網(wǎng)石攔擋安全性能與適用條件研究

曾舜　孟云偉

【摘要】為了規(guī)范農(nóng)村公路上應(yīng)用較為普遍的、但本身并沒有經(jīng)歷過(guò)防護(hù)能力驗(yàn)證的網(wǎng)石攔擋的用法，需對(duì)其安全性能及適用條件進(jìn)行深入分析。基于最新的JTG 05-01-2013《公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》要求，應(yīng)用Hypermesh軟件建立汽車-攔擋碰撞的有限元模型，并在LS-DYNA環(huán)境下進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真碰撞分析，根據(jù)分析結(jié)果來(lái)研究其安全性能和適用條件。結(jié)果表明：網(wǎng)石攔擋的阻擋功能和緩沖功能能滿足C級(jí)防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的要求，導(dǎo)向功能不滿足規(guī)范要求，其安全性能不滿足規(guī)范要求；網(wǎng)石攔擋宜做警示墩使用，以警示作用為主。

【關(guān)鍵詞】Hypermesh/LS-Dyna；網(wǎng)石攔擋；安全性能；適用條件

【中圖分類號(hào)】U491

【Abstract】In order to standardize the application of Stonoe mesh guardrail used commonly on rural roads， whose safety performance did not experience verification， so it is necessary to analysis its safety performance and suitable conditions. Based on the latest JTG B05-01-2013 "highway guardrail safety performance evaluation standards" requirement， using Hypermesh to establish cars - guardrail finite element model， and simulating collision and crash Process in LS-DYNA， according to the results of the analysis to study its safety performance and suitable conditions. The results show that Stone mesh guardrail barrier function and buffering functions are to meet the requirements of the standard C-level protection， guiding function does not meet the regulatory requirements， Its safety performance does not meet the regulatory requirements； Stone mesh guardrail should make use of warning.

【Key words】Hypermesh / LS-Dyna；Stone mesh guardrail；Safety performance；Suitable conditions

1. 前言

（1）近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，特別是各地政府提出“村村通”等政策，農(nóng)村公路的通車?yán)锍滩粩嘣鲩L(zhǎng)[1]。與此同時(shí)，隨著農(nóng)民收入的增加，農(nóng)村車輛數(shù)量不斷增加，但由于農(nóng)村公路設(shè)計(jì)等級(jí)較低，大部分屬于等外級(jí)公路，尤其在西南地區(qū)，地形起伏大，雨水充足，再加上道路線形較差，因此導(dǎo)致農(nóng)村公路交通事故頻發(fā)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，所有農(nóng)村公路交通事故中，其中約三分之一屬于路側(cè)安全事故，因此路側(cè)安全屬于保障農(nóng)村公路安全的重要節(jié)點(diǎn)[2]。網(wǎng)石攔擋是常用的一種鄉(xiāng)土化路側(cè)安全設(shè)施，車輛撞擊后對(duì)駕駛員及乘客傷害程度小，如圖1。網(wǎng)石攔擋制作工序簡(jiǎn)單，造價(jià)低且施工方便，比較適合應(yīng)用于石材豐富的地區(qū)[3]。但網(wǎng)石攔擋的安全性能并沒有經(jīng)過(guò)系統(tǒng)、深入的分析，安全程度和適用條件還有待規(guī)范。

（2）國(guó)外對(duì)路側(cè)安全設(shè)施的安全性能的研究起步較早，成果也比較豐富，具有比較成熟的路側(cè)安全設(shè)施安全性能的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，以及大型的實(shí)車實(shí)驗(yàn)碰撞場(chǎng)[4]。國(guó)內(nèi)對(duì)路側(cè)安全設(shè)施的安全性能研究起步較

晚，并且研究較為滯后，于2013年頒布了新標(biāo)準(zhǔn)

《公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》，對(duì)路側(cè)護(hù)欄安全性能的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與評(píng)價(jià)流程做了詳細(xì)的介紹。由于實(shí)車實(shí)驗(yàn)成本較為昂貴，因此國(guó)內(nèi)主要是利用仿真手段對(duì)路側(cè)安全性性能進(jìn)行模式實(shí)驗(yàn)，實(shí)車實(shí)驗(yàn)只是作為仿真結(jié)果驗(yàn)證?；诖?，本文利用HypermeshLs和Dyna軟件對(duì)網(wǎng)石攔擋的安全性能與使用條件進(jìn)行研究。

2. 試驗(yàn)方案及仿真碰撞試驗(yàn)條件

2.1試驗(yàn)方案

根據(jù)規(guī)范《公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》的要求，分析評(píng)價(jià)網(wǎng)石攔擋安全性能的步驟。第一步：根據(jù)網(wǎng)石攔擋的防撞等級(jí)，選擇合適的碰撞車輛、碰撞的速度以及碰撞的角度等仿真試驗(yàn)參數(shù)；第二步：利用Hypermesh軟件構(gòu)建車輛和網(wǎng)石攔擋的有限元模型，并導(dǎo)入到LS-Dyna軟件進(jìn)行計(jì)算；第三步：根據(jù)LS-Dyna仿真得到的結(jié)果，從緩沖功能、導(dǎo)向功能以及阻擋功能三個(gè)方面對(duì)網(wǎng)石攔擋的安全性能進(jìn)行評(píng)價(jià)；最后，根據(jù)安全評(píng)價(jià)結(jié)果以及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)網(wǎng)石攔擋的適用條件進(jìn)行分析。

2.2仿真碰撞試驗(yàn)條件

鑒于網(wǎng)石攔擋的實(shí)際應(yīng)用情況，經(jīng)過(guò)軟甲你初次試碰，確定網(wǎng)石攔擋的防撞等級(jí)為 級(jí)，碰撞能量確定為 ，根據(jù) 級(jí)防撞等級(jí)，選擇中型貨車以及中型客車進(jìn)行碰撞時(shí)試驗(yàn)，具體的碰撞試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

3. 有限元模型建立

利用Hypermesh軟件構(gòu)建中型貨車、中型客車以及網(wǎng)石攔擋的有限元模型，為了提高模型的計(jì)算時(shí)間，模型上較大的、對(duì)仿真結(jié)果影響較小的部件，增大其劃分網(wǎng)格尺寸，確定殼單元的最小尺寸為15mm ，剛體的最小尺寸為20mm ，單元翹曲角小于 15°，車身的尺寸在20～60mm之間 。

3.1網(wǎng)石攔擋模型。

網(wǎng)石攔擋是由鋼絲、石頭以及砂漿填充組成，網(wǎng)石攔擋長(zhǎng)度2m，寬度1m，高度1m，凈距1.5m。網(wǎng)石攔擋的一次設(shè)置最小長(zhǎng)度<15m。在Hypermesh軟件對(duì)網(wǎng)石攔擋依次進(jìn)行建模、網(wǎng)格劃分 、定義材料 、賦屬性 、作連接和接觸 ，共建立4個(gè)parts ，Nodes的數(shù)量為25414個(gè) ，Shell為1個(gè) ，Elements為20001個(gè)，將網(wǎng)石攔擋各部分的材料參數(shù)以及屬性如表2所示（網(wǎng)石攔檔仿真型見圖2）。

3.2試驗(yàn)車型模型。

碰撞仿真試驗(yàn)中，中型客車車輛總長(zhǎng)9512mm ，寬為2453mm，總高為3152mm ，重心高度1456mm 。 中型貨車車輛總長(zhǎng)7052mm，寬為2302mm ，總高為3640mm，重心高度為1412mm 。兩種試驗(yàn)車輛的有限元模型如圖3所示。

4. 仿真碰撞過(guò)程及安全性能評(píng)價(jià)

4.1仿真碰撞過(guò)程。

利用仿真軟件對(duì)碰撞過(guò)程進(jìn)行仿真，得到各試驗(yàn)車輛不同時(shí)刻的碰撞狀態(tài)，如圖4所示。

4.2網(wǎng)石安全性能評(píng)價(jià)。

評(píng)價(jià)護(hù)欄安全性的指標(biāo)主要有：阻擋功能、導(dǎo)向功能以及緩沖功能[5]。阻擋功能應(yīng)滿足：能夠阻止車輛翻越、穿過(guò)或者跨過(guò)護(hù)欄，被撞護(hù)欄構(gòu)件以及其脫離件不能進(jìn)入車艙內(nèi)。導(dǎo)向功能應(yīng)滿足：車輛碰撞護(hù)欄后，車輛應(yīng)不會(huì)翻車[6]。緩沖功能應(yīng)滿足：駕駛員和乘客的碰撞速度的縱向和橫向速度分量都不能超過(guò)12m/s，并且碰撞后的加速度的縱向和橫向加速度不得超過(guò)200m/s2。

4.2.1阻擋功能。

根據(jù)仿真結(jié)果，可得如表3所示的試驗(yàn)車輛和攔擋的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，其中車輛最大動(dòng)態(tài)外傾當(dāng)量值VIn 根據(jù)以下公式計(jì)算得到：

從圖4碰撞過(guò)程可以看出，兩種試驗(yàn)車輛在碰撞過(guò)程中均為出現(xiàn)穿越、跨越以及騎越網(wǎng)石攔擋，且并未有試驗(yàn)構(gòu)建進(jìn)入車輛車艙，車輛在碰撞護(hù)欄偉出現(xiàn)翻車。因此，網(wǎng)石攔擋是滿足阻擋功能要求。

4.2.2導(dǎo)向功能。

根據(jù)圖4碰撞過(guò)程可知，中型貨車在碰撞后前輪嚴(yán)重受損，網(wǎng)石攔擋對(duì)試驗(yàn)車輛產(chǎn)生了絆阻功能，使車輛在碰撞后不能順利推出，沿路線正常運(yùn)行。因此，網(wǎng)石攔擋不滿足導(dǎo)向功能要求。

4.2.3緩沖功能。

（1）乘員碰撞后的加速度。

對(duì)LS-Dyna計(jì)算完成生成的nodout文件進(jìn)行后處理，選擇假人頭部傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，可得到碰撞過(guò)程中假人頭部X方向和Y方向的加速度變化曲線，如圖5所示。

對(duì)車輛重心點(diǎn)處的傳感器的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可得車輛在碰撞過(guò)程中車輛重心處橫向和縱向的加速度變換曲線，如圖6所示：

根據(jù)圖6可得，車輛重心處橫向加速度最大值為13.636g ，縱向加速度最大值為10.042g。

即αx=13.636g，αy= 10.042g， ，分別帶入式（1）和（2）中，計(jì)算可得：

Vx=10.43m/s<12m/s

Vy=7.68m/s<12m/s

乘員碰撞后的速度分量的最大值滿足規(guī)范要求。因此，網(wǎng)石攔擋滿足緩沖功能。

綜上所屬，通過(guò)對(duì)網(wǎng)石攔擋安全性能進(jìn)行仿真分析，可得網(wǎng)石攔擋能夠滿足阻擋功能以及緩沖功能，但不能滿足導(dǎo)向功能。

5. 網(wǎng)石攔擋適用條件分析

（1）通過(guò)以上對(duì)網(wǎng)石攔擋安全性能的仿真分析可知：網(wǎng)石攔擋滿足阻擋功能和緩沖功能，滿足規(guī)范要求的B級(jí)防撞等級(jí)，但不滿足導(dǎo)向功能。網(wǎng)石攔擋不滿足規(guī)范要求的導(dǎo)向功能，即車輛碰撞后不能夠順利導(dǎo)出，沿路線正常行駛，在農(nóng)村公路上，這并不影響乘員和車輛的安全。因此，網(wǎng)石攔擋可以在農(nóng)村公路上推廣應(yīng)用。

（2）但是網(wǎng)石攔擋不能滿足規(guī)范要求的導(dǎo)向功能，因此網(wǎng)石攔擋不符合規(guī)范要求，所以網(wǎng)石攔擋不能作為路側(cè)防撞設(shè)施推廣應(yīng)用。但網(wǎng)石攔擋在一定程度上能夠減輕事故的人員傷亡以及財(cái)產(chǎn)損失。因此網(wǎng)石攔擋在實(shí)際應(yīng)用中可以作為警示墩使用。

6. 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)規(guī)范的要求，通過(guò)評(píng)估網(wǎng)石攔擋的安全性能，網(wǎng)石攔擋只滿足阻擋功能和緩沖功能，卻不滿足導(dǎo)向功能。因此網(wǎng)石攔擋不可作為路側(cè)防撞護(hù)欄推廣使用，而應(yīng)該用作警示墩，起警示作用?；贖ypermesh/LS-Dyna軟件進(jìn)行模擬仿真的模型具有較強(qiáng)的可信度和可操作性，對(duì)研究路側(cè)安全設(shè)施的安全性能、保障農(nóng)村公路的安全具有一定的參考意義。

參考文獻(xiàn)

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