高速公路護(hù)欄碰撞過(guò)程分析與力學(xué)模型

1、:www.paper.1高速公路護(hù)欄碰撞過(guò)程分析與力學(xué)模型高速公路護(hù)欄碰撞過(guò)程分析與力學(xué)模型鮑業(yè)輝，江朝華河海大學(xué)交通海洋學(xué)院，南京（210098）Email:Ggirlwell@摘要:從高速公路交通事故的統(tǒng)計(jì)資料出發(fā)，分析了汽車與高速公路護(hù)欄事故在交通事故中的比例與發(fā)展趨勢(shì)，提出護(hù)欄碰撞研究。對(duì)護(hù)欄碰撞進(jìn)行儀器，過(guò)程方面的介紹，并進(jìn)行了力學(xué)分析，總結(jié)分析結(jié)果，提出了改善高速公路交通安全的措施指出了本領(lǐng)域的研究展望。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：高速

2、公路；護(hù)欄；碰撞；力學(xué)模型0.引言引言發(fā)生在高速公路上的交通事故約有30%是車輛越出道路造成的由此造成的特、重大惡性交通事故占該類事故總數(shù)的比例高達(dá)62%以上我國(guó)每年有13的死亡事故發(fā)生在車輛與路側(cè)碰撞的單車事故中[1]。且呈逐年上升趨勢(shì)。于是，為保障高速公路交通安全必須采取一定的防護(hù)設(shè)施，而設(shè)置防撞護(hù)欄是最切實(shí)有效的措施之一。汽車與高速公路護(hù)欄碰撞是極其復(fù)雜的事情，事故發(fā)生時(shí)，汽車的速度通常很高，事故非常劇烈，從而導(dǎo)致材料和部件的嚴(yán)重

3、失效和汽車的改向[2]。由于汽車碰撞護(hù)欄的過(guò)程極其復(fù)雜，評(píng)估護(hù)欄的安全性能也將是一非常復(fù)雜的問(wèn)題。目前采用的方法主要有實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值計(jì)算兩大類[3][4]。高速公路護(hù)欄作為一種被動(dòng)沖擊結(jié)構(gòu)其受力狀態(tài)、變形過(guò)程和能量吸收的作用過(guò)程極其復(fù)雜它同時(shí)負(fù)擔(dān)能量吸收和非破斷保護(hù)兩種角色因此國(guó)外對(duì)其進(jìn)行了廣泛的研究分析研究汽車與高速公路護(hù)欄碰撞過(guò)程中汽車與乘員的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和護(hù)欄的特性，從而提出了改善高速公路交通安全的汽車、護(hù)欄的設(shè)計(jì)措施。在國(guó)內(nèi)，199

4、6年，周志斌等提出了汽車與護(hù)欄碰撞后汽車的接觸面積、碰撞力和碰撞力矩的算法；2001年，雷正保等提出將汽車與半剛性護(hù)欄碰撞系統(tǒng)作為一個(gè)完整耦合的大系統(tǒng)來(lái)研究半剛性護(hù)欄防撞機(jī)理的理念；2004年，黃洪武等研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)減小摩擦力以及改變護(hù)欄板與立柱之間螺栓連接的臨界失效載荷可以提高事故中護(hù)欄對(duì)乘員的保護(hù)能力；2006年，周煒等通過(guò)實(shí)車碰撞試驗(yàn)研究車輛、護(hù)欄碰撞中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析護(hù)欄、汽車和乘員的特性以及相互關(guān)系護(hù)欄的不同結(jié)構(gòu)形式與安裝方式對(duì)乘

5、員的安全性的影響[5]。1.碰撞過(guò)程分析碰撞過(guò)程分析在分析中把護(hù)欄與汽車作為一個(gè)連續(xù)系統(tǒng)來(lái)考慮，在計(jì)算過(guò)程中計(jì)入護(hù)欄的變形與汽車本身的變形。1.1基本假定基本假定(1)汽車近似為剛體，但考慮到碰撞過(guò)程中車體前部局部變形，以無(wú)質(zhì)量的塑性彈簧系數(shù)2K(只有壓縮變形抗力而無(wú)恢復(fù)力的假想彈簧)表征其變形特征；(2)護(hù)欄作為單自由度體系用彈簧系數(shù)k1反映護(hù)欄變形特征；(3)不考慮碰撞過(guò)程中護(hù)欄的阻尼作用；(4)基于沖擊力影響范圍有限護(hù)欄近似作為一

6、定寬度的懸臂構(gòu)件[6]。:www.paper.31.5動(dòng)力方程動(dòng)力方程根據(jù)達(dá)朗貝爾原理建立車輛和防撞護(hù)欄系統(tǒng)動(dòng)力方程()()?????=?=122221221111xxkxmxxkxkxm&&&&寫成矩陣形式???01m???20m??????21xx&&&&????221kkk????22kk??????21xx=01m取決于沖撞過(guò)程中護(hù)欄受影響作用的有效范圍，根據(jù)國(guó)內(nèi)與國(guó)外的碰撞試驗(yàn)，可取參與的有效長(zhǎng)度為2h(h為沖擊點(diǎn)高度)乘以護(hù)

7、欄實(shí)際橫截面面積作為護(hù)欄體積，按此計(jì)算作為單自由度體系護(hù)欄的質(zhì)量1m，2m為由汽車本身與貨物重量之和計(jì)算的質(zhì)量。1k值與護(hù)欄受沖撞作用的有效范圍有關(guān)，試驗(yàn)表明護(hù)欄在汽車沖撞時(shí)處于彈性范圍.對(duì)于不同的鋼筋混凝土護(hù)欄，1k取值不同根據(jù)試驗(yàn)取mN1038。2k為汽車車身前部與護(hù)欄碰撞時(shí)，模擬其變形的彈簧稀疏。國(guó)外用各種型號(hào)汽車正面碰撞護(hù)欄的試驗(yàn)表明，汽車車身前部抵抗變形的強(qiáng)度與車身質(zhì)量成比例增加在試驗(yàn)車速hkm8616~3317范圍內(nèi)。單位汽

8、車質(zhì)量的彈簧系數(shù)幾乎不隨碰撞速度變化，考慮到實(shí)際沖擊角度的影響，參考國(guó)外試驗(yàn)研究成果，2k值按下式計(jì)算：()mkθ140.0θ0491.022=式中，θ為汽車沖撞護(hù)欄的角度，m為汽車的質(zhì)量。1.6方程的求解方程的求解()()()()???==2222111122221111αωsinαtωsinABxαωsinαωsintABtAtAx(1)式中1ω，2ω分別為護(hù)欄與汽車的自振頻率。2211211ωkkkmB???=，2212212ωk