汽車(chē)與護(hù)欄碰撞立柱絆阻機(jī)理及防止措施*

趙坤民，崔娜杰，趙德望，任大鑫，沈羨玉

（1.大連理工大學(xué)，大連 116024；2.合眾新能源汽車(chē)有限公司，桐鄉(xiāng) 314500；3.北汽股份有限公司，北京 101300）

前言

公路護(hù)欄在被汽車(chē)撞擊后能夠?qū)⑴鲎曹?chē)輛引導(dǎo)回正常路線(xiàn)，防止車(chē)輛越出路外或進(jìn)入對(duì)向車(chē)道，同時(shí)可以吸收部分碰撞能量以降低對(duì)車(chē)內(nèi)乘員的傷害，因此提高護(hù)欄的防撞安全性能具有重要意義。

根據(jù)護(hù)欄的剛度和變形進(jìn)行分類(lèi)，一般可分為剛性、柔性和半剛性3類(lèi)護(hù)欄［1-3］。其中，半剛性波形梁護(hù)欄具有諸多優(yōu)勢(shì)：碰撞后波紋的延展可以吸收較多能量，有較好的視線(xiàn)誘導(dǎo)性，外形也較為美觀，且零部件較易更換。因此，在我國(guó)使用最為廣泛［4］。

波形梁護(hù)欄由兩波型或三波型護(hù)欄板、護(hù)欄立柱和緩沖塊組成，具備一定剛性和柔性。在汽車(chē)與護(hù)欄碰撞過(guò)程中，護(hù)欄變形吸收碰撞能量，同時(shí)引導(dǎo)車(chē)輛的行駛方向，最大程度降低對(duì)車(chē)內(nèi)乘員的傷害。

國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者和機(jī)構(gòu)自20世紀(jì)80年代開(kāi)展了車(chē)輛與護(hù)欄碰撞特性的研究，對(duì)護(hù)欄的設(shè)計(jì)提供了大量的借鑒和經(jīng)驗(yàn)。美國(guó)國(guó)家交通研究所對(duì)護(hù)欄的形式選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)做了深入研究，出臺(tái)了評(píng)估高速公路上護(hù)欄性能的標(biāo)準(zhǔn)［5］。Alluri等［6］分析研究了G4型波形梁護(hù)欄和纜索護(hù)欄的防撞性能，基于不同車(chē)型和不同碰撞工況對(duì)兩者進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果顯示G4型波形梁護(hù)欄性能優(yōu)于纜索護(hù)欄。Lee等［7］提出了三維土柱模型，考慮車(chē)輛在撞擊過(guò)程中與土壤的相互作用，探究了圓形、方形和C型3種立柱的性能，結(jié)果表明圓形立柱的護(hù)欄系統(tǒng)變形量最小。Yang等［8］利用ADAMS軟件研究了客車(chē)與半剛性護(hù)欄的碰撞性能，結(jié)果表明當(dāng)速度小于80 km∕h時(shí)，該護(hù)欄在變形量和導(dǎo)向性方面都有較好的效果。雷正保等［9-10］利用拓?fù)鋬?yōu)化方法開(kāi)發(fā)了以塑代鋼P(yáng)VC護(hù)欄和倒U形梁板，結(jié)果表明這兩種類(lèi)型的護(hù)欄均有較好效果且能滿(mǎn)足法規(guī)指標(biāo)要求。孫勝江等［11］提出了一種玄武巖纖維復(fù)合材料梁柱式護(hù)欄，結(jié)果表明該種護(hù)欄具有良好的導(dǎo)向性能。金思宇等［12］將護(hù)欄材料由金屬鋼板替換為玻纖增強(qiáng)聚丙烯熱塑性復(fù)合材料，優(yōu)化了護(hù)欄的上下沿高度。

國(guó)內(nèi)外大多數(shù)學(xué)者對(duì)護(hù)欄的研究局限于特定路段的護(hù)欄防撞性能研究或探究新型材料，雖然可以達(dá)到一定效果，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，推廣范圍受限，對(duì)于車(chē)輪絆阻成因及護(hù)欄整體優(yōu)化研究較少，因此設(shè)計(jì)新型的經(jīng)濟(jì)適用護(hù)欄結(jié)構(gòu)很有必要。

實(shí)車(chē)足尺碰撞試驗(yàn)是迄今為止對(duì)護(hù)欄的研究方法中最準(zhǔn)確的，但是做一次試驗(yàn)就要耗費(fèi)一輛汽車(chē)，且為采集數(shù)據(jù)要加裝很多傳感器和攝像機(jī)等昂貴設(shè)備，此外還要準(zhǔn)備足夠大的試驗(yàn)場(chǎng)地和足夠多的工作人員；縮尺模型試驗(yàn)是將實(shí)車(chē)足尺碰撞的整個(gè)模型按照一定比例縮小，成本相對(duì)較低，可以方便更換參數(shù)，針對(duì)某一部分進(jìn)行多組試驗(yàn)，但建立模型較困難，步驟也較繁瑣，此方法應(yīng)用并不廣泛；計(jì)算機(jī)仿真在解決路側(cè)安全問(wèn)題中起到重要作用，LS?DYNA、MADYMO、PAM?CRASH、PC-CRASH、ADAMS等軟件已經(jīng)廣泛用于汽車(chē)碰撞分析。

本文中運(yùn)用有限元仿真技術(shù)，建立汽車(chē)與護(hù)欄碰撞的仿真模型，研究我國(guó)當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的波形梁護(hù)欄存在的缺點(diǎn)，探索立柱絆阻的形成機(jī)理和預(yù)防措施，并通過(guò)對(duì)立柱的改進(jìn)和對(duì)主要部件的優(yōu)化來(lái)提高汽車(chē)與護(hù)欄的碰撞安全性。

1 汽車(chē)-護(hù)欄碰撞仿真模型

首先使用HyperMesh軟件建立有限元模型，然后使用LS?DYNA軟件進(jìn)行仿真計(jì)算，最后在HyperView和Hyper Graph2D軟件中做數(shù)據(jù)處理和結(jié)果分析。

1.1 汽車(chē)有限元模型

我國(guó)汽車(chē)類(lèi)型很多，電動(dòng)化和輕量化是發(fā)展趨勢(shì)，小型車(chē)深受歡迎。在高速公路上質(zhì)量越小的汽車(chē)與護(hù)欄發(fā)生碰撞時(shí)越易發(fā)生下鉆的危險(xiǎn)姿態(tài)。基于這些考慮，選擇1 300 kg左右的A0級(jí)汽車(chē)作為研究對(duì)象。圖1示出某車(chē)型的有限元模型，整體尺寸 為4356 mm×1678 mm×1370 mm，整 體質(zhì) 量 為1333 kg，共有339個(gè)部件，270 768個(gè)單元，283 859個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖1 某車(chē)型的有限元模型和碰撞試驗(yàn)

首先需要驗(yàn)證有限元模型的正確性。由于C?NCAP碰撞試驗(yàn)較成熟，有許多試驗(yàn)和仿真結(jié)果可以參考，因此本文通過(guò)正碰仿真分析與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比來(lái)驗(yàn)證模型的正確性。根據(jù)我國(guó)正面碰撞法規(guī)的要求，設(shè)置車(chē)輛以50 km∕h的速度與正前方20 mm處的剛性墻進(jìn)行0.15 s的碰撞［13-14］。碰撞過(guò)程中左側(cè)B柱上方加速度隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)如圖2所示，仿真結(jié)果基本符合真實(shí)情況，從而驗(yàn)證了有限元模型的正確性。

圖2 車(chē)輛正碰過(guò)程中B柱上方加速度隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)（紅色：仿真結(jié)果；藍(lán)色：試驗(yàn)結(jié)果）

1.2 汽車(chē)-護(hù)欄碰撞有限元模型

護(hù)欄系統(tǒng)如圖3所示，包括波形梁板、六角形防阻塊、圓柱形立柱和地基等部分。立柱間距4 000 mm，埋入混凝土中，埋入深度不小于400 mm。梁板截面為W型，寬度310 mm，高度85 mm，厚度4 mm，與防阻塊接觸面寬度14 mm。防阻塊截面為六邊形，單邊長(zhǎng)約125 mm，縱向高度200 mm，厚度4.5 mm。圓柱形立柱，總長(zhǎng)2 150 mm，直徑140 mm，厚度4.5 mm，埋深1 400 mm，剩余750 mm在地面以上，防阻塊安裝孔位置距離地面600 mm。

圖3 波形護(hù)欄及其模型

首先利用三維制圖軟件CATIA進(jìn)行建模，并保存為IGS格式，在有限元軟件HyperMesh中完成網(wǎng)格劃分、材料選擇和屬性定義。

護(hù)欄各部件均為Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼，材料模型選用分段彈塑性材料，即LS-DYNA軟件中的24號(hào)材料，單元類(lèi)型采用Belytschko-Tsay殼單元，平面內(nèi)單點(diǎn)積分，厚度方向采用2~5個(gè)積分點(diǎn)。Q235鋼的密度為7 860 kg∕m3，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3，材料的真應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)輸入到HyperMesh中。

在汽車(chē)碰撞護(hù)欄過(guò)程中，梁板最先與汽車(chē)接觸，隨后通過(guò)其波形的展開(kāi)吸收碰撞能量。根據(jù)大量的交通事故和實(shí)車(chē)足尺碰撞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)轎車(chē)撞擊波形梁板不會(huì)導(dǎo)致梁板的拼接螺栓失效［15］，因此在仿真分析中，可以將波形梁板設(shè)為無(wú)限長(zhǎng)，不考慮梁板之間的拼接。連接護(hù)欄各部件的螺栓可能發(fā)生斷裂失效，需要采用會(huì)失效的節(jié)點(diǎn)約束［16］，即在相連接的部件對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)約束自由度，焊點(diǎn)則用帶失效條件的無(wú)質(zhì)量梁?jiǎn)卧獊?lái)模擬，耦合6個(gè)自由度。

模擬立柱與地基相互作用的方法有3種［17-18］，其中直接約束立柱最大彎矩位置的方法具有計(jì)算效率高和結(jié)果可靠的優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際工程應(yīng)用中被廣泛使用。經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，立柱在地基下400 mm處產(chǎn)生最大彎矩，在搭建有限元模型時(shí)全約束所有立柱在此處的節(jié)點(diǎn)。

對(duì)于同一護(hù)欄型式，不同碰撞條件會(huì)影響護(hù)欄12跨以上的長(zhǎng)度。小型轎車(chē)在碰撞護(hù)欄過(guò)程中，主要是與汽車(chē)接觸的部分發(fā)生變形，其它部分變形很小，為降低跨數(shù)對(duì)計(jì)算的影響，本文中選11跨進(jìn)行建模，護(hù)欄總長(zhǎng)44 000 mm。

汽車(chē)與護(hù)欄碰撞的初始條件包括碰撞速度、碰撞角度和碰撞點(diǎn)。當(dāng)發(fā)生碰撞事故時(shí)，駕駛員一般來(lái)不及采取制動(dòng)措施，失控車(chē)輛會(huì)以一定速度和角度與護(hù)欄發(fā)生碰撞。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示大多情況下碰撞角度小于20°。至于碰撞點(diǎn)的選擇，研究發(fā)現(xiàn)跨中并不是最合理的碰撞點(diǎn)［19］。根據(jù)我國(guó)最新頒布的實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，初始碰撞速度設(shè)為100 km∕h，碰撞角度為20°，碰撞點(diǎn)為兩立柱間距的1∕3處。圖4示出施加初始碰撞條件的轎車(chē)-護(hù)欄碰撞系統(tǒng)的有限元模型。

圖4 轎車(chē)與護(hù)欄碰撞的有限元仿真模型

2 仿真結(jié)果分析

2.1 能量分析

在汽車(chē)與護(hù)欄碰撞過(guò)程中，護(hù)欄整體的速度較小，可以不分析護(hù)欄的動(dòng)能，而只考慮汽車(chē)的動(dòng)能。仿真結(jié)果顯示，整個(gè)系統(tǒng)的內(nèi)能增加了1.21×108J，護(hù)欄的內(nèi)能增加了8.88×107J。由此可知，汽車(chē)變形吸收了總能量的23.3%，護(hù)欄變形吸收了其余的76.7%，其中梁板吸能35.0%，立柱吸能30.1%（碰撞點(diǎn)附近兩立柱吸能27.8%，防阻塊吸能11.6%）。

2.2 護(hù)欄變形分析

護(hù)欄整體變形情況如圖5所示。梁板、防阻塊和立柱均發(fā)生了較大變形，部件的連接在碰撞區(qū)發(fā)生了失效，防阻塊脫離護(hù)欄板。碰撞發(fā)生后215 ms時(shí)，護(hù)欄橫向變形達(dá)到最大值732.5 mm，之后由于回彈而有小部分回落。

圖5 護(hù)欄整體變形情況

2.3 汽車(chē)行駛軌跡

圖6 示出在碰撞過(guò)程中0、100、200、300、400和500 ms時(shí)刻汽車(chē)與護(hù)欄的狀態(tài)。在碰撞初期，汽車(chē)右側(cè)的翼子板和保險(xiǎn)杠最先與護(hù)欄接觸，在0-300 ms期間護(hù)欄變形逐漸增大，由于汽車(chē)所受到的橫向作用力和縱向作用力的大小和方向不斷改變，其行駛軌跡逐漸被修正。在300 ms時(shí)車(chē)身與護(hù)欄近似平行，護(hù)欄的導(dǎo)向功能基本完成。在接下來(lái)的時(shí)間內(nèi)，汽車(chē)在慣性矩的作用下繼續(xù)轉(zhuǎn)向，在400 ms時(shí)車(chē)頭離開(kāi)護(hù)欄，500 ms時(shí)汽車(chē)整體已基本脫離護(hù)欄，碰撞過(guò)程結(jié)束。從圖中可以看出，護(hù)欄對(duì)于汽車(chē)導(dǎo)向的全過(guò)程發(fā)揮了較好的修正作用。

圖6 汽車(chē)與護(hù)欄碰撞過(guò)程的行駛軌跡

2.4 立柱絆阻形成機(jī)理

在汽車(chē)與護(hù)欄碰撞過(guò)程中，立柱會(huì)發(fā)生橫向位移與縱向彎曲，在某些情況下會(huì)絆阻車(chē)輪［20］。其形成機(jī)理如下：在碰撞初期，汽車(chē)最先接觸梁板，梁板開(kāi)始逐漸變形，隨著碰撞的持續(xù)深入，梁板將碰撞力傳遞給立柱和防阻塊，防阻塊開(kāi)始發(fā)生塑性變形，立柱在地面以下400 mm處形成塑性鉸，此時(shí)立柱也開(kāi)始發(fā)生塑性變形，當(dāng)車(chē)輪行駛到立柱處，由于碰撞角度和摩擦等因素使立柱置于車(chē)輪的內(nèi)側(cè)，隨后車(chē)輪外偏逐漸增加，形成了立柱對(duì)車(chē)輪的絆阻。立柱絆阻會(huì)擾亂汽車(chē)的運(yùn)動(dòng)軌跡，造成瞬間減速度過(guò)大，嚴(yán)重危害乘員安全，甚至?xí)斐山煌ㄗ枞约斑B環(huán)車(chē)禍。

圖7 示出立柱對(duì)車(chē)輪絆阻的形成過(guò)程。汽車(chē)右前翼子板與護(hù)欄相接觸，隨著碰撞力的增大，汽車(chē)與護(hù)欄均開(kāi)始變形且逐漸增大，碰撞點(diǎn)不斷向立柱靠近。在125 ms時(shí)刻，防阻塊被壓扁后，與之最近的立柱的下端開(kāi)始變形，整個(gè)立柱向下倒伏，在135 ms時(shí)刻，立柱對(duì)車(chē)輪形成第一次絆阻，且在165 ms時(shí)刻第一根立柱連接螺栓失效，接著在305 ms時(shí)刻，另一根立柱對(duì)車(chē)輪形成第二次絆阻（圖中沒(méi)有展示）。

圖7 立柱對(duì)車(chē)輪絆阻的形成過(guò)程

3 防絆阻立柱設(shè)計(jì)

為防止絆阻現(xiàn)象的發(fā)生，本文中提出了兩種立柱改進(jìn)方案。第一種為填充型立柱，即在空心圓筒立柱中填充泡沫材料，既能使立柱提高吸能性，又能對(duì)車(chē)輛起緩沖作用。第二種為N型彎曲立柱，即通過(guò)改變立柱的結(jié)構(gòu)，增大立柱與梁板的橫向距離，從而降低車(chē)輛與立柱接觸的可能性，避免立柱對(duì)車(chē)輪形成絆阻。

3.1 填充型立柱

選用3種泡沫材料，即聚氨酯泡沫、聚亞安酯泡沫和聚丙烯泡沫，作為立柱填充物進(jìn)行碰撞仿真分析，評(píng)價(jià)填充型立柱能否降低車(chē)輛的質(zhì)心加速度。為簡(jiǎn)化計(jì)算，將整車(chē)簡(jiǎn)化為一個(gè)長(zhǎng)方體質(zhì)量塊直接撞擊立柱。

前文分析了護(hù)欄各部件的吸能比例，結(jié)果顯示碰撞點(diǎn)附近的兩個(gè)立柱共吸收總能量的27.8%，由于動(dòng)能與質(zhì)量成正比，可選整車(chē)質(zhì)量1 300 kg的27.8%作為簡(jiǎn)化模型中質(zhì)量塊的質(zhì)量，體積也按整車(chē)體積的27.8%計(jì)算，該質(zhì)量塊的質(zhì)量為180 kg，體積為200 mm×200 mm×600 mm，以100 km∕h的速度撞擊立柱。質(zhì)量塊采用實(shí)體單元?jiǎng)澐?，單元邊長(zhǎng)為10 mm，材料與立柱相同，均為Q235鋼。立柱填充物也采用實(shí)體單元?jiǎng)澐?，由于立柱與填充物之間的摩擦所起的作用很小，為簡(jiǎn)化模型將立柱與填充物做共節(jié)點(diǎn)設(shè)置，不考慮二者之間的相互作用。立柱總高度為2 150 mm，碰撞中心的高度設(shè)置為1 950 mm，即護(hù)欄的螺栓連接位置。

質(zhì)量塊分別撞擊填充了聚氨酯泡沫、聚亞安酯泡沫和聚丙烯泡沫的3個(gè)立柱，其質(zhì)心最大加速度分別為34.2g、32.2g和33.3g，而質(zhì)量塊撞擊原始立柱得到的質(zhì)心最大加速度是35.3g，由此可知聚亞安酯泡沫填充立柱的安全性能高于原始立柱約9%。

圖8 示出原始立柱和泡沫填充立柱在碰撞過(guò)程中的變形。由圖可見(jiàn)，當(dāng)質(zhì)量塊撞擊立柱時(shí)，立柱會(huì)給質(zhì)量塊一個(gè)向上的作用力，使質(zhì)量塊不斷上升，而在相同時(shí)間內(nèi)填充立柱變化的傾角較小，從其根部的塑性變形情況來(lái)看，還有一定的變形空間，說(shuō)明還可以承受更大的沖擊。

圖8 原立柱和填充立柱碰撞變形

由于質(zhì)量塊變形很小，撞擊動(dòng)能的減少主要通過(guò)立柱的變形消耗。對(duì)比結(jié)果發(fā)現(xiàn)，原立柱和填充立柱分別吸收了1.34×107和1.56×107J的能量，說(shuō)明填充立柱的吸能性更好，更有利于保護(hù)車(chē)輛。

3.2 N型彎曲立柱

如圖9所示，N型彎曲立柱具有良好的抗彎性，被汽車(chē)撞擊時(shí)不易產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，同時(shí)給車(chē)輪提供一定避讓空間，有助于避免絆阻發(fā)生。

圖9 N型彎曲立柱護(hù)欄與汽車(chē)碰撞仿真模型

N型立柱中心線(xiàn)間距的大?。▓D9中L）對(duì)仿真結(jié)果影響較大，通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)350 mm的間距已能避免絆阻，為確定最佳間距值，又仿真了450和550 mm兩個(gè)間距，并對(duì)3個(gè)間距的仿真結(jié)果進(jìn)行比較。結(jié)果顯示：隨著間距的增大，車(chē)輛質(zhì)心處最大加速度由大變小又變大，間距350、450和550 mm對(duì)應(yīng)的車(chē)輛質(zhì)心最大加速度分別為19.3g、15.2g和21.1g，可見(jiàn)間距450 mm最有利于乘員安全。

N型立柱在碰撞過(guò)程中的變形情況如圖10所示。可以看出，由于立柱與護(hù)欄板的橫向距離加大，給車(chē)輪提供了更大避讓空間，使碰撞的激烈程度降低，從而降低了對(duì)乘員的傷害。

圖10 N型立柱與車(chē)輛碰撞變形情況

4 護(hù)欄系統(tǒng)優(yōu)化

全面的護(hù)欄系統(tǒng)優(yōu)化要考慮多種車(chē)輛在多種情況下與護(hù)欄發(fā)生碰撞，但是由于立柱絆阻通常發(fā)生于小型車(chē)輛撞擊護(hù)欄，本文基于轎車(chē)-護(hù)欄碰撞的仿真模型，利用正交試驗(yàn)找出最優(yōu)參數(shù)組合，以提高護(hù)欄的防絆阻性能，為護(hù)欄的設(shè)計(jì)提供參考。

4.1 正交試驗(yàn)方案

影響護(hù)欄防撞性的因素包括波形梁板、立柱和防阻塊。本文主要研究護(hù)欄的立柱，而立柱的間距、厚度、直徑、埋入混凝土的深度、結(jié)構(gòu)型式等均對(duì)汽車(chē)-護(hù)欄碰撞系統(tǒng)造成影響。立柱的間距對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的影響非常大，減小立柱的間距可以增強(qiáng)護(hù)欄的整體強(qiáng)度；立柱的結(jié)構(gòu)形式，例如填充型和彎曲型的立柱，都有助于提高碰撞安全性；增加護(hù)欄各部件的厚度可以提高護(hù)欄的強(qiáng)度。本文選取與立柱相關(guān)的參數(shù)，即立柱的間距、厚度和結(jié)構(gòu)型式，以及梁板的厚度作為影響因素來(lái)尋找最優(yōu)組合。所選影響因素及其取值如表1所示，影響因素均為三水平，為減少試驗(yàn)次數(shù)，選擇L9（34）正交表，共做9組仿真，以車(chē)輛的質(zhì)心最大加速度和護(hù)欄的最大橫向變形量作為指標(biāo)。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表

4.2 參數(shù)優(yōu)化組合

表2 示出兩個(gè)指標(biāo)在各項(xiàng)仿真中的數(shù)值，其中M1、M2、M3分別為因素所在列對(duì)應(yīng)數(shù)字1、2、3的指標(biāo)值的總和，用來(lái)衡量各因素對(duì)于指標(biāo)的影響程度。每個(gè)因素的極差R為該因素的M1、M2、M3中的最大值與最小值的差，極差大的因素為主要因素，受水平的影響大。T表示同一因素的M1、M2、M3之和，用來(lái)檢查M1、M2、M3的計(jì)算是否正確。

表2 正交試驗(yàn)因素水平組合及計(jì)算結(jié)果

對(duì)比表2的極差R值可以看出，4個(gè)因素對(duì)車(chē)輛質(zhì)心最大加速度的影響程度為C（立柱間距）＞B（立柱結(jié)構(gòu)）＞A（梁板厚度）＞D（立柱厚度），對(duì)護(hù)欄最大動(dòng)態(tài)變形量的影響程度為A（梁板厚度）＞C（立柱間距）＞B（立柱結(jié)構(gòu)）＞D（立柱厚度）。

圖11 是以各因素的水平數(shù)為橫坐標(biāo)、相應(yīng)的M1、M2、M3為縱坐標(biāo)繪制的車(chē)輛質(zhì)心最大加速度及護(hù)欄最大橫向變形量受各因素影響的趨勢(shì)圖。從圖中可以看出，這兩個(gè)指標(biāo)隨因素水平的變化趨勢(shì)。

這9組仿真的護(hù)欄最大橫向變形均在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的1 000 mm以?xún)?nèi)，所以最優(yōu)組合主要考慮碰撞過(guò)程中對(duì)于乘員的傷害，即車(chē)輛質(zhì)心最大加速度，按照M33＜M32＜M31可以確定立柱間距的最佳水平為4 000 mm，采用類(lèi)似的方法可以確定立柱結(jié)構(gòu)的最佳水平為N型彎曲立柱，梁板厚度的最佳水平為4 mm，立柱厚度的最佳水平為4.5 mm。對(duì)于護(hù)欄最大橫向變形，影響最大的因素是梁板厚度，當(dāng)梁板厚度為5 mm時(shí)護(hù)欄變形量最小，但是加速度會(huì)增高很多，折衷方案選擇梁板厚度為4 mm。綜合考慮車(chē)輛質(zhì)心最大加速度和護(hù)欄橫向變形的影響因素，可以確定最優(yōu)組合為A2B3C3D2，即梁板厚度4 mm，N型彎曲立柱，立柱間距4 000 mm，立柱厚度4.5 mm。

圖11 車(chē)輛質(zhì)心最大加速度和護(hù)欄最大橫向變形量受各因素影響趨勢(shì)圖

4.3 最優(yōu)組合的驗(yàn)證

通過(guò)正交試驗(yàn)推斷的最優(yōu)參數(shù)組合A2B3C3D2在正交試驗(yàn)中并沒(méi)有被安排，需要根據(jù)這一組參數(shù)建立有限元模型并做仿真分析。仿真結(jié)果顯示：車(chē)輛質(zhì)心最大加速度為15.2g，比原護(hù)欄減小7.9g；吸收78.8%的總體內(nèi)能，比原護(hù)欄提高了2.1百分點(diǎn)；最大橫向變形857 mm，比原護(hù)欄略高，但未超過(guò)規(guī)定限值。

為衡量護(hù)欄引導(dǎo)車(chē)輛的能力，通過(guò)增大碰撞角度，加大立柱絆阻的幾率，對(duì)原護(hù)欄和優(yōu)化護(hù)欄進(jìn)行仿真分析。圖12為汽車(chē)碰撞原護(hù)欄和優(yōu)化護(hù)欄的運(yùn)動(dòng)軌跡。由圖可以看出，原護(hù)欄在碰撞初期能夠?qū)?chē)輛進(jìn)行導(dǎo)向，慢慢修正車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)方向，在100 ms時(shí)刻車(chē)輛與第1根立柱直接碰撞，立柱與防阻塊之間的連接失效，立柱向下倒伏，由于車(chē)輛的初始動(dòng)量較大，順利通過(guò)了第1根立柱，但是在300 ms時(shí)刻與第2根立柱發(fā)生了嚴(yán)重絆阻，在慣性力作用下繞立柱產(chǎn)生猛烈旋轉(zhuǎn)，右前輪外偏，車(chē)輛尾部遠(yuǎn)離護(hù)欄，車(chē)體與護(hù)欄之間構(gòu)成較大夾角，并于450 ms時(shí)刻仿真終止，車(chē)輛未能導(dǎo)出。而優(yōu)化的護(hù)欄能夠修正車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)軌跡，將車(chē)輛順利導(dǎo)出，車(chē)輛碰撞兩根立柱均未發(fā)生絆阻。

圖12 汽車(chē)碰撞原護(hù)欄和優(yōu)化護(hù)欄的運(yùn)動(dòng)軌跡

5 結(jié)論

以某轎車(chē)與雙波型護(hù)欄為研究對(duì)象，利用HyperWorks和LS-DYNA軟件仿真整個(gè)碰撞過(guò)程。通過(guò)分析汽車(chē)質(zhì)心處的合加速度、汽車(chē)的運(yùn)行軌跡以及護(hù)欄的最大變形量發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有護(hù)欄的不足，并對(duì)立柱進(jìn)行改進(jìn)，最后通過(guò)正交試驗(yàn)優(yōu)化了護(hù)欄，主要結(jié)論如下。

（1）碰撞過(guò)程中立柱與車(chē)輪會(huì)發(fā)生絆阻，導(dǎo)致汽車(chē)質(zhì)心處最大加速度值超過(guò)國(guó)家規(guī)定限值，對(duì)車(chē)輛乘員危害性較大。絆阻與立柱變形關(guān)系密切，隨著碰撞的持續(xù)深入，立柱在地面以下400 mm處形成塑性鉸，開(kāi)始發(fā)生塑性變形。當(dāng)車(chē)輪行駛到立柱處，由于碰撞角度及摩擦等因素使立柱置于車(chē)輪的內(nèi)側(cè)，隨后車(chē)輪逐漸外偏，形成了立柱對(duì)車(chē)輪的絆阻。

（2）提出了兩種防止絆阻的立柱改進(jìn)方案。第一種是填充型立柱，在空心圓筒立柱中填充聚亞安酯泡沫材料，既能增強(qiáng)立柱提高吸能性，又能對(duì)車(chē)輛起緩沖作用。第二種是中心線(xiàn)距離為450 mm的N型彎曲立柱，通過(guò)改變立柱的結(jié)構(gòu)，增大立柱與梁板的橫向距離，從而降低車(chē)輛與立柱接觸的可能，避免立柱對(duì)車(chē)輪形成絆阻。

（3）通過(guò)正交試驗(yàn)?zāi)軌虬l(fā)現(xiàn)護(hù)欄主要部件參數(shù)對(duì)車(chē)輛質(zhì)心最大加速度和護(hù)欄最大動(dòng)態(tài)變形量的影響規(guī)律，從而獲得最優(yōu)參數(shù)組合，以有效防止立柱絆阻，順利將車(chē)輛導(dǎo)出。