最新护栏毕业论文(最终19.03) - 图文

摘要

摘 要

近年来,随着我国经济的发展,我国小轿车的保有量急剧增加,高速公路上行驶的车辆中小轿车所占的比重也在逐年攀升，且小轿车的平均车速较高，超速现象严重，使得小轿车与护栏碰撞的事故不断上升。护栏作为高速交通中的安全设施，具有能够保证碰撞中司乘人员安全的防护性能尤为重要。

有限元分析方法作为虚拟实验的重要方法之一，可用于模拟车辆与护栏的碰撞中护栏的安全防护性能。本文首先以某款小轿车为例，在几何模型的基础上建立含有假人及其约束系统的整车有限元模型，并按照国家、交通行业标准JT/T281－2007的要求，建立了Gr-A-4E、 Gr-A-2C型两波护栏这两种类型护栏的有限元模型，然后参照高速公路护栏安全性能评价标准，建立了汽车-护栏碰撞系统的有限元模型。

其次，为了保证系统所用假人能反映碰撞中乘员的安全性，按照美国国家公路安全管理局法规，对该系统中所用假人的头部、颈部、胸部和膝盖等部位的进行标定，对某些不符合要求的部位进行参数调整，使该假人满足碰撞要求。然后对汽车-护栏碰撞系统有限元仿真分析，得出了在碰撞过程中的车辆的运动状态、运行轨迹、车体加速度，护栏的变形情况，同时对碰撞中乘员的安全性进行了分析，根据仿真结果，发现Gr-A-2C型护栏的防撞性能、导向性能和安全性能较好，而Gr-A-4E型护栏的拌阻问题使得该护栏的导向性能和安全性能都较差,乘员在碰撞中受到了严重伤害。

最后，针对Gr-A-4E型护栏出现的拌阻为题进行了分析，揭示了产生拌阻现象的原因，并提出了护栏结构参数的合理搭配能减轻或消除拌阻现象，并通过正交试验探究出了各参数的最优组合，将最优组合参数来修正该型护栏，并通过仿真来验证该组合参数的合理性，结果表明：优化后的护栏能有效地减轻护栏的拌阻问题。

关键词：汽车；护栏；有限元；安全性；正交试验方法

Ⅰ

ABSTRACT

ABSTRACT

In recent years, with the development of our national economy, car proportion on the highway is rising year by year because of the rapid increasing of vehicle population, the other hand, average speed of cars is higher,and overspeed is severe,which cause traffic accidents of the impact between vehicles and barriers more and more. As the safety facilities on the highway,it is extremely important for barriers to ensure occupant’s safety in traffic accidents.

The Finite Element Analysis method,which is one of the most important ways of virtual test,can be used to predict the safety of the barrier while impact between vehicles and barriers.Firstly,the author took a car as an example,FEM model of whole car including dummy and its constraint system were established according to the geometry model ,FEM model of Gr-A-4E、Gr-A-2C two-wave barriers were established.And then FEM model of car-barrier impact system were established refferring to The Evaluation Specification for Highway Safety Barrier.

Secondly,in order to ensure that the dummy can really reflect safety status ,the head,neck,chest and knee of the used dummy were calibrated refferring to regulations provided by NHTSA .The parameters not fitting criterion should be adjusted to make the dummy meet impact demand.Then calculated the mode by computer,and get car’s motion state ,motion trace,body acceleration and barrier’s deformation.Meanwhile analysised the occupant’s safety state.The calculation results show that Gr-A-2C barriers have good crashworthiness,guide characteristic and safety.but Gr-A-4Es’ performance is bad，and the occupant got grievous injury.

Finally,we analysis Gr-A-4E barrier’s bad guide characteristic and safety,and find the reason for “malaxate” phenomenon. And then show how parameters of barrier affect “malaxate” phenomenon,put forward that reasonable collocation of parameters can relieve or eliminate the “malaxate” phenomenon.find out optimal combination of the parameters by using orthogonal test.And then calculate the model changed to verify wether the parameters are reasonable.The reasult shows that the barrier optimized can effectively relieve the “malaxate” phenomenon,and occupant’s safety improved.

Keyword：Vehicle;Guardrail;FEM;Safety;Orthogonal test

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目录

目录

摘 要 ........................................................................................................................................................................... Ⅰ ABSTRACT ........................................................................................................................................................... Ⅱ 1 绪论 ............................................................................................................................................................................. 1

1.1 课题研究的目的及意义 ........................................................................................................................ 1 1.2 道路护栏概述 ............................................................................................................................................. 2

1.2.1 护栏的种类及特点 .......................................................................................................................... 2 1.2.2 护栏防撞性能的评价 ..................................................................................................................... 3

1.3 道路护栏防撞性能的研究现状 ........................................................................................................ 4

1.3.1 国外研究现状.................................................................................................................................... 4 1.3.2 国内研究现状.................................................................................................................................... 5

1.4 研究目的和内容 ........................................................................................................................................ 5

2 汽车-护栏有限元模型的建立............................................................................................................. 7

2.1 结构的离散化.............................................................................................................................................. 7 2.2 材料属性的定义 ...................................................................................................................................... 12 2.3 碰撞参数的确定 ...................................................................................................................................... 12

2.3.1 碰撞接触算法 .................................................................................................................................. 12 2.3.2 时间步长............................................................................................................................................ 13 2.3.3 沙漏控制............................................................................................................................................ 14 2.3.4 假人位置的调整 ............................................................................................................................. 15 2.3.5 碰撞边界条件 .................................................................................................................................. 15

2.4 本章小结 ...................................................................................................................................................... 16

3 假人标定............................................................................................................................................................... 17

3.1 头部标定 ...................................................................................................................................................... 17

3.1.1 假人头部的结构特点 ................................................................................................................... 17 3.1.2 标定方法与要求 ............................................................................................................................. 17 3.1.3 头部标定结果 .................................................................................................................................. 17

3.2 颈部标定 ...................................................................................................................................................... 18

3.2.1 假人颈部的结构特点 ................................................................................................................... 18 3.2.2 标定的方法与要求 ........................................................................................................................ 18 3.2.3 颈部标定结果 .................................................................................................................................. 19

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3.3 胸部标定 ...................................................................................................................................................... 20

3.3.1 假人胸部的结构特点 ................................................................................................................... 20 3.3.2 标定的方法与要求 ........................................................................................................................ 21 3.3.3 胸部标定结果 .................................................................................................................................. 21

3.4 膝部标定 ...................................................................................................................................................... 22

3.4.1 假人膝部的结构特点 ................................................................................................................... 22 3.4.2 标定的方法与要求 ........................................................................................................................ 22 3.4.3 膝部标定结果.................................................................................................................................. 23

3.5 本章小结 ...................................................................................................................................................... 23

4 汽车-护栏碰撞过程仿真 ....................................................................................................................... 25

4.1 GR-A-2C型两波护栏碰撞仿真 ...................................................................................................... 25

4.1.1 碰撞过程的能量变化 ................................................................................................................... 25 4.1.2 碰撞过程中车辆的运动情况 ..................................................................................................... 26 4.1.3 碰撞过程中护栏的变形情况 ..................................................................................................... 29 4.1.4 碰撞过程中车辆的运行轨迹 ..................................................................................................... 29 4.1.5 碰撞过程中车体加速度............................................................................................................... 30

4.2 GR-A-4E型两波护栏碰撞仿真 ...................................................................................................... 32

4.2.1 碰撞过程的能量变化 ................................................................................................................... 32 4.2.2 碰撞过程中车辆的运动情况..................................................................................................... 32 4.2.3 碰撞过程中护栏的变形情况..................................................................................................... 35 4.2.4 碰撞过程中车辆的运行轨迹..................................................................................................... 35 4.2.5 碰撞过程中车体加速度 .............................................................................................................. 36

4.3 乘员安全性分析 ...................................................................................................................................... 37

4.3.1 人体伤害指标.................................................................................................................................. 37 4.3.2 Gr-A-2C型两波护栏中乘员安全性分析 .............................................................................. 38 4.3.3 Gr-A-4E型两波护栏中乘员安全性分析............................................................................... 41

4.4 本章小结 ...................................................................................................................................................... 44

5 基于乘员安全的护栏尺寸优化....................................................................................................... 47

5.1 正交试验设计原理 ................................................................................................................................. 47 5.2 制定试验方案............................................................................................................................................ 48 5.3 最优参数的确定及验证 ...................................................................................................................... 49

5.3.1 最优参数的确定............................................................................................................................. 49 5.3.2 车辆的运动情况............................................................................................................................. 50

Ⅳ

目录

5.3.3 护栏的变形情况............................................................................................................................. 52 5.3.4 车辆的运行轨迹............................................................................................................................. 52 5.3.5 乘员安全性分析............................................................................................................................. 53

5.4 本章小结 ...................................................................................................................................................... 56

6 总结与展望......................................................................................................................................................... 67

6.1 总结 ................................................................................................................................................................. 67 6.2 展望 ................................................................................................................................................................. 68

参考文献 ..................................................................................................................................................................... 70 个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果........................................ 72

Ⅴ

1.绪论

1 绪论

1.1 课题研究的目的及意义

在我国经济发展的进程当中，交通工具的速度直接代表着经济发展的速度，交通大命脉为国民经济和社会发展起着至关重要的作用。高速公路的建设与发展，不仅为交通工具高速而安全的运行提供了良好的环境，而且积极有效地舒缓了日趋增长的交通压力，从而加速了国民经济持续稳定地发展。

在我国，交通安全形势相当严峻，而在西南地区其形势更甚。一方面，由于经济发展的需要，从90年代以来，我国的高速公路建设一直处于一个高速的发展时期，2008年底，仅在西部地区公路通车总里程达到1421087公里，其中高速公路达16455公里，至2010年高速公路已逾2万公里了，且由于地理条件的制约，其特点大多是纵向坡度大、弯道多、桥梁多，位于悬崖峭壁上的公路占有很高的比例，这将造成路况有极大的安全隐患。再者，至2010年底，我国汽车保有量已突破7000余万辆，其中私人轿车达2000余万辆，这将极大增加交通事故基数。仅2009年，全国道路交通事故共发生238351起，造成275125人受伤、67759人死亡，直接造成损失财产9.1亿元[1]。由于高速运输的需求持续不断的发展，而同时又因汽车本身的耐撞性水平、以及公路沿线的安全设施未能满足要求，故造成我国的高速公路位列于安全之路之外，而普通干线或山区公路更不可能成为安全之路。到2007年底,高速公路通车总里程已突破5万公里。高速公路的发展,极大地促进了公路沿线改革开放的深入和经济的发展,促进了人民生活水平的提高.但同时,高速公路也给我们带来了严重的交通安全问题，随着我国西部大开发的推进,西部高速公路的建设变得愈加重要，至2010年，我国西部已建成的高速公路总里程数已达2万公里以上，由于受地理条件所限，在我国西部地区有相当高比例的公路修建于悬崖峭壁上，，且各种路况都有极大的安全隐患，无疑，公路的安全设施（如护栏）在西部高速公路上的利用率是相当大的，而护栏的耐撞性在避免车辆从峭壁上掉下悬崖的悲剧中起到了巨大的作用，随着技术的发展，以人为本的思想日益强烈，故在高速公路事故中，不仅仅为了防止车辆冲出道路，且在车辆与护栏的碰撞过程中，应该使护栏具有保障车内司乘人员的安全。

所以，我国交通运输产业迫切需要先进的、能有效保障司乘人员安全的交通安全技术，这就要求在汽车本身的安全技术研究方面持续不断的开展的同时，也要对汽车与道路护栏之间的防撞机理研究方面做更进一步的加强。就当前而言，除了要对已有的改进公路护栏的安全性技术方面进行大力的开展以外，还要加强研究设计新型护栏安全性方面的技术，这样才能在技术层面上更有效的确保道路

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交道的安全，才能更进一步确保即使发生交通碰撞事故，也能将事故的严重程度降低到最小限值，确保司乘人员的生命安全[2]。以国内汽车模型为基础，建立一个“汽车—乘员－护栏”碰撞系统的耦合系统，从确保车内司乘人员碰撞安全水平最高的角度出发，通过建立“汽车—乘员－护栏”碰撞耦合系统动力学仿真模型，研究碰撞过程中汽车应具备的理想运动规律和护栏防撞机理，以及司乘人员在碰撞中的安全性，这是传统护栏设计技术的重大突破，可以有效提高护栏设计水平，对特、重大恶性交通事故的防治具有重大作用，还具有重要的学术研究价值和广阔的应用前景。

1.2 道路护栏概述

1.2.1 护栏的种类及特点

护栏是一种能纵向吸能的设计构造，在与车辆发生生碰撞的过程中，一方面主要通过护栏自身变形来吸收碰撞能量，另一方面主要通过迫使车辆爬高来吸收碰撞能量，这样不仅能对车辆的行驶方向进行引导，还能更进一步阻止失控车辆驶出道路之外或者闯入其对象车道，从而确保使司乘人员的伤害程度最大限度地降低。根据护栏在公路上的纵向设置位置，可以分为路基护栏和桥梁护栏；也可根据在公路上的横向设置位置，可以分为路侧护栏和中央分隔带护栏；同时也可根据与车辆发生碰撞后的变形程度，分为半刚性护栏、刚性护栏和柔性护栏。

刚性护栏可定义为在与车辆发生碰撞过程中基本保持不变形的一种护栏机构，其主要代表型式是混泥土护栏。混泥土护栏是一种墙式结构，该结构是由一定形状的混泥土快之间彼此连接而成的，在碰撞过程中的能量吸收主要是从三个方面来实现的：一是汽车在碰撞过程中本身的塑性变形；二是汽车与护栏碰撞时的摩擦接触；三是汽车碰撞时行驶方向的改变及沿着护栏斜面的爬高，刚性护栏将对车辆由很大的冲击力，这对乘员的安全很不利，故刚性护栏主要设置在高危路段[3]。

柔性护栏是一种与刚性护栏相对立的又一极端形式，其是一种韧性护栏结构，并具有较大的缓冲能力，而其主要代表型式是缆索护栏。缆索护栏是一种缆索结构，它由数根施加初拉力的缆索组合而成，而缆索的端部需固定在立柱上，其抵抗车辆的碰撞载荷、吸收碰撞能量主要是依靠缆索的拉应力。

半刚性护栏是一种连续的、具有一定的强度和刚度的梁柱式护栏结构，其抵抗汽车的碰撞所需的力主要源至自身的张拉力和弯曲变形，其主要的代表型式是波形护栏。波形护栏是一种连续的梁柱结构，是由相互拼接得波纹状钢护栏梁板与立柱组合而成的，它主要通过土基、立柱以及波形梁的变形来逐渐吸收碰撞能

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1.绪论

量、并引导失控汽车的方向改变。其中立柱的两种形式是圆型柱和工字型柱，而波形梁板分为等截面和变截面两类。

半刚性护栏主要由波形梁板、立柱、端头、紧固件和防阻块等构件组成。波形梁板一方面在碰撞力作用下产生变形以吸收车辆的部分动能，另一方面通过变形来引导失控车辆朝正确方向行驶；在护栏板的作用下，防阻块通过产生变形来吸收能量，尽可能减少乘员伤亡，而防阻块是在波形梁板与立柱与之间固定，这样便使波形梁板悬置于立柱之上，当失控车辆碰撞到护栏后，由于波形梁板与立柱两者之间还有一段距离，故而不会造成在立柱处使前轮发生绊阻；再则，由于防阻块也参与了护栏的整体作用，这样可致使相邻护栏梁板分担相应的碰撞力，从而可以保证护栏更均匀地承载，可得到更为平滑的护栏碰撞轨迹，此不仅可以便于护栏梁板更好的引导车辆的方向，还可以对护栏的整体强度进行增加，当在路缘石路段进行半刚性设置时，防阻块可减小波形梁与路缘石面之间的距离，减轻甚至消除由于失控车辆碰到缘石后跳起产生对护栏的不利影响[3]。 1.2.2 护栏防撞性能的评价

根据高速公路护栏安全性能评价标准，小型客车与护栏碰撞试验主要测试车内乘员的安全保护和碰撞后的运行轨迹，车辆吨位为1.5t，其碰撞速度为100Km/h，其碰撞角度为20?，碰撞速度为100Km/h，小型客车主要对车内乘员腿部性能指标、头部性能指标、胸部性能指标、车辆运行轨迹、车体三方向加速度等项目进行测试，护栏碰撞性能须满足如下评价标准[4]：

1) 车内乘员的安全性分析

为保证车内乘员的安全，根据汽车正面碰撞法规要求，各项指标分别为：假人头部性能指标HPC?1000；假人胸部性能指标THPC?75mm；假人腿部性能指标FPC?10kN，当其中哪一部位的指标超出标准值，有可能威胁车内乘员的生命。

2) 车体加速度

在测试护栏与车辆的碰撞中，若不具备在车中安装假人设备的条件时，就可用车体加速度作为车辆乘员安全性的待用指标，当车辆三个方向加速度均大于20g时，就可能威胁车内乘员的安全。

3) 车辆的运行状态

当车辆出现钻入、骑跨、翻车、拌阻等现象时，由于以高速行驶的车辆在很短时间内停止，此时的冲击加速度将会很大，车内乘员安全就无法等到保障。

4) 车辆的运行轨迹

当车辆与护栏碰撞后，车辆的驶出角度过大，失控车辆就有可能侵入到其他车道，与其他车道上正常行驶车辆发生二次碰撞事故，造成的交通事故将更严重。

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当车辆碰撞护栏后的驶出角度小于碰撞角度的60%时，失控车辆内和其他车道正常行驶车辆的驾驶员均有时间反应做出避让动作，从而可以避免二次事故;且已碰撞点位基准点,失控车辆在20m之内不会驶入相邻车道中。

5) 护栏最大动态变形量

对于半刚性护栏，规定其最大动态变形量的目的是避免车辆翻出路外，根据大量试验研究表明：确保车辆不翻出路外的重要条件，就是保证车辆的中心位置不超越护栏的原始安装位置，故半刚性三波护栏在碰撞过程的最大动态变形量需不大于75cm；半刚性双波护栏在碰撞过程的最大动态变形量不大于100cm。

1.3 道路护栏防撞性能的研究现状

1.3.1 国外研究现状

国外对护栏结构的研究工作开始于上世纪二十年代，美国是当时研究护栏结构最早、最深入的国家，其大型实车碰撞试验场几乎在每个州都有建设，并均有先进的测试仪器配备设施，在理论分析与实验模拟的基础上，结合在公路上的实践应用与实车足尺护拦碰撞试验，积累了丰富、宝贵的经验和大量实用的资料。至上世纪五十年代，日本众多研究机构对各种护栏进行了广泛深入的研究，日本土木研究所等单位对护栏立柱的强度进行了专门的试验研究，通过对不同埋入深度的立柱进行了静态和动态的加载试验，得出了立柱尺寸与强度的关系，而护栏设置纲要便于1965年被制定，该纲要明确规定了护栏的功能要求、结构设计、施工安装、适用范围、功能要求等方面。从 1962 年开始，全美相关的高等院校、各州的有关政府职能部门、科研机构、国家经美国公路联合会召集，联合开展了规模相当庞大的《全国高速公路合作研究计划》[5]。在 1981 年，高速公路安全设施评价标准由美国国家研究会交通研究所制定。在九十年代后，美国对混凝土护栏结构形式进行了大量的实车碰撞试验，比较了NJ型和F型混凝土护栏的优缺点，结合两种护栏的优点，开发出单坡型混凝土护栏，美国高速公路交通研究所运用计算机仿真分析对护栏结构做出了优化，首先在试验平台上做某款汽车与半刚性护栏的实车碰撞试验，得出汽车和半刚性护栏的动态变形资料，而后建立该汽车与半刚性护栏的有限元模型，并在与实车试验相同工况下做计算机仿真分析，参照实车试验结果，不断修改汽车和护栏的有限元模型，直至仿真结果与实车结果相同为止，下一步在正确的仿真模型上对护栏做结构优化，这将大大降低了对护栏结构研究的周期与成本。

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1.绪论

1.3.2 国内研究现状

我国对护栏进行系统的研究开始于七十年代，在此之前，该项研究一直处于空白状态，一方面主要是因为我国还不具备开展大量研究护栏方面所需的经费和试验设备，另一方面是因为当时国外已经拥有比较好的护栏应用效果的研究成果，所以，早期我国的护栏形式基本上也是照抄照搬国外的，并且也没有充分的科学依据来阐述修改部分的原由。一般仅凭经验设置道路、桥梁的护栏，致使发生了许多护栏被汽车撞断的严重事故。直到80年代，随着沪嘉高速公路的运营，高速公路护栏才日益得到重视。

在随后几年的发展中，学者们主要聚焦在如何计算刚性护栏碰撞的冲击力上，并进行了深入的研究。1996年刘志斌提出了在汽车与护栏碰撞后汽车的碰撞力、碰撞力矩和接触面积的算法[16]，其主要是运用计算机仿真技术，并依据拉格朗日法和欧拉法建立了相应的汽车二维运动分析模型，才提出了该算法。1999年钟云华等讨论和简要的评论了在事故中刚性护栏冲击力的计算方法，研究了在汽车撞击作用下刚性护栏的动力响应，并对影响冲击力的主要因素：冲击速度、冲击角度、回弹刚度、以及冲击质量等进行了分析[18]。

随着非线性有限元软件的逐步发展与日益成熟，车辆与护栏碰撞仿真分析中数值模拟分析的得到了广泛的运用。在2000年，用来分析摆锤撞击半刚性护栏过程的有限元模型[8]由雷正保等建立，其通过显式有限元方法对摆锤撞击护栏后，致使护栏大变形的过程进行了精确的模拟。2001年雷正保提出半刚性护栏防撞新机理的先进理念：就是将汽车－半刚性护栏碰撞系统视为一个完整耦合的大系统来进行研究，并对半刚性护栏防撞新机理的基本思想进行了阐述，在宏观上对其研究思路突破性地指出了新方向[21]。在2003年，一种新型的中央分隔带波形梁护栏

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由王康臣等提出，其主要是通过对护栏的整体性能进行分析和对中央分隔带波

形梁护栏的各类结构构件进行优化，并对几个主要影响护栏性能的因素进行了详尽细致的研究，例如：防阻块形状、护栏立柱截面形状、护栏板选型。

2004年，我国制定了《高速公路护栏安全性能评价标准》，该标准的制定原则是根据我国高速公路上车辆的实际运行情况，以实车碰撞试验数据为依据；保证大部分车辆的行驶安全和乘员安全，体现以人为本的思想。该标准既符合我国的实际情况，且尽可能地与国际相关标准接轨。

1.4 研究目的和内容

本课题运用CAE仿真技术，在“汽车－半刚性护栏” 碰撞系统中，从以人为本的原则出发，建立能较准确反映车内乘员安全水平的假人模型，分析在“汽车-5

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护栏”碰撞中人体的响应，揭示护栏结构的耐撞性与乘员安全的关系，以达到利用低成本、优结构来提高乘员的安全性。本课题的主要内容如下：

1 建立汽车-护栏系统有限元模型

运用Hypermesh建立整车有限元模型：对车身的壳单元的离散处理、悬架系统的模拟、焊点单元的模拟、网格质量的严格控制、材料属性的建立、各部件之间的接触定义、时间步长的定义与沙漏控制、汽车—护栏系统的约束定义；建立座椅安全带模型，对HypridⅢ50th假人的坐姿进行了调整；建立护栏模型，为其定义正确的材料属性和约束方式。

2 碰撞用假人标定

根据试验假人的标定方法，从HypridⅢ50th假人中取出其头部、颈部、胸部和腿部进行试验仿真标定，主要对假人头部的加速度、颈部的弯曲和伸张的力与力矩、胸部压缩量和膝部冲击力的标定，对不满足要求的假人参数进行修改，使之达到碰撞试验用假人标准。

3 汽车与不同类型护栏的碰撞仿真

将建立好的汽车有限元模型和不同类型的护栏模型按规定的碰撞条件进行仿真分析，得出汽车在碰撞中的车体加速度、车辆的运行状态、车辆的运行轨迹、护栏的最大动态变形量、假人在碰撞中的安全状况，从而评价护栏的耐撞性和安全性。

4 完成汽车-护栏耦合系统的仿真结果后,针对汽车的运行状态、运行轨迹、护栏的最大动态变形量、以及假人的安全状况等参数中，针对不能满足高速公路护栏安全性能评价标准的状况进行分析，提出护栏结构的优化方案，并优化方案进行仿真，检验护栏是否已达到安全性能要求。

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2.汽车-护栏有限元模型的建立

2 汽车-护栏有限元模型的建立

汽车-护栏的碰撞是一个复杂非线性动态响应过程，汽车与护栏碰撞的CAE分析方法，是通过计算机这一工具对毁灭性破坏过程进行仿真的一种高技术。可在没有汽车和护栏的实体模型的情况下，便通过这种方法就能预测护栏的耐撞性和安全性，并根据仿真结果在较短时间内优化或改进系统结构，有利于降低开发成本，缩短测试周期，在这个过程中，系统具有大位移引起的几何非线性、材料非线性以及复杂的碰撞接触非线性。因此，汽车-护栏碰撞仿真涉及到模拟结构单元理论、材料非线性理论、时间积分法、接触碰撞算法、沙漏控制理论，当以乘员的伤害程度来评价护栏的安全性时，又涉及到了人体碰撞生物力学和人体伤害限度评价。

2.1 结构的离散化

CAD模型需要精确的几何模型,通常会包含某些细微特征,如倒角、小孔，而在进行有限元分析时，若要精确模拟这些特征，这模型中将会包含许多小单元，这不仅增加了整体单元的数量，而且导致求解时间步长减小，进一步增加了求解时间，所以，在网格单元划分时，通常要去除掉几何模型中细小特征，但对于一些在碰撞中非常重要的部件来说，比如汽车前部吸能块的引导槽，它上面有许多凸凹特征，这部分模型的离散化精度对汽车的被动安全的仿真有着重要的影响，所以，在网格离散化前，必须遵循“精度与效率”的原则，应能合理判断出哪些部件应该精确离散化，哪些则可以相对粗略一些。

1) 车身的离散化

汽车车身的绝大部分结构为薄壁件，所以在离散化前，先对其抽取中面，再进行网格划分，在遵循“精度与效率”的原则下，车身网格单元的平均尺寸为10mm，对碰撞影响较大的结构部件，如吸能块，纵梁，应保留其上的局部特征，比如吸能块上的引导槽，虽然其过渡特征较小，但此处网格应当细化，还原部件的真实模型，以保证在碰撞中引导槽按照实际情况逐步压溃。由于在整个模型的建立中规定单元的最小尺寸为3mm，所以对于关键部件的圆角部分应当控制在4mm左右，本研究中车身网格单元采用Belytschko-Tsay单元，其算法是基于经典薄壳理论，适合大位移、大变形的情形。

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图2.1 白车身有限元模型

2) 动力总成模型

动力总成包括发动机、变速箱、电动机和蓄电池等，这些部件的实际材料的强度很高，在碰撞中几乎不发生变形，但这些部件在碰撞中与周围部件接触时，会影响其周围可变形部件的变形程度，所以，在网格离散时都简化成刚体，粗略建立起外轮廓网格模型，为减少网格数量，其单元尺寸定义为20-30mm。

图2.2 动力总成模型

3) 悬架模型的处理

将悬架结构中的大部分成力杆件按照其实际模型划分网格，但主要体现在悬架在碰撞中的缓冲和阻尼，所以，将悬架中的弹簧和阻尼器部分简化，用Hypermesh中一维弹簧和阻尼单元来代替，并设置正确的刚度及阻尼参数，并通过建立内外圆筒，保证在碰撞中悬架中弹簧、阻尼单元所连部件处于同轴状态，还原其实际情况。

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2.汽车-护栏有限元模型的建立

(a) 前悬架简化模型 （b）后悬架简化模型

图2.3 悬架模型

4) 轮胎模型

在汽车与护栏的碰撞中，轮调会与护栏有非线性接触，则轮胎模型的精确程度对仿真结果有着重要的影响，所以应当准确模拟出轮胎模型，将轮胎按实际模型划分网格，并设置橡胶材料，将轮胎设定为充气气囊来模拟其中的胎压，建立一个SET_PART其中包含轮胎上所有单元以组成密闭空间。建立simple_airbag模型，设定参数定容热容为7.17e8，定压热容为1.004e9，充气温度为300K，形状系数为0.7

图2.4 轮胎有限元模型 图2.5 座椅有限元模型

5) 座椅及安全带模型

汽车座椅由骨架、调节机构、坐垫、靠背及头枕等组成，在碰撞中的主要得承力部件是骨架、坐垫、靠背及头枕，调节机构在建有限元模型时省略。座椅骨架结构均是薄壁件，故以翘单元模拟骨架；坐垫、靠背及头枕均为实体模型，则以六面体单元模拟，并泡沫材料定义其属性。仿真中的假人佩带三点式安全带，在ANSA软件中建立安全带模型，它包括：安全带单元、滑动环单元、预紧器、

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卷收器等，安全带单元采用二维的壳单元，平均单元尺寸为4mm。

6) 护栏模型

两波波形梁刚护栏由波形梁板、立柱、端头、紧固件和防阻块等构件组成。论文所选用护栏为交通部发布的JT/T 281-2007标准，为DB0型1波形梁板，G-T型钢管立柱，F型防撞块。由于护栏为规则板翘结构，故其平均网格尺寸为15mm。

（a）护栏模型俯视图

（b）护栏梁板模型 （c）立柱模型 （d）防阻块模型

图2.6 护栏有限元模型

7) 连接方式的模拟

在装配过程中，正确的连接方式及位置能最大限度的还原实车的主从关系，能准确模拟出在碰撞中的传力路径，对求解的精度有着重要的影响，整车的连接方式主要包括以下四种：

1 焊点连接：焊点连接常应用于白车身及车架上，主要有点焊和co2保护焊两种方式，对于在碰撞中将会变形吸能的部件采用一维单元connectors模拟其焊点连接，并设置该单元与其周围二维、实体单元的接触；非变形区用一维单元rigids模拟其焊点连接。

2螺栓连接：在整车中，螺栓连接方式主要应用在底盘、车架和白车身的连接中，在护栏结构中，护栏板之间、护栏板与防阻块之间、防阻块与立柱之间都采用螺栓连接，进行的由于螺栓连接有较高的强度，在有限元模型中采用一维单元rigid来模拟。

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2.汽车-护栏有限元模型的建立

图2.7 connectors焊点连接 图2.8 螺栓连接

3万向节连接：在汽车碰撞模拟中，万向节连接方式主要应用在转向系统的连接模拟中，在有限元模型中采用constrained_joint_universal模拟万向节。

4铰链连接：铰链连接主要运用在有相对转动的两机构是上，在有限元模型中科采用RBE3的连接方式模拟，并释放相应的转动副。

如图2.9为汽车-护栏碰撞系统有限元模型，该有限元模型中共有661115个节点，680031个单元，其中三角形单元32642个，不超过总单元数的5%，考虑到在碰撞过程中左前、后车门不会发生变形，为减少模型的计算时间，所以在该模型中去除了左前、后车门，而是用等效的MASS单元来代替，该车的整车整备质量为1150Kg，并用在车身上增加MASS单元，使建立有限元模型的质量和质心位置与实车相符，并在驾驶室配上驾驶员和乘员的重量。。

图2.9 汽车-护栏碰撞系统有限元模型

11

2.汽车-护栏有限元模型的建立

2.2 材料属性的定义

在汽车碰撞中，材料的本构模型是一个影响求解精度的关键因素，在汽车整车结构中包含不同类型的材料，大体分为金属材料和非金属材料，其中金属材料的主要型号有DC01、DC03、DC04、B170P1、B210P1、HC400等，非金属材料主要有用于座椅上的泡沫材料、安全带及轮胎上的橡胶材料。

根据JT/T 281-2007交通行业标准，波形梁护栏中的波形梁板、立柱、端头及防阻块等均为碳素结构钢，其力学性能不应低于GB/T 700规定的Q235刚的要求。

材料的本构关系在碰撞中车身的钢板材料通常用弹塑性模型加以描述，碰撞行为会导致材料的动力硬化，所以必须考虑应变率对材料本构关系的影响，以Cowper-Symonds模型来考虑应变率与屈服应力的关系[11]：

?y?1???P??1?（）??0?fh(???C???effp)?

式中，?0 为常应变率的屈服应力；?为有效应变率；C，P为Cowper-Symonds应变率参数；fh(?eff）为基于有效塑性应变的硬化函数。 p在LS-DYNA中选用24号材料（PIECEWISESE LINEAR PLASTICITY)）来描述车身材料的本构关系，并定义材料的密度、弹性模量、泊松比、屈服强度和应力—应变关系曲线。对于波形梁护栏材料，由于护栏在与汽车碰撞中受应变率影响很大，所以护栏板、防阻块和立柱均选用3号材料（PLASTIC KINEMATIC），材料参数为：密度7.85e-9T/mm3、弹性模量210Gpa、泊松比0.27、屈服应力200Mpa、剪切弹性模量763Mpa、应变率参数C=40/s、P=5。

对于座椅泡沫材料，在LS-DYNA中选用57号材料（LOW_DENSITY_FOAM），安全带材料则选用34号材料（FABRIC），轮胎橡胶材料则选用1号材料（ELASTIC）。

?2.3 碰撞参数的确定

2.3.1 碰撞接触算法

在接触-碰撞的有限元分析方法中，主要有三种数值分析方法：罚函数法、动态约束法和分布参数法。本研究中使用的罚函数法，它的基本原理是：在每一个时步前先检查是否存在从节点穿透主面的现象，若没有则不做任何处理；若存在穿透，则在此节点与被穿主面之间引入一较大的界面接触力，该接触力的大小与主面的刚度和穿透深度成正比。在LS-DYNA中采用这种接触算法的接触类型主要是ONE-WAY CONTACT、TWO-WAY CONTACT和SINGLE CONTACT，其中最后一种类型在汽车碰撞中式最常见的，本研究中整车零部件之间和护栏结构之间

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2.71m/s，并施加一重力加速度，同时对头部及头部内部与刚性水平面间的接触进行定义，而头部三向合成加速度则由头部传感器的节点输出, 经CFC1000滤波后如图3.2所示,其峰值为271g，在规定的225～275g范围内满足FMVSS572的要求。

图3.1 头部标定模型 图3.2头部合成加速度

3.2 颈部标定

3.2.1 假人颈部的结构特点

橡胶和铝圈是组成Hybrid III型假人颈部的主要元素，它们是通过彼此之间的垒叠和合模硫化而成，且有一通过颈部轴线的钢索安装在中间，一方面可以模拟轴向拉力以限制其伸长量，另一方面也可以提高耐久性。在汽车碰撞过程中，由于汽车巨大的减速度作用，将会使假人颈部在头部惯性力的作用下向前弯曲；但当汽车减速度为正值时，巨大的加速度将会使得假人颈部在头部惯性力作用下向后拉伸。该设计能满足在汽车碰撞试验中假人头颈部具有与人体头颈部相似的运动特性，以便于Hybrid III型碰撞试验假人能在最大程度上更准确地模拟在汽车发生碰撞过程中人体颈部所遭受的伤害情况。与此同时，也保证了假人颈部向后拉伸或者向前弯曲时，其动态力矩和转过的角度达到与人体颈部的响应更高程度的相似[13]。 3.2.2 标定的方法与要求

根据美国国家公路安全管理局法规572E对假人颈部生物特性标定试验的规定，颈部标定主要分为向前弯曲和向后拉伸冲击两种标定，并对假人颈部标定参数作出了具体规定为[14]：弯曲标定时摆与蜂窝材料接触时的摆上的速度在6.89m/s至7.13m/s之间；伸长标定时，其速度在5.94m/s至6.19m/s范围之内；以摆臂加速度传感器中心作为速度测量点，且在距摆臂转轴1657.4mm处安装该传感器；摆臂质量设定为29.6kg；铝制蜂窝吸能材料规格如下：密度为28.8kg/m^3，直径为19mm,；经CFC600滤波之后，颈部弯曲时，其力矩应在88223N.mm~108582N.mm范围之内，颈部伸长时，其力矩应在-52934N.mm~-80079N.mm范围之内。

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3.假人标定

3.2.3 颈部标定结果

在对碰撞假人颈部标定试验中，先将假人颈部与摆臂端部固定在一起，后用拉升装置将摆臂提高到满足碰撞速度要求的角度后释放，当摆臂在重力的作用下向下运动，当速度达到规定要求是撞上吸能块，为缩短计算时间，在下面的颈部标定中，直接将摆臂置于将要与吸能块接触的位置，并给摆臂（含假人头颈部）施加一等效的圆周角速度，使其碰撞吸能块。

弯曲标定

根据假人颈部的弯曲标定的规定，取碰撞初速度v=7m/s，传感器与摆臂之间离

??v/r，为1657.4mm，根据公式：可得摆臂与吸能块接触时的角速度??4.223rad/s，

假人颈部弯曲标定模型如图3.3所示。对整个模型施加重力加速度，必须同时对摆臂 与吸能块间的接触进行定义；而摆臂处的合成加速度则经置于该处的摆臂传感器输出，进而对吸能块与摆臂碰撞时的冲击力进行测量。

图3.3 颈部弯曲标定模型 图3.4 颈部弯曲剪切力曲线

图3.5 颈部弯曲剪切力矩曲线 图3.6 颈部弯曲枕骨骨节力矩曲线

经CFC600滤波后，经CFC600滤波后，颈部的剪切力Fx如图3.4所示；颈部的弯曲力矩My如图3.5所示；通过公式M=My–17.78*Fx可以计算得出所关心的关于枕骨的力矩，公式中17.78实为力传感器与枕骨轴之间的距离，而其曲线则如图3.6所示。法规规定的枕骨的力矩范围为88223N.mm~108582N.mm，而经上式计算所得枕骨的力矩最大峰值为75235N.mm，在法规范围内，故满足碰撞要求。

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伸长标定

根据假人颈部的弯曲标定的规定，取碰撞初速度v=6m/s，传感器距摆臂距离为1657.4mm，根据公式：??v/r，可得摆臂与吸能块接触时的角速度??3.62rad/s，假人颈部弯曲标定模型如图3.7所示。对整个模型施加重力加速度，必须同时对摆臂与吸能块间的接触进行定义；而摆臂处的合成加速度则经置于该处的摆臂传感器输出，进而对吸能块与摆臂碰撞时的冲击力进行测量。

图 3.7颈部伸长标定模型 图3.8 颈部伸长剪切力曲线

图3.9 颈部伸长力矩曲线 图3.10 颈部伸长枕骨骨节力矩曲线

经CFC600滤波后，经CFC600滤波后，颈部的剪切力Fx如图3.8所示；颈部的力矩My如图3.9所示；通过公式M=My–17.78*Fx可以计算得出所关心的关于枕骨的力矩，而其曲线则如图3.10所示。法规对此类规定的枕骨的力矩范围为-52934N.mm~-80079N.mm，而经上式计算所得枕骨的力矩最大峰值为-72368Nmm，在法规范围内，故满足碰撞要求。

3.3 胸部标定

3.3.1 假人胸部的结构特点

假人胸腔是由六根高强度、且带有聚合物阻尼材料的刚性肋骨组合而成，其每根肋骨均包含左右两个部分，肋骨前部通过胸骨部件进行连接，其后部则通过胸脊柱而

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3.假人标定

固定其上。当胸部承受到外来钝性冲击力的作用时，产生的假人胸腔肋骨力与位移的变形特性在很大程度上与人类胸腔肋骨变形特性相似。在汽车前碰撞过程中，来自于汽车安全带、方向盘或者安全气囊的钝性冲击力均作用于人体胸部，从而使司乘人员的安全受到很大程度的威胁[13]。 3.3.2 标定的方法与要求

因为在汽车碰撞过程中，胸部主要是承受钝性冲击力的作用，所以作用于假人上胸板肋骨部位产生一钝性冲击力的物体应采用具有一定质量的面状钝性物体，一方面可以准确地模拟假人胸腔在碰撞过程中的拟生特性，另一方面还可以更有效地控制该钝性物体的运动轨迹，更便于实施，同时，也会最大程度地减少假人身体的其它部位之间的相互干涉。美国国家公路安全管理局法规572E对假人胸部标定做出如下规定

[13,14]

：实验冲击锤形状为直径152.4±0.25mm刚性圆柱，其质量为23.36±0.02kg，圆

角半径12.7±0.3mm，以保证冲击面垂直平滑；撞击时，冲击锤的水平中心线应处于假人的第三根肋骨中心线以下12.7±lmm处的位置上，且冲击速度应控制在6.71±0.12 m/s范围内；使假人坐在刚性面上，其胸部应竖直，无靠背，其腿部应水平放置，上臂应水平向前；胸部压缩量经CFC180滤波后，应在FMVSS572规定的63.5mm~72.7mm范围值内；试验冲头所测到的反作用力应应控制在5159N～5896N范围内； 3.3.3 胸部标定结果

假人胸部标定模型如图3.11所示，给冲击锤上施加6.7m/s的初速度，且给整个模型施加重力加速度；假人胸部与定义冲击锤间的接触。测量试验冲头质心处的合成加速度，其质量与该加速度的乘积即为试验冲头所受的反作用力；测量碰撞中试验冲头的纵向中心线方向上，胸部压缩量即为胸椎与胸骨之间的相对水平位移。

图3.11 胸部标定模型

经CFC180滤波后，试验冲头的合成加速度其结果如图3.12所示，其峰值为23.8g，可计算出冲头所受的反作用力为5560N，经CFC180滤波后，胸部压缩量

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数据如图3.13所示，该试验假人的胸部压缩量为72.3mm，在FMVSS572标准63.5mm~72.7mm范围内，此试验假人的胸部压缩量已达到要求。

图3.12 冲头合成加速度曲线 图3.13 胸部压缩量曲线

3.4 膝部标定

3.4.1 假人膝部的结构特点

假人膝部膝盖罩由铝制成，在膝盖罩内部安装有吸能橡胶件，吸能橡胶件通过压铸成型，由钢制滑块模拟膝盖滑动机构。由于膝盖的此种设计，则允许大腿骨和胫骨之间有相对移动，以模拟韧带伤害情况，在汽车前碰撞中，身体惯性力会使人体膝部向前运动，通常会碰撞汽车内饰件，此时膝盖会受到钝性冲击力，冲击部位主要为膝盖部分[13]。 3.4.2 标定的方法与要求

根据假人膝盖在汽车碰撞中的伤害情况，膝盖的标定方式为采用钝性冲击物对假人膝部施加一冲击力。根据美国国家公路安全管理局法规572E部分规定[14]，膝盖标定参数为：铝制冲击锤撞击面直径为76.2±0.25mm；其质量为5.0±0.01kg；在撞击时摆锤速度控制在2.07m/s至2.13m/s之间；大腿中心线与小腿中心线成

66?；膝部冲击力经CFC600滤波后应低于FMVSS572标准5kN。

图3.14 膝盖标定模型

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3.假人标定

3.4.3 膝部标定结果

膝部标定模型如图3.14所示，将大腿的一端六自由度全部约束，并施加重力加速度给整个模型；施加2.10m/s初始速度在冲击锤上；定义冲击膝部与锤的接触以及膝盖内部的接触；测量试验冲头质心处的合成加速度，通过与其质量的乘积计算出冲击锤与膝部碰撞冲击力。

图3.15 调节前冲击锤合成加速度曲线 图3.16 调节后冲击锤合成加速度曲线

膝部冲击初始标定结果如图3.15所示，由图可知，此试验假人设定的膝部冲击力值约为7.1KN，而在发生时间为9ms时，略高于FMVSS572的标准值5kN，通过减小弹簧单元197的刚度，如图3.16所示，可使该试验假人的膝部冲击力约为4.8kN，满足法规要求。

3.5 本章小结

本章分别介绍了碰撞用混合???型假人的头部、颈部、胸部和膝盖等部件在碰撞中主要的伤害方式及结构特点，并介绍了美国国家公路安全管理局在假人标定方面的法规，根据该法规要求对假人头、颈、胸和膝盖等部位进行了标定，针对其中不满足法规要求的假人结构参数做出调整，以使该假人满足碰撞要求。

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4.汽车-护栏碰撞过程仿真

4 汽车-护栏碰撞过程仿真

当失控车辆与护栏发生碰撞时，希望护栏能作用在汽车的有效部位，这样既不使汽车钻入护栏板下面，也不使汽车越出护栏，其理想情况是汽车在护栏的整体作用引导下逐步转向，直至重新回到正常行驶方向。当前各类汽车，从大吨位到重型汽车到小吨位的微型轿车，无论是车辆的外形还是整车质量都相差非常悬殊。特别是现代轿车，出于燃油经济性的目的，一方面质量变得越来越轻，另一方面从减少空气阻力的角度出发，前车盖更符合流线型而变低，当此类汽车高速行驶而与护栏发生碰撞时，更易于钻入护栏梁板下面而冲出道路。特别是在于两波护栏相撞时，当汽车的前保险杠作用于护栏梁板顶部而迫使梁板拧扭成斜面，此时保险杠有可能上部向前倾斜，汽车在冲击力的分力作用下会易于冲上护栏梁板，从而跃出护栏。所以微型轿车与两波护栏的碰撞成为了研究重点。

本章研究的护栏主要有Gr-A-4E型两波护栏和Gr-A-2C型两波护栏，这两种型号的护栏也是当前我国西南地区常用护栏；碰撞所用的汽车为某A0级轿车。通过仿真分析后得出在碰撞中的车辆运行轨迹，车辆运行状态，车体加速度值，护栏最大动态变形量，以此评价该类型护栏的防撞性能和导向性能。

4.1 Gr-A-2C型两波护栏碰撞仿真

Gr-A-2C型两波护栏是防撞等级为A级的路侧波形梁护栏，埋设与混凝土中，其立柱间距为2m，该型护栏主要设置于高速公路上的易发生重大事故路段或危险路段。 4.1.1 碰撞过程的能量变化

图4.1 各能量的时间历程曲线

碰撞中能量随时间的变化情况是评价计算结果可信度的一个重要指标，图4.1是汽车护栏系统中各能量随时间的变化曲线，从图中可知，在碰撞中的总能量是守恒的，这是仿真结果正确的基本条件，动能与内能曲线揭示了碰撞中汽车的动能与内能相互

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转换的过程,为系统中各部件的沙漏能和总能量的比值是碰撞中一个重要的指标，如图4.1可知，沙漏能占总能量的4.7%，不超过规定的10%，说明沙漏能得到了有效控制，则可以保证计算结果具有一定的可信度。

图4.2 护栏内能与汽车动能的变化曲线

图4.2为护栏内能与汽车动能的变化曲线，护栏的内能主要有护栏梁板、立柱和防阻块内能组成，由于在碰撞中护栏梁板，立柱和防阻块的移动速度较小，且被约束在地面，故不考虑护栏的动能增加，系统动能减小主要来自于汽车动能的减小，由图可以看出，护栏整体内能增加了1.88e5J，系统动能减小了3.02e5J,则护栏在汽车与护栏系统的碰撞中吸收了62.2%的能量，其中护栏梁板吸收了26%，立柱吸收了18.8%，防阻块吸收了17.8%，另外的37.8%动能则由汽车变形区吸收。

4.1.2 碰撞过程中车辆的运动情况

根据高速公路护栏安全性能评价标准，仿真车速为100Km/h，所研究的轿车与护栏的理论碰撞点在立柱上，但实际碰撞约点位于理论碰撞点1.6m处，当轿车与护栏碰撞的初始阶段，轿车右翼子板最先与护栏梁板接触而产生变形，汽车在惯性的作用下向前运动，使得翼子板变形逐渐增大，此时翼子板成为汽车撞击护栏的主要吸能部件。

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4.汽车-护栏碰撞过程仿真

t=0ms t=20ms

t=40ms t=60ms

t=80ms t=100ms

t=120ms t=140ms

t=160ms t=180ms

t=200ms t=220ms

t=240ms t=260ms 图4.3轿车与Gr-A-2C型两波护栏碰撞的运动情况

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图4.4 护栏与汽车前部接触情况

在第20ms时，前保险杠右端开始与护栏梁板接触成为汽车部分的吸能部件，如图4.2所示，翼子板与护栏梁板接触面位于梁板的上波峰，而前保险杠刚好位于两波护栏梁板的下波峰处，则汽车施加与护栏梁板的合力位于护栏梁板中心，保证了汽车在与护栏的碰撞中，不会迫使梁板拧扭成斜面，出现汽车钻入或跨骑护栏的危险状况。随着护栏梁板变形量的增大，由于立柱的刚度大于防阻块的刚度，使得防阻块在护栏梁板与立柱的挤压作用下产生变形。在第60ms时，汽车前部运行至第一根立柱处，防阻块的剪切模型较大，当防阻块变形越过屈服阶段后刚度增加，此时立柱开始产生弯曲变形，轮胎与立柱发生轻微拌阻现象，可从能量曲线中可以看出，约在64ms时，汽车动能有小幅度降低。立柱在轮胎作用下增大弯曲变形，轮胎跨过立柱继续向前运动，护栏与汽车的相互作用力迫使汽车沿平行与护栏梁板的方向移动。当汽车运行至第120ms时，由于此时护栏梁板在碰撞力作用下的转角大于汽车从初始时刻至此转过的角度，即汽车与护栏梁板的相对碰撞角度增加，则汽车与护栏的碰撞力变大， 增加了汽车的转向趋势。碰撞力的增大使得防阻块迅速被压溃，且立柱在地表处产生弯曲变形，使得护栏板未能从立柱悬置出来，在第140ms时轮胎与立柱再次发生拌阻现象，此次拌阻现象较前一次更为严重，吸收了汽车约1.2e5J的动能，但没有使车辆在拌阻下原地打转，轮胎通过自身的变形克服拌阻阻力继续向前运动。

图4.5 第60ms时刻的拌阻现象 图4.6 第140ms时刻的拌阻现象

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4.汽车-护栏碰撞过程仿真

根据车辆的运动情况可知，与Gr-A-2C两波护栏碰撞中，汽车没有出现钻入、跨骑、翻车等现象，并且没有发生严重拌阻现象，在第260ms时，汽车与护栏碰撞后能够较顺利地驶离护栏变形区。 4.1.3 碰撞过程中护栏的变形情况

根据护栏的变形情况，确定护栏的最大动态变形量发生在节点905386处，由于在建模的时候，车辆的运动方向为整体坐标系的X轴的负方向，而护栏的纵向与X方向的夹角为20，所以在计算护栏的最大动态变形量时考虑沿护栏的垂直方向的变

??-Xsin（20）形量，则可以根据公式d?Ycos（20），其中Y,X分别为节点905386沿整

?体坐标系Y方向和X方向的位移。根据图4.8可以得出，由于在碰撞的前60ms内，汽车未能达到节点905386位置处，只是在相邻护栏梁板的作用下有较小位移。在第75ms时刻，节点905386的横向位移开始增大，至240ms时刻，护栏产生最大变形，最大变形量为750mm，低于高速公路护栏安全性能评价标准所规定的1000mm，所以该型护栏在护栏的最大动态变形方面满足要求。

图4.7 护栏的变形情况 图4.8 护栏的最大动态变形量

4.1.4 碰撞过程中车辆的运行轨迹

车辆的运行轨迹主要通过汽车相对于护栏转过的角度来表征，根据高速公路护栏

安全性能评价标准，整车质量在1.5T失控车辆与护栏碰撞的实车试验的碰撞角度为

20?，由图4.7可知，在碰撞的前30ms，护栏对汽车的引导转向能力不明显，主要由

于在初始时刻护栏与汽车的接触部件产生弹性变形，产生的碰撞力较小。当汽车运行至第一根立柱时，碰撞力逐渐增大，车辆相对于护栏板的角度开始减小，护栏开始对汽车具有引导能力。在第120ms时，车辆运行至第二根立柱时，此时汽车与护栏的碰撞角度增加，碰撞力增大，迫使车辆相对于护栏的角度快速减小。在第195ms时刻，车辆基本与护栏处于平行状态。在第220ms时刻，虽然汽车运行到第三根立柱处，但此时的汽车与护栏的相对角度较小，则碰撞力较小，汽车的转动角度并不明显，最后汽车以8.2?驶出角度驶离护栏变形区。当失控车辆的驶出角度过大，会侵入到其

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他车道，会与正常行驶的车辆发生二次碰撞，其后果将更为严重，所以根据规定，车辆的驶出角度应小于碰撞角度的60%，在此工况下，即驶出角度小于12?，所以以8.2?的驶出角度满足安全要求。且汽车从开始与护栏碰撞至汽车离开变形区共行驶了6.31m的距离。

图4.9 车辆相对于护栏的转动角度

4.1.5 碰撞过程中车体加速度

在交通事故中，车辆是以一定角度碰撞护栏的，碰撞力只作用在车身一侧，从碰撞的整个过程来看，车辆在碰撞力所引起的力矩下产生偏转而改变行驶方向，回到正确的行驶轨道上。这车体除了受到一行驶方向的阻力，还受到一侧向力，即车体将存在两个较大的减速度，且左右位置处所产生的减速度明显不相同。则引起的对驾驶员和乘员伤害程度将不一样，在此次碰撞中，在左右两边各设置了加速度计，以输出在碰撞中的各方向的加速度时间历程曲线。

图4.10 车体X方向加速度时间历程曲线 图4.11 车体Y方向加速度时间历程曲线

图4.12 车体Z方向加速度时间历程曲线 图4.13 车体合成加速度时间历程曲线

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4.汽车-护栏碰撞过程仿真

图4.8为驾驶员与乘员R点正下方的X方向的加速度曲线，可知乘员处的加速度曲线峰值大于驾驶员处的加速度曲线峰值，其最大峰值达到31g，是由于驾驶员位置离碰撞点较乘员位置远，所得到的冲击力相对来说要小一些，但左右加速度的趋势趋于一致。图4.9为其相同点处的侧向加速度，相比较之下，驾驶员位置处的侧向加速度要大一些，达到28g，且主要分布在Y的负方向，其原因是车身在碰撞中受到了沿Y轴负方向的碰撞力。其Z向加速度值也较大，该曲线主要在加速度为0处上下波动。根据三向加速度时间历程曲线得到其合成加速度时间历程曲线如图4.11，由该曲线可知，在乘员处的合成加速度较大，峰值达到31.5g，且此处的加速度波动加大，对乘员安全影响更为严重。

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4.汽车-护栏碰撞过程仿真

4.2 Gr-A-4E型两波护栏碰撞仿真

4.2.1 碰撞过程的能量变化

图4.14 各能量的时间历程曲线

从图4.12的能量曲线可以判断出此次碰撞的总能量是守恒的，且沙漏能控制在了2%左右，低于规定的10%，所以本次仿真具有一定的可信度，其中汽车动能在90ms以前下降较为缓慢，是由于该型护栏的梁板刚度较大，在前90ms中没有产生较大弯曲变形，在横向力作用下产生的摩擦力较小，对汽车的动能损失并不大，在90ms之后，汽车已经运行至立柱处，车轮在立柱处的拌阻作用使汽车动能得到大量损失。 4.2.2 碰撞过程中车辆的运动情况

根据高速公路护栏安全性能评价标准，仿真车速为100Km/h,本次研究的轿车与护栏的理论碰撞点为汽车前方第一根立柱处，但实际碰撞约点约位于汽车侧面护栏的中间位置，当轿车与护栏碰撞的初始阶段，轿车右翼子板最先与护栏梁板接触而产生变形，汽车在惯性的作用下向前运动，使得翼子板变形逐渐增大，此时翼子板成为汽车撞击护栏的主要吸能部件。

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4.汽车-护栏碰撞过程仿真

t=0ms t=15ms

t=30ms t=45ms

t=60ms t=75ms

t=90ms t=105ms

t=120ms t=135ms

t=150ms

图4.15 轿车与Gr-A-4E型两波护栏碰撞的运动情况

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在第20ms时，前保险杠右端开始与护栏梁板接触成为汽车部分的吸能部件，虽然Gr-A-4E型两波护栏立柱间距为Gr-A-2C型护栏立柱间距的2倍，但Gr-A-4E型两波护栏的立柱埋在混凝土地基中,且混凝土地基表面距道路表面的距离比Gr-A-2C护栏立柱的弯曲变形区至地表的距离小得多，Gr-A-4E护栏的立柱的弯曲变形只发生在混凝土地基表面处，这立柱端部的刚度较Gr-A-2C护栏刚度高一些,但其梁板的刚度相对较弱，总体上说该型护栏梁板刚度较大，即梁板的横向变形并不大，则在护栏吸收汽车垂直与梁板方向上动力时的平均作用时间较短，平均作用力较大，一方面将导致车体的侧向加速度较大，另一方面作用于车体吸能部件上的力较大，将迫使翼子板向内的变形较大，此时将会使车轮从车体中悬置出来。在90ms左右，车轮运行至立柱处产生严重的拌阻现象，如图4.16 ，此时车体纵向减速度急剧增大，特别是在车体的右侧尤为突出，将会对车内右侧乘员造成的严重伤害，此时立柱作用在车体右边的作用力在汽车质心处产生一偏转力矩，汽车在惯性速度下在此处原地打转，则车体的侧向加速度也将会急剧增加，在前一节中得出在安全带在侧向加速度作用下不能保证乘员安全，所以这将会使右侧乘员在惯性力作用下与其右侧车身部件产生碰撞，这会对车内司乘人员造成严重伤害。

t=68ms t=88ms

t=108ms t=128ms

图4.16 车轮的拌阻现象

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4.汽车-护栏碰撞过程仿真

4.2.3 碰撞过程中护栏的变形情况

根据护栏的变形情况，确定护栏的最大动态变形量发生在节点953909处（如图

4.17），由于在建模的时候，车辆的运动方向为整体坐标系的X轴的负方向，而护栏的纵向与X方向的夹角为20?，所以在计算护栏的最大动态变形量时考虑沿护栏的垂

?直方向的变形量，则可以根据公式d?Ycos（20?），其中Y,X分别为节点-Xsin（20）953909沿整体坐标系Y方向和X方向的位移。根据图4.18可以得出，由于在碰撞的前45ms内，由于护栏强度加大，汽车与护栏梁板接触直接引起力汽车翼子板的变形吸能，梁板的横向变形较小，在45ms后，翼子板等部件变形后与车身上其他部件接触，使得翼子板强度增加，则护栏开始变形吸能，梁板横向位移开始激增，在100ms之后，车轮产生拌阻作用，汽车对护栏的作用全部经立柱传至地面，梁板变形趋于平稳，根据公式计算可得出护栏横向最大变形量为550mm，低于高速公路护栏安全性能评价标准所规定的1000mm。

图4.17 护栏的变形情况 图4.18 护栏的最大动态变形量

4.2.4 碰撞过程中车辆的运行轨迹

在碰撞的初始时刻，作用于车身的侧向作用力于全部被强度较弱的翼子板部件

上，翼子板的变形削弱了汽车的转向，所以在45ms时刻前汽车的转动角度并不大，当翼子板完全被压溃至与其后侧车身部件接触后，作用于汽车的侧向力开始增加，该侧向力在汽车质心处产生的偏转力矩迫使车辆开始转向，使得车体与梁板的夹角减小至16.3，当车轮与立柱产生拌阻后，立柱作用于车体的纵向力在质心处产生的反向偏转力矩使得汽车在此处原地打转。此时汽车与护栏夹角有急剧增大。

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图4.19 汽车转过的角度

4.2.5 碰撞过程中车体加速度

图4.20 车体X方向加速度时间历程曲线 图4.21 车体Y方向加速度时间历程曲线

图4.22 车体Z方向加速度时间历程曲线 图4.23 车体合成加速度时间历程曲线

在汽车与护栏碰撞的初始阶段，汽车受到由护栏梁板与车身的摩擦力产生的纵向

阻力，以及轮胎与地面间的摩擦力，其总的纵向阻力较小，汽车在X方向的减速度较小，当轮胎受到立柱的拌阻作用后，车身可绕立柱转动，即车身左侧在圆周速度下X向的分量大于左侧在X方向上的分量，以至于车身右侧的减速度大于左侧的减速度，其峰值为76g，在轮胎未与立柱接触时，从俯视图中看出车体在护栏施加的侧向力矩作用下，做顺时针旋转，当轮胎发生拌阻时，汽车在立柱施加的纵向力矩作用下做逆时针旋转，这种旋转方向的转变是在极短暂的时间内完成的，因此，从车体的Y

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4.汽车-护栏碰撞过程仿真

向加速度中可以看出车身右侧加速度在100ms左右的震荡曲线。在受到纵向阻力时，由于车身的质心位置高于轮胎与立柱的作用位置，车身在惯性力作用下有后部太高的趋势，这就导致了车身在Z向的加速度很大，在立柱被压溃至极限时，车身受到的纵向阻力也到达最大，引起的Z向加速度也达到极限。根据三向加速度求出合成加速度如图4.23，则车身右侧的合成加速度峰值大于左边，最大值达78g，该峰值主要是X方向加速度峰值引起的，也就是立柱对车轮的拌阻引起的。所以失控车辆与护栏碰撞中的拌阻现象对乘员安全的威胁很大。

4.3 乘员安全性分析

4.3.1 人体伤害指标

最大加速度反映了物体在碰撞中所受到的最大载荷，在碰撞事故中它是造成乘员伤亡的一个重要因素；平均加速度是表征碰撞过程中物体受到的平均载荷，也是碰撞安全的一个重要指标，同时它也是反映碰撞中变形部件吸能特性的重要指标；加速度均方根值反映汽车在碰撞过程中的车身加速度与平均加速度的偏差程度，当加速度均方根值越大时，表示车身加速度时间历程曲线的震荡越厉害，此时的汽车安全性就越差。

根据高速公路护栏安全性能评价标准,汽车护栏碰撞中乘员安全标准参照我国汽车正面碰撞法规。我国关于汽车正碰的乘员保护主要有如下规定[15]：

头部性能指标（HPC）

在试验过程中，如果头部与车辆的任何部件不发生接触，则认为符合要求；如果发生头部与车辆部件接触，头部伤害按下列公式计算：

2.5????1??t2HPC????1000 ?t1A(t)dt?(t2?t1)?t?t1?????2?max式中：t1和t2为两个时刻（以s为单位），表示头部接触起点与记录结束两个时刻之间的某一段时间间隔，在该时间间隔内HPC值应为最大；且时间差t2?t1应不大于36ms；A(t)为合成加速度，A(t)?ax(t)2?ay(t)2?az(t)2，其单位为g, A(t)需经CFC1000Hz滤波处理。

假人胸部性能指标（ThPC）,以假人胸部的变形量的绝对值表示胸部性能指标，

ThPC?75mm，CFC为180Hz。

大腿性能指标（FPC）,以测量轴向传递至假人每条大腿的压力表示大腿性能指标,以KN为单位。TPC?10KN,CFC为600Hz。

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4.3.2 Gr-A-2C型两波护栏中乘员安全性分析

t=0ms t=20ms t=40ms

t=60ms t=80ms t=100ms

t=120ms t=140ms t=160ms

t=180ms t=200ms t=220ms

t=240ms t=260ms

图4.24 汽车与Gr-A-2C型两波护栏碰撞中乘员运动情况

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4.汽车-护栏碰撞过程仿真

根据前文中的汽车左右合成加速度时间历程曲线，在乘员位置处的加速度峰值最高，且幅值震荡更厉害，这对乘员的安全威胁最为严重，所以在右边建立假人模型来研究碰撞对乘员的安全影响。

如图4.24所示，在碰撞的初始时刻，假人在安全带约束下以与汽车等速度向前运动，在前30ms内，车体的纵向加速度并不是太大，但假人在惯性力作用下有微小的X向位移，在前50ms内，车体在护栏梁板引导作用下的偏转角度较小，这对假人的侧面运动影响并不大，在70ms后，车体侧向加速度开始增大，车体产生的偏转角度开始增加，此时的纵向加速度也较大，假人在惯性力作用下开始侧偏，同时假人开始脱离座椅，但假人相对于座椅向前的位移不是很大，此时安全带还没开始对假人产生约束作用，在第100ms时刻，车体纵向减速度增大，假人在惯性力作用下已经脱离座椅，此时安全带开始对人体产生拉力，在120ms时刻，车体减速度更大，假人相对于座椅向前运动的速度更大，其带动安全带拉伸的加速度更大，则安全带开始产生收卷拉力，该收卷拉力基本与假人的惯性力平衡，使得假人身体不能相对于提车向前运动，在140ms时刻左右，车轮受到立柱的拌阻作用，汽车纵向加速度瞬间变大，假人胸部由于受到安全带约束而头部没有，故颈部在头部惯性力作用下向前弯曲， 在140ms至160ms之间，由于汽车在护栏侧向力作用下发生较大的转向，假人开始向右运动，头部撞击到右前门的玻璃上，这对乘员的安全又很大的威胁。随着车体继续向左偏转，假人头部紧贴玻璃，在220ms时刻，玻璃作用于头部的加速度达到40g，且车体的纵向加速度持续较大，颈部弯曲转过的角度愈大。

在整个过程中，对假人损失最大的是在侧向惯性力作用下玻璃对头部的撞击力，该原因是汽车在护栏对其汽车进行导向时产生偏转，侧向加速度较大的原因引起的，而在本次碰撞中安全带在侧向加速度作用下没有起到对人体侧向约束的作用，若要使安全带对乘员进行侧向约束，则需要安全带在碰撞初期时就要锁死，相当于乘员被完全固定在座椅上而随车体一起运动，若在这种情形下，在其后面的加速度将完全作用于乘员头部和胸部，将产生的头部加速度和胸部压缩量会更大，所以安全带在侧向加速度下不能对乘员产生有效约束，此时须在轿车中安装安全气囊。

人体头部的三向加速度的通道频率等级为1000，如图4.25所示为各加速度的时间历程曲线，可见人体头部合成加速度峰值位于220ms时刻处，幅值为75g，该峰值主要由头部在侧向惯性力作用下撞击到右前门玻璃上引起的。根据该合成加速度曲线，运用matlab软件编程可以求出加速度的平均加速度为23g，根据头部损失计算公式，得出头部的HPC=508，小于法规规定的1000。

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a) 头部X方向加速度时间历程曲线 b) 头部Y方向加速度时间历程曲线

c) 头部Z方向加速度时间历程曲线 d) 头部合成加速度时间历程曲线

图4.25 头部各加速度时间历程曲线

在本次碰撞中，假人在安全带约束作用下在对人体胸部的变形进行测量时，通道频率等级为180，图4.26为假人胸部压缩量时间历程曲线，从图中可以看出，胸部压缩量峰值为25.2mm，远低于正碰法规规定的70mm的压缩量。

图4.26 胸部压缩量时间历程曲线

测量人体腿部轴向压缩力的通道频率等级为600。从图4.27中可以读取腿部轴向压缩力，其中右腿轴向压缩力峰值为1.15kN,左腿轴向压缩力峰值为1.1kN,左右腿部的轴向压缩力均小于正碰法规规定的10kN。

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4.汽车-护栏碰撞过程仿真

图4.27 腿部轴向压缩力时间历程曲线

根据头部合成加速度、胸部压缩量和腿部轴向压力三个方面的指标，Gr-A-2C型两波护栏

在与失控车辆的碰撞中能够较有效地保证车能乘员的安全。 4.3.3 Gr-A-4E型两波护栏中乘员安全性分析

根据本章第二节中的汽车左右合成加速度时间历程曲线，在车身右侧的加速度峰值和平均值均高于左侧，且幅值震荡更厉害，这对乘员的安全威胁比驾驶员处更严重，所以在右边建立假人模型来研究碰撞对乘员的安全影响。

通过三点式安全带将乘员约束在座椅上，在碰撞的初始时刻，由于车体的纵向加速度较小，假人相对于座椅在X方向位移并不大，此时假人的相对于座椅的加速度不大，这安全带在假人胸部作用下的拉伸加速度小于预收紧装置的收紧加速度阀值，安全带预收紧装置没开始工作，在45ms时刻，车体减速度逐渐增大，假人相对于座椅向前运动，随着车体减速度增大，则假人相对于座椅的加速度开始增大，安全带被加速拉伸出来，当安全带拉伸加速度达预收紧装置工作阀值时，预收紧器开始收卷安全带，当安全带的拉伸加速度加速度达到某一极限值时，拉力限制器工作，逐渐释放安全带，以免假人受到更大的损失。75ms时刻预收紧装置开始工作，由于在100ms时刻纵向加速度较大，拉力限制器逐渐释放安全带。假人在惯性力作用下向前的运动位移加大。在120ms时刻，车体在立柱施加的力矩作用下原地旋转，假人在侧向惯性力作用下与右侧车身部件发生碰撞，在140ms时刻，由于假人向前的位移过大，使得假人膝盖部位撞击在驾驶室前部，在整个碰撞中，车体右侧部位破坏很严重。

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t=0ms t=15ms t=30ms

t=45ms t=60ms t=75ms

t=90ms t=105ms t=120ms

t=135ms t=150ms

图4.28 汽车与Gr-A-4E型两波护栏碰撞中乘员运动情况

人体头部的三向加速度的通道频率等级为1000，如图4.29所示为各加速度的时间历程曲线，可见人体头部合成加速度峰值位于150ms时刻处，峰值为96g，该峰值

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