离。(8)边坡的 存在对碰撞过程有一定影响,但影 响不大。车体在碰撞过程中进入边坡的 部分很少,加之是车轮内侧与边坡接触,故在碰撞过 程 中车体 的重心高 度(在不翻车 的情况下)变化不大。转 角(口)1.2问题的简化图竺单结构1叭山特性图正如前 面所指出的那样,车 与护栏的碰撞过程是 一极其复杂的过程。即使在不考虑随机因素的情况 下,它也是一个 复杂的、涉及结构大变形和滑动接触及其藕合问题 的强非线性问题。要模拟碰撞过

14、 程的每个细节,在 实际中是很难实现的。我们将利用实验 观测分析结果将问题作适当的简化,以求建立一个能 估计、预测碰撞过程的主要特征一车的运 动轨迹和护栏的变形的力学模型。为此我们建 立如下模型假定(在不翻车的情况 下):()l车体的运动和 护栏 横梁的 变形将按 平面问题考虑。(2)车体将 被看作 一具有一定质量 的质点,这里我们忽略了车体的变形和 刚体转动。(3)忽略护栏结构的惯性。中国公路学报199 6年(4)护栏立柱只有地表下2 0cm处向路外 侧 的刚塑性弯曲变形,其 弯曲特性符 合理 想失稳模型(见 图3),其 中 M#.为屈服弯矩,民失效 转角。这里忽略了弹性变形、强化和弱化,只

15、考虑塑性铰的形成和截面失稳。(5)护栏横 梁 将承 受横 向塑性弯 曲和纵 向弹塑性伸M.匕一一一?之?塌前长,其弯曲特性符合理想失稳模型。由于横梁的纵 向拉力的存在、弯曲中性 线的不对称性、截面的失 稳及托架 的变形等会使护栏 横 梁有一定 的永久伸长,我 们称 之 为表观塑性伸长,护栏横 梁的纵 向伸长将被理解为表 观塑性 伸长和弹性 伸长之和。(6)护栏横梁和立柱在立柱失稳以后将立即脱 开。这是 由于托架的拉开、拉脱一般是在立柱 失稳以后,并且此时的拉力 不大,可以忽略。转 角(0)图3理想失稳模型2模型及算法2.1力学模型根据上一节的假设,车体 被简化 为质点,它的运动将遵 从牛顿运动

16、 定律:mX一F(1)其中,m为 车体质量,X一x(,妇为车体 位 置坐标.F一(人,v f)为护栏对 车体 的作用 力 的合力(见 图4)。T产生于护栏横 梁的纵 向弹性变形,I,一 SEDL一 DL,L(2)其 中,L为参与作用的护栏横梁的 原长,DL为护图4栏横 梁 的总伸长量,S为护栏 横梁 的截 面积,艺为弹性模 量,D与长量,它 可近似地 定义为车体受力示意图为护栏 横梁的表 观塑性伸晶(DL户,一a 1(3)我 们称a为护栏的表观塑性 伸长系数,而Q、,Q:则来 自于铰点的 力矩夕反(4)夕多叹从一代0!夕、!l一一Q而这 些 力又将 由立柱来承受,立柱的受力状态类似于车体 的受

17、 力状态(参见车体受力示意图)。这样 立柱顶端所受 的合力H将是,I 与Q的联 合作用,它在此合力 H对其地表下20 cm处 的力矩月x伪+2 0cm)作用下 的变形遵从理想失稳模型。2.2计算 方法对于_L面的模型我们给出了下面的显式 算式,算法步骤如下(参见图5)。步骤 一:确定车体和护栏结构的初始状态:第3期丁桦 等:汽 车与护拦碰撞特性的研究?车与波形梁护拦 碰撞过程的力学模型89车体 的初始参数X(t。)=X。;X(t!)=Veos了,Vsiny);户(t#。)=(O,0)其 中,V为车体碰撞速度,)为碰撞角度。护栏 的初始参数H,(t。)=0;P,(t。)=7(t。)=0;DL(t

18、)一其 中,H,为 护栏传给第i根 立 柱 的力;P,为 第i根立柱的位置坐标,I,P为它 的初始 位置,B,为 其失 效指示参数(一1为 失效,O为 未 失效),I为车体 后第一未屈服 的 立柱 号,J为车体前第一个未屈服的 立柱号。我们假设车体和护栏的第一接触点 在第,号立柱和第,+1号立柱 之间。I P;I(t,)J矛;DL户(t。)一0;J(八B,(t、)-十l0力的柱图5计算方法示意图步骤二:给定时 间步长山,利用,t,时刻 的参 数求解t一,时刻车体 的速度和位置;X(t,二,)F(t.)一入(丸,)+?乙艺X(几十,)一 X(乙)+X,(t)山步骤三:利用车体 的新位置,判断有无

19、新立柱屈服和失稳。首先利用车体 的新位 置求得护栏横 梁的伸长DL,(t+;),如对于计 算方法示意图中的情况我们有DL,(t一?)一PI一P3+IP3一 X,(t一,)I+x(,t,1)一尸:一Pl一尸:L(z,_)=11);一P:再 由表观塑性变形 的定义,近似地有DL,(t,+,)=DL*(t,)一a7(t。)山其中,。x为车体 纵 向位 移。这样就 可以利用公 式(2)求出,I(,t,+l),进而求出立柱所受的力 H,(t十,)和立柱位置.这样就 可以判断是否有新的立柱屈服。若有,重复上述工作,直到无新立柱屈服。步骤四:由步骤三确定的立 柱位置,根据 车体受 力图求出护栏 对车体 的作

20、用力F饥,l)及乙,时刻的所有其它参数,回到步骤二。1左士布五、少汤口卜#!本文给出的模型 中需要特殊1 9 1 1 1 定的参数有:护栏横 梁的屈 服弯矩M和 失效转角民,护栏立柱 的屈服 弯矩对#和失效转 角叹以及护栏横梁 的表 观塑性伸 长 系数a,对于 屈服 弯矩对 和失效 转角以,它们只与单 结构 的弯 曲特性 有关,我 们可 通过 进行单 结构弯曲实验 来得到,对于表观塑性 伸长 系数a,由于它与横梁 的弯曲特性及托架 的性能有关,我 们则必 须通过模拟实验或实 车足尺护栏碰撞实验的数据来拟合。9 0中国公路学报1996年作简单 的推广,我 们可以将本文 给出的 车体的一点接触质点

21、 模型 改为 两点接触 的刚体模型,以改善模型精度。但是实践证明,这 样作效果不大,不过它可以改 善对 车体离开护栏后的运 动的模拟。我们利 用本文给出的模型对199 2年实车足尺 护栏碰撞 实验 的情况进 行 了模拟。对未翻车的车的的轨迹,模拟结果和 实验结果 的相对误 差不大于百分之十,大 部分可控制在6%一7铸。我们利 用此模型分析 了立柱 在碰撞过 程 中的特性,并利 用这些结 果 成功地设 计了采用玻璃 钢材料的组合式护栏立 柱。这 种立柱以通过 实车足尺护栏碰撞验证 实验(见文 献 8)。实践证明此模型能够较真 实地 给出车体在离开 护栏前的运动轨迹和 护栏的变形情况。这样 我们就

22、 可以用它来进行碰撞过程 中的车体的倾覆分析、护栏结构的优化等工作。参考文献1Miehie,J.D.,etal.Gu ardrailperfoma neea nd design.Nation alCooPerativ eHighwayRe se ar ehProgr amReport115T R B,Natio n alRe s eareh Cou n eil,197 1.2Miehie,J.D.Re eom mendedproeedur eso frthes afetyperformane ee valuationofhighwayaPPu rte-n an e e sNational Co

23、ope rat:veHighwayRe s e ar eh ProgramReporr230.T R B,National Rese areh Couneil,19 813vzner,J.G.ed.Safetyfe ne esand bridgeparapets一TR RIpapersforthel986T R Ba nnua1 meeting.Re-se arehReport75,C ROWN1 98 64Bronstad,M.E.Pe rforma neeoflongitudin altr af fiebarriers,NationalCooperativeH ighwayRese are

24、hProgr amRePort289.T R B,Nation alRes e a r ehe ou n eil,1 9875Rieha rd,M.E.,etal.Cr ashtestev alu ationofee e e ntrieloadergua rdrailterminals.Tr ansportatio nRe-seaeh Re e ord1065,987.6Bronstad,M.E.,etal.Cr a shteste v alu atio nofe eeentrieloade rgua rdrailre rminals.fr ansportationRe-se a ehRe c

25、ord065,108 77贾日学,储劲草等.实车足尺护栏碰撞实验研究。中国公路 工 程咨询 监理 总公司,19928一丁一桦,王剑文,储劲草等.玻璃钢护栏立 柱的研究 和设计.中国公路工 程咨询监理总公司,199 49Giavotto,V.Mathen ratie al modeI fo rin rpaetrestso ne r a shbar riers.Teehnologie al Unive r sitity,Milani-taly,1 97210Powell,G.H.Com)luterevaluationofa utomobileb:一rrie rsystems.Repr,rtF HW

26、A一R l)一7 3一7 3.De-pa rtmentofTr ansportation,F HWA,U.5.,197 011Powell,G.H.B AR RIER11:Aeomputerpr()gr amfore valu atio nofa utomobilebarriersystems.ReportF HWA 一 R D 一73一51.块PartmenrofTr a nsport:ltio n,F HWA,U.5.,197312Du nlap,D.F.Curb一只u ardrallva utinge v alu ation.H.5.R.1.,Univ er sityofMiehigan,1972