工程力學(xué)專業(yè)論文稿正文.doc

第一章 緒論1.1 引言隨著經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展，各種現(xiàn)代化的交通設(shè)施，如高速公路、城市立交、高架道路在交通運輸中所起的作用日益增強，而交通運輸?shù)陌l(fā)展也導(dǎo)致了交通事故的急劇上升，交通安全己經(jīng)成為一個世界性的大難題。我國高速公路與普通干線相比，交通事故大量增加，而且呈現(xiàn)逐年上升的趨勢?？梢?，我國的高速公路并未成為安全之路。據(jù)統(tǒng)計，在我國的交通事故中，普通公路上有45%。高速公路上有30%是車輛越出路外造成的，且由此造成的特、重大惡性交通事故占該類事故總數(shù)的比例達62%以上。因此，在公路上設(shè)置合適的防撞護欄對交通事故的防治尤其是對特、重大惡性交通事故的防治具有相當(dāng)重要的意義。護欄作為高等級公路上最重要的安全設(shè)施之一,能夠阻止車輛沖出公路或闖入對向行駛車道, 具有減少事故損失、保證行車安全的功能, 對于提高司乘人員的安全感與舒適性, 提高公路運輸?shù)慕?jīng)濟性與社會效益是不可或缺的。有限元數(shù)值分析的方法在此特指利用業(yè)己存在的大家普遍接受的大型有限元非線性分析軟件進行護欄車輛碰撞的分析。該種方法不但具備一般計算機仿真試驗的優(yōu)點，而且該類軟件往往都具有強大的計算機數(shù)據(jù)前后處理功能，可以模擬汽車一半剛性護欄碰撞過程中的大量非線性因素，便于進行數(shù)值分析。同時，通用有限元分析軟件一般也都支持二次開發(fā)，可以在相應(yīng)程序的基礎(chǔ)上快速實現(xiàn)使用者的各種特殊考慮，節(jié)省大量不必要的基礎(chǔ)性勞動。1.2 課題研究的背景和意義汽車碰撞防撞護欄是一個復(fù)雜的過程(接觸面不規(guī)則、碰撞力作用點滑行、碰撞掃描中護欄參與作用的質(zhì)量不斷變化、汽車機構(gòu)在碰撞中轉(zhuǎn)向和剛度的不穩(wěn)定性等)。1994年，我國交通部頒布了高速公路交通安全設(shè)施設(shè)計施工技術(shù)標(biāo)準(jtj074-94)作為行業(yè)標(biāo)準，對交通安全設(shè)施的設(shè)計和施工有重要的指導(dǎo)意義，但由于系統(tǒng)試驗缺乏，參考的多為西方國家50年代的試驗結(jié)果，在很多方面套用了歐、美、日本80年代規(guī)范的數(shù)據(jù)，特別是在目前被廣泛使用的混凝土墻式護欄方面，從計算模式、結(jié)構(gòu)計算公式乃至大量構(gòu)造規(guī)定都未明確，有些理論已經(jīng)陳舊，缺少使用情況的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，在設(shè)計條件、碰撞荷載確定、護欄結(jié)構(gòu)計算等方面之間缺乏聯(lián)系。路側(cè)事故在公路事故中占了大約30 %的比例,就是說,每3人死亡事故中,就有1人死于車輛駛離道路的事故。這個數(shù)據(jù)說明了路側(cè)環(huán)境在傷亡和嚴重事故中起了很重要的作用。美國的路側(cè)護欄設(shè)計認為: 如果路側(cè)凈區(qū)寬度超過一定值, 就不必設(shè)置路側(cè)護欄了。實際上由于公路用地及工程費用的原因, 大多數(shù)很難滿足其路側(cè)凈區(qū)的要求, 必須設(shè)置路側(cè)護欄以防護車輛駛出道路碰撞路側(cè)障礙物。本文就汽車碰撞混凝土防撞護欄的汽車碰撞力計算、護欄內(nèi)力分析及碰撞響應(yīng)的數(shù)值模擬進行研究，為新型防撞護欄的設(shè)計提供了重要的理論依據(jù)。1.3 護欄在國內(nèi)外的應(yīng)用及研究概況剛開始建造高速公路時，護欄只是起一種分隔帶的作用。隨著高速公路和高架道路的大量興建和使用，人們逐漸認識到它對交通安全所起到的重要作用。現(xiàn)在，防撞護欄己成為高等級公路及大型橋梁必不可少的安全設(shè)施，七十年代，日本公布了防護柵設(shè)置綱要，對防撞護欄的設(shè)置原則、方式和設(shè)計條件做出規(guī)定。美國、英國、德國等也根據(jù)自己國家的國情制定了相應(yīng)的設(shè)計標(biāo)準.如美國國家公路和交通局的高速公路路邊設(shè)計指南、歐洲設(shè)計標(biāo)準等。我國最早開始修建的高速公路是臺灣的南北高速公路(高雄基隆)，全長373公里，1978年竣工。大陸修建高速公路僅有十幾年的歷史。八十年代中期，第一條高速公路滬嘉高速公路開通，接著沈(陽)大(連)、廣(州)佛(山)、(北)京(天)津唐(山)、翠(莊)松(江)、(北)京石(家莊)、濟(南)青(島)等高速公路相繼開通.而最近幾年，高速公路的發(fā)展更是突飛猛進，縱橫交錯的高速公路網(wǎng)己經(jīng)遍布全國，我國已經(jīng)進人建設(shè)高等級公路的新時代.在已建成的高等級公路、城市快速路以及大型橋梁上，鋼筋混凝土防撞護欄大量使用，但由于我國當(dāng)時尚無防撞護欄設(shè)計規(guī)程，故其設(shè)計基本上是套用國外規(guī)范，且各地所套用的規(guī)范不盡一致。現(xiàn)行高速公路交通安全設(shè)施設(shè)計及施工技術(shù)規(guī)范(jgj074-94)，無疑對防撞護欄設(shè)計具有指導(dǎo)作用，但這本規(guī)范所依據(jù)的資料多是引自國外，尚缺少我國系統(tǒng)實驗研究數(shù)據(jù)，有不少規(guī)定尚有待進一步實踐驗證。1.3.1 研究方法國外三，四十年代就已對護欄有了專門性研究，西方國家對護欄系統(tǒng)研究和大規(guī)模應(yīng)用始于50年代，此后交通事故死亡率呈逐年下降趨勢。近期，由于汽車工業(yè)的發(fā)展，車輛向高速化，車型向兩極化發(fā)展，新材料，新工藝的出現(xiàn)，陳舊的護欄理論已經(jīng)不能適應(yīng)新時代的要求，因而歐美、日本等國在八十年代至今又有了新的研究熱點，對護欄性能、計算分析、構(gòu)造措施都有新的定義。汽車碰撞護欄是個復(fù)雜的過程，目前，各國主要采用以下三種研究手段:1 實車足尺碰撞實驗實車足尺撞擊試驗是用實際汽車沖撞護欄來模擬交通事故的一種研究方法。它可以得到汽車在撞擊過程中的運動軌跡和運動姿態(tài)、汽車與護欄的變形和損傷特征以及碰撞沖擊力的數(shù)值等真實可信的技術(shù)參數(shù)，從而為安全可靠的護欄結(jié)構(gòu)的設(shè)計和驗證其它研究方法所得結(jié)果的可靠性提供了科學(xué)的依據(jù)?，F(xiàn)在，各國都把系統(tǒng)的實車撞擊試驗作為對護欄研究的基本前提。1962年，美國西部研究所進行了一次40001b重的小汽車以25度角、60km/h的速度碰撞鋼制護欄的試驗.此后歐、美各國進行了大量的碰撞實驗，認為碰撞中初始條件(汽車質(zhì)量、碰撞速度、碰撞角度)對實驗結(jié)果影響很大。清華大學(xué)于1992年就擁有了汽車碰撞實驗研究的能力，隨后，中國汽車技術(shù)研究中心建立了一套國內(nèi)最龐大的汽車碰撞實驗裝置。同時，交通部公路交通試驗場、國家汽車質(zhì)量監(jiān)督檢測中心、湖南大學(xué)等單位也建立了各具特色的汽車碰撞實驗系統(tǒng)。我國進行的四次足尺試驗:1997年7月，羅曼自卸車(空車，重8噸)以30度角、50km/h的速度兩次沖擊纜索護欄，以供合(肥)寧(南京)公路護欄設(shè)計作依據(jù)，1992-1993年，交通部公路研究所在北京，海南做了兩次共27輛實車沖擊鋼制波形梁護欄的實驗，研究鋼制波形梁護欄的防撞性能，以編制相關(guān)部頒標(biāo)準；1994年，上海市同濟大學(xué)實施了2輛實車沖擊混凝土墻式護欄的實驗，為設(shè)計上海市內(nèi)環(huán)線高架橋護欄提供依據(jù)， 2001年北京深華達交通工程有限公司在開發(fā)橋梁混凝土防撞護欄時進行了8組實車碰撞實驗。由于實車足尺碰撞實驗耗費高，每一次碰撞實驗需要耗資約20萬元以上，而且不能重復(fù)性操作，因此在我國足尺實驗應(yīng)用并不廣泛.計算機仿真模擬試驗已經(jīng)被世界各國廣泛應(yīng)用于護欄研究領(lǐng)域，且取得了長足進展，成為一種經(jīng)濟有效的實驗手段。2 縮尺模型試驗縮尺模型試驗具有試驗成本低、試驗過程易于控制、變換參數(shù)容易、可采用多組試件反復(fù)進行等眾多優(yōu)點，是對護欄進行沖擊特性、撞擊剛度、能量吸收能力等物理力學(xué)特性研究的一種經(jīng)濟有效的試驗方法。當(dāng)然因為幾何尺度、材料特性和邊界條件等的不同，其結(jié)果并不完全可靠，仍需要足尺模型的檢驗，一般被計算機仿真實驗所取代。3 計算機仿真實驗有限元數(shù)值分析的方法一種有效而又快速經(jīng)濟的研究方法。國外已將這類軟件大量運用于半剛性護欄的受力特征、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、護欄新材料的開發(fā)、護欄結(jié)構(gòu)形式的選擇等諸多方面，取得了良好的技術(shù)效果和經(jīng)濟效益，ansys有限元數(shù)值分析軟件便是其中之一。計算機仿真實驗可模擬不同車型、不同初始條件的碰撞全過程，從而節(jié)省大量經(jīng)費，目前護欄研究一般用其進行初步理論分析，再輔以實車實驗來完成驗證工作。表1-1美國研究機構(gòu)開發(fā)的計算機仿真程序仿真程序名開發(fā)機構(gòu)適用對象模型hvosmcalspan簡單車輛，剛性護欄三維固體元測量barrier vuniv.of.cal簡單車輛，剛性護欄二維有限元程序ravensco沖擊車輛后車輛的位移三維剛體元rav2swrirav的改進型，考慮沖擊過程中荷載的動態(tài)變換三維剛體元barrier vrvaensco三維元車輛，二維元彈性護欄相互作用三維剛車輛二維元護欄barrier vensco三維元車輛，二維元彈性護欄相互作用二維剛車輛二維元護欄guardiitri帶減震器的簡單車輛的詳細模型，彈性或剛性護欄三維有限元車輛護欄crunchiitri列車車輛，彈性或剛性護欄三維有限元tigerswri簡單車輛沖撞后運動三維元六自由度車輛二維元護欄usinuniv.of.cinn三維元分隔帶，沖撞后成員響應(yīng)復(fù)數(shù)剛體分解程序rometheus2univ.of.mic二維元，行車沖撞后響應(yīng)mrrbsmhsri crashvictim simmulaterhsri三維元分隔帶，沖撞后成員響應(yīng)mrrbsmcrashtti二維元車輛沖撞模型車輛我國對防撞護欄的理論研究起步較晚，到目前為止基本上都是運用動力學(xué)知識，通過簡化碰撞過程來建立仿真模型和動力方程進行數(shù)值模擬，而且由于缺少系統(tǒng)的實車碰撞試驗作依托，理論上還有很多問題尚未解決.交通部在七五期間曾立項對“鋼制波形梁的防撞性能”進行研究(限于當(dāng)時條件，未做過試驗)以及交通部兩次實車碰撞試驗，基本上填補了我國在這方面的空白，文獻研究了不同類型的半剛性護欄，給出了模擬汽車碰撞半剛性護欄波形梁過程的數(shù)值方法，由于混凝土護欄屬于剛性護欄，其作用機理與半剛性護欄有著根本的不同，并不適用于混凝土護欄。同濟大學(xué)周德源、錢江和高云批教授也采用ansys程序，建立了東海大橋的單跨橋完整計算模型和跨中局部橋段計一算模型，進行了汽車與平剛性護欄撞擊的彈性靜力分析、非線性靜力分析和動力響應(yīng)分析，研究了護欄與汽車撞擊的瞬時特性。1993年，同濟大學(xué)結(jié)構(gòu)工程學(xué)院的張譽教授及其領(lǐng)導(dǎo)的課題組開展了汽車撞擊鋼筋混凝土護欄的計算機仿真研究，在他們的研究中鋼筋混凝土護欄被視為彈性變形體，并將汽車簡化為一個簡單的彈簧質(zhì)量系統(tǒng)，利用機械振動學(xué)方法及多體系統(tǒng)動力學(xué)方法，計算出碰撞過程中汽車對護欄的碰撞力，但方程中一些參數(shù)(包括汽車局部剛度k2系數(shù))的選取完全引用國外50年代的經(jīng)驗值，所得結(jié)果誤差較大，只是與它們的一組實驗值接近。1.3.2 護欄分類與設(shè)計護欄分類安全護欄的形式按剛度的不同可分為柔性護欄、半剛性護欄和剛性護欄。1) 柔性護欄一般指纜索護欄,是一種以多根施加了預(yù)應(yīng)力的纜索固定于支柱上的結(jié)構(gòu),完全依靠纜索的拉應(yīng)力來抵抗車輛碰撞,形式美觀,行駛時沒有壓迫感,但視線誘導(dǎo)較差,造價較高,一般不用。2) 半剛性護欄一般指梁式護欄,是一種用支柱固定的梁式結(jié)構(gòu),依靠護欄的彎曲變形和張拉力來抵抗車輛的碰撞。梁式護欄有許多種,應(yīng)用最廣泛的為波形梁護欄。具有一定的剛性和韌性,損壞后容易更換,能誘導(dǎo)視線,外形美觀。3) 剛性護欄一般指鋼筋混凝土墻式護欄,是一種具有一定斷面形狀的鋼筋混凝土墻式結(jié)構(gòu),依靠汽車爬高、變形和摩擦來吸收碰撞能量。這種護欄安全性高,能有效防止二次事故,本身不易損壞,維修費用低,但對車輛行駛有壓迫感,對車輛損壞較嚴重。與其它形式的護欄相比，混凝土護欄的保養(yǎng)成本最低。因為交通事故所引起的混凝土護欄結(jié)構(gòu)損壞很小，主要為表面擦傷，只有個別情況為頂部斷裂，因此其維修成本也較低，與金屬護欄相比，維修成本為1比13，而且事故率小，因此具有極大的優(yōu)越性。設(shè)計條件高速公路上的安全護欄既要阻止高速行駛的車輛越出路外,或穿越中央分隔帶闖入對向車道,還要能誘導(dǎo)駕駛員的視線,使車輛回到正常行駛方向,并將事故中惡性程度降低到最小?？傊?高速公路安全護欄是減少交通事故和降低事故惡性程度的有效措施,但在不該設(shè)置護欄的地方設(shè)置護欄,反而成為新的障礙物,增加了事故危險。因此,對安全護欄的設(shè)計首先要掌握護欄的特點,結(jié)合高速公路的交通條件,在滿足護欄基本功能的前提下,選用合適的護欄形式,并采取合理的設(shè)置原則。護欄形式選擇最理想的護欄形式是既滿足功能需要又成本最低,而且美觀大方,并能誘導(dǎo)行車視線。纜索護欄適合有不均勻下沉、積雪、長直線、有特殊美觀要求的路段；鋼筋混凝土護欄適合特別危險的跨河大橋、懸崖等路段；波形護欄有更大的適用性,基本上適合所有路段,特別是小半徑彎道和需要誘導(dǎo)視線的路段。根據(jù)規(guī)范要求和湖南省多條高速公路安全護欄設(shè)計經(jīng)驗,一般路段路側(cè)采用波形梁護欄,個別特別困難危險路段采用混凝土護欄。截面形式 鋼筋混凝土剛性防撞護欄，其截面形狀和幾何尺寸對充分發(fā)揮防撞護欄的作用有著至關(guān)重要的作用。隨著經(jīng)驗的積累，護欄的截面形式不斷改進。美國最初采用的是一片垂直的墻體(圖1-1)，它能有效地防止事故車輛翻越護欄，但這種形式的護欄使事故車輛與護欄相撞時的減加速度過大，對乘員和車輛的危害較大。日本和前蘇聯(lián)還采用過圖1-2和圖1-3所示截面的鋼筋混凝土護欄。圖1-1 圖1-2 圖1-3但是這些截面都存在著與圖1-1截面相似的缺點。1955年，美國新澤西州開始尋求一種混凝土安全型護欄，并建成了20英里以上的護欄，其外型如圖1-4所示，這種外型的護欄現(xiàn)在被稱為“nj型”(新澤西州型)。在這種“安全外形”中，事故車輛最初撞擊底部75mm高的直立側(cè)面上，如果這種初步的阻力被克服，則護欄會爬上550的斜面。當(dāng)撞擊的角度小，車速低時，由于車輪的升高而吸收了碰撞能量，當(dāng)車速高和沖撞角度大時，這種能量吸收幾乎不起什么作用，護欄主要靠其上部幾乎垂直的側(cè)面完成汽車的改向和減速，并讓事故車退回車道，與護欄平行行駛。1967年在加里佛尼亞所做的試驗表明這種護欄設(shè)計能有效地使小于10度角撞擊護欄的中型轎車改變方向，并且汽車不受或受到極輕微的損傷，而護欄則不受損傷，但當(dāng)以103公里/小時的撞擊速度和25度角的撞擊角度進行試驗時，汽車的損傷是嚴重的，其程度與以同樣的速度、同樣的角度進行試驗的標(biāo)準梁式護欄相似。這種形式的護欄在英、美、澳、法、意、德等國得到了推廣。在此基礎(chǔ)上，美國又提出了“f型”(florida型，即新澤西州改進型)截面的護欄(圖1-5)。另外常用的截面形式還有“gm型”(圖1-6)(通用汽車公司型)。 圖1-4（nj型） 圖1-5（f型） 圖1-6（gm型）國內(nèi)京石、沈大高速公路及北京、天津、廣州等城市已大量使用nj 型混凝土護欄。通過效果調(diào)查及理論分析, 表明在中國道路交通條件下,nj 型和f型混凝土護欄的使用效果比較好。通用汽車型即gm型護欄，從地面到坡度轉(zhuǎn)折點的距離是330mm，這個較高的距離對二十世紀七十年代的小汽車有明顯的抬升。在沖擊試驗中，這些小汽車撞擊gm型護欄后，變得不穩(wěn)定，想要翻倒，結(jié)果gm型被停止使用。在進行參數(shù)研究（參數(shù)的系統(tǒng)性變化）過程中，對不同斷面形狀的結(jié)構(gòu)，按a到f標(biāo)號，計算機模擬發(fā)現(xiàn)標(biāo)號為g的結(jié)構(gòu)明顯好于nj型。一系列真實的沖擊試驗也證實了這個結(jié)果，因此圖形f的結(jié)構(gòu)被稱作f型。雖然f型性能優(yōu)于nj型，但它并不被廣泛應(yīng)用。這是因為州政府對nj型很滿意，而且nj型也能滿足沖擊試驗的要求。另外，承包商也不想改變，因為同生產(chǎn)nj型相比，f型在斷面上比nj型有大得多的投資。如圖所示，nj型和f型斜面的坡度相同，主要不同在于坡度轉(zhuǎn)折點的位置。f型為180mm，比nj型少75mm。較低的坡度轉(zhuǎn)折點能夠顯著地降低對汽車的抬升量，從而大大地提高了混凝土護欄的性能。混凝土護欄根據(jù)設(shè)計要求可不配或少配鋼筋, 預(yù)制件一般因吊裝所需, 要配少量鋼筋；就地澆注者, 一般不配, 但如需提高強度可配少量鋼筋。護欄基礎(chǔ)是保證護攔壽命, 充分發(fā)揮其作用的重要組成部分, 其與護攔連接采用兩種方式:( 1) 護欄嵌鎖在基礎(chǔ)中；(2) 通過傳力鋼筋與基礎(chǔ)相連?；炷磷o欄的防撞機理車輛與混凝土護欄的碰撞是一個很復(fù)雜的過程,現(xiàn)在以最常用的新澤西護欄為例來進行說明。車輛與護欄接觸時, 保險杠與護欄接觸而受壓, 護欄的上坡面擠壓保險杠使之變形, 產(chǎn)生向上的提升力, 另外下坡面擠壓汽車的懸架系統(tǒng)也會使之提升, 從而將汽車的動能部分轉(zhuǎn)化為勢能。在這個過程中, 由剛體的動量矩定理, 車體后部向護欄靠近, 使車體導(dǎo)向。然后車平行護欄后沿護欄滑行, 再以一定角度脫離護欄。如果保險杠強度相對較弱，在任何抬升發(fā)生前，前端開始撞擊；當(dāng)車輪與護欄幾乎平行時，車輪碰撞較低斜面，大部分的附加抬升量是由低斜面壓迫前伸出部分引起的。如果護欄斜面粗糙，輪側(cè)摩擦力產(chǎn)生另外的提升，所以應(yīng)避免外露集料和初步表面修整。與鋼護欄主要由護欄自身吸收碰撞能量不同, 它通過能量的轉(zhuǎn)換達到減小汽車損害的目的, 這種護欄允許車輛在下部斜面向上爬升而減少了車輛的損壞, 同時護欄維修的工作量小, 因此得以廣泛使用。就安全性能而言，高為1070mm的f 型護欄是當(dāng)前最好型式的混凝土護欄。1.4 本文研究的主要內(nèi)容本文針對混凝土護欄研究內(nèi)容包括以下兩個方面：理論碰撞力的計算；計算機仿真實驗。1. 正面碰撞理論：將汽車簡化為質(zhì)量彈簧單自由度模型分析，給出變形量與加速度計算式。2. 偽靜力法計算：我國采用的傳統(tǒng)計算方法，給出沖擊力的計算式。3. 汽車撞擊分析：采用ansys計算機模擬汽車沖撞剛性墻的各項數(shù)據(jù)。4. 護欄受沖擊力響應(yīng)：ansys瞬態(tài)分析方法，得出護欄受沖擊響應(yīng)的一些重要數(shù)據(jù)。第二章 理論碰撞力計算2.1 汽車對固定端壁的正面碰撞理論國內(nèi)外對于汽車碰撞問題大都集中在正面碰撞的研究上，實車碰撞實驗較多而且理論相對比較成型。因此在研究汽車與混凝土防撞護欄的碰撞前有必要了解一下汽車對固定墻壁面碰撞的理論。在汽車對固定墻壁的碰撞中，通常把汽車作為剛體處理，力學(xué)模型可以簡化如圖2-1所示m圖2-1 汽車對固定墻壁正面碰撞的力學(xué)模型圖中m為汽車質(zhì)量，k為質(zhì)量可以忽略不計的彈簧系數(shù)。在這里認為彈簧只有很少一點反彈現(xiàn)象。此外，彈簧一般是非線性的，所以k并不是常數(shù)，而是變形量與變形速度的函數(shù)。如果能求出各種車型的k值，則當(dāng)發(fā)生汽車對固定墻壁正面相撞，只要測出車輛前端的變形就可求得碰撞前的車速，在靜止?fàn)顟B(tài)下求彈簧系數(shù)時，測出加在彈簧上的外力即可。彈簧系數(shù)的動態(tài)測量如圖2-1所示，使質(zhì)量彈簧系統(tǒng)與固定墻相撞，同時測量質(zhì)量的速度和位移。質(zhì)量與減速度的乘積相當(dāng)于加在彈簧上的力，這樣即可得到加在彈簧上的外力，從而求出彈簧系數(shù).在用這種方法時，也可以不必直接測量彈簧的變形量，而用減速度積分兩次來求出變形量，即，這里v是在碰撞過程中，對應(yīng)于時間t的速度，v0是碰撞前的車速，t是由碰撞開始算起的時間，a是減加速度，x是從碰撞開始點算起的質(zhì)量m的位移量，也就是彈簧的變形。由上述計算方法可知，只要測出碰撞前的速度與碰撞過程中減速度對時間的關(guān)系，即可求出彈簧系數(shù)。多年來由許多對固定墻壁及同型汽車之間正面相撞的試驗資料表明，由于碰撞引起車身做各種形式的振動，所以減速度呈現(xiàn)出周期變化的狀態(tài)。除此之外，車身各部結(jié)構(gòu)的變形也是不均勻的，比如受某一力的作用引起了屈曲變形，或某個構(gòu)件折斷使變形阻力急劇下降等，這些都將使變形阻力不能圓滑地變化，但是如果去掉這些變化，則可以把代表車身前部變形的彈簧看成是線性的，并且?guī)缀跏侵豢蓧嚎s不可恢復(fù)的單向彈簧。單位汽車質(zhì)量所對應(yīng)的彈簧系數(shù)，也就是減速度的增加率與變形量的關(guān)系，對不同型號的汽車幾乎看不出什么差別這說明車身前部抵抗變形的強度，隨車身質(zhì)量成比例地增加。此外，在試驗所用的碰撞速度范圍內(nèi)，單位汽車質(zhì)量的彈簧系數(shù)幾乎不隨碰撞速度變化。因此，可將單向彈簧看成圖2-2所示的單向線性彈簧。圖中cd部分表示單向彈簧還有少量恢復(fù)。畫有斜線的區(qū)域abcd的面積代表由于彈簧變形造成的每單位汽車質(zhì)量的能量損失，這一損失當(dāng)然應(yīng)該等于碰撞之前單位汽車質(zhì)量具有的動能。根據(jù)試驗結(jié)果，單向線性彈簧對應(yīng)于單位汽車質(zhì)量的彈簧系數(shù)約為401.8m/s2/m(41.og/m)。因設(shè)彈簧為線性的，所以汽車在碰撞過程中的運動可通過較簡單的計算來求得。如將彈性恢復(fù)部分忽略不計，則運動方程示為: 設(shè)初始條件為t=0時，x=0, ,解此運動方程為，這里，表示碰撞前的速度。減加速度為：將減加速度隨時間變化的規(guī)律畫成曲線，可得圖所示的1/4正弦曲線?，F(xiàn)取401.8m/m，則=20rad/s，又根據(jù)可知，碰撞的延續(xù)時間0.08s,由401.8 m/m，可求得最大變形量和最大減加速度為=0.0143，=這里的單位為km/h,的單位為m，單位則用g（9.8m/）表示，用實際的汽車做碰撞試驗所得的結(jié)果與上式計算值相比基本是一致的，如圖2-3，圖2-4所示，試驗結(jié)果包括了美國、日本和歐洲車所做的實驗數(shù)據(jù)。2.2 偽靜力法計算碰撞力目前我國現(xiàn)行頒布行業(yè)標(biāo)準參考英國橋規(guī)，采用偽靜力法計算汽車沖擊荷載.根據(jù)汽車碰撞護欄的過程，及與護欄成一定的角度(一般為15-25度)斜向接觸開始，到汽車沖撞后轉(zhuǎn)向到順著防撞護欄滑行一段距離而終止的這一運動軌跡，擬定計算簡圖:圖2-6 汽車碰撞護欄計算簡圖其中：車的重心d車輛重心到碰撞點的距離 2b車的寬度 碰撞角 碰撞前后車輛的行駛速度 s車輛從碰撞護欄到與護欄平行行駛時車輛質(zhì)心的橫向位移 護欄受碰撞后沿x方向的變形車輛質(zhì)心在橫向移動的距離s=dsin+bcos-b+引入以下基本假定:1. 從車輛碰撞護欄到改變方向平行于護欄，車輛的縱向和橫向加速度不變，車輛改變方向平行于護欄時，其橫向速度為零；2. 車輛碰撞護欄期間容許車輛發(fā)生變形，但車輛的重心位置不變，且近似為質(zhì)點運動；3. 車輛與護欄、車輪與道路的摩擦力忽略不計；4. 剛性護欄變形為零，柔性護欄的變形z0。忽略 汽 車 與地面的摩擦作用及汽車與護欄的摩擦影響時，x方向僅有碰撞力px作用，由運動學(xué)方程可知，車輛行駛軌跡變化期間垂直于護欄的勻減加速度a為:若考慮到剛性護欄橫向變形很小=0，則傳遞各剛性護欄的碰撞力為:式中: m汽車的質(zhì)量 ， w=mg規(guī)范中將車輛與護欄的剛度可理想化為線性彈簧，即碰撞力與時間的關(guān)系是正弦曲線。則護欄所受的最大碰撞力為: 按偽靜力法計算沖擊力，并考慮護欄橫向變形很小，傳遞給剛性護欄的沖擊力公式為p=ma式中m汽車的質(zhì)量，w汽車的重量，g重力加速度。上式所求的沖擊力是指沖撞事故的0.2到0.3秒持續(xù)時間的平均沖擊力，在沖撞過程中會出現(xiàn)峰值沖擊力，約為平均沖擊力的2到3倍。第三章 計算機仿真試驗3.1 計算機仿真概述 所謂仿真是指建立系統(tǒng)的動態(tài)模型并在模型上進行實驗，或者說仿真是對真實系統(tǒng)或過程在整個運行時間內(nèi)的模仿。因此，仿真可分為兩類，一類仿真采用的是物理仿真，它是以物理過程、幾何尺寸及環(huán)境條件相似為基礎(chǔ)的仿真。第二類采用的是數(shù)學(xué)模型，它是以綜合參量比例相似及信息傳遞規(guī)律相似為基礎(chǔ)的仿真物理仿真的優(yōu)點是形象、直觀，但模型制作費用高、周期長、修改模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)往往很困難。數(shù)學(xué)仿真的優(yōu)點是經(jīng)濟、方便、通用性強，但沒有物理仿真直觀。對簡單的數(shù)學(xué)模型進行研究，可以采用解析的方法，對于復(fù)雜的系統(tǒng)，往往要采用仿真的方法，即在計算機上構(gòu)成仿真模型，然后對這個模型進行試驗，計算機為數(shù)學(xué)模型的建立與仿真提供了較大的方便與靈活。由于下列原因需要應(yīng)用仿真技術(shù):(1) 對尚不存在的系統(tǒng)進行分析和預(yù)測；(2) 真實系統(tǒng)實驗時間太長、費用太大或危險性大；(3) 真實系統(tǒng)實驗會破壞系統(tǒng)的運行或使系統(tǒng)無法恢復(fù)；(4) 真實系統(tǒng)多次實驗時，難以保證每次的操作條件都相同。一個計算機仿真系統(tǒng)，主要包括以下三個部分:1. 系統(tǒng)模型建立是整個仿真系統(tǒng)的關(guān)鍵所在，系統(tǒng)模型的正確與否，將直接影響仿真的結(jié)果；2. 仿真模型建立的系統(tǒng)模型，還不能用于計算機求解，必須把它轉(zhuǎn)換成適宜于編程并能在計算機上運行的模型，即仿真模型；3. 結(jié)果顯示與分析，建立仿真模型進行仿真試驗后，需要把仿真結(jié)果以適當(dāng)?shù)姆绞捷敵?。通過對仿真結(jié)果的分析，可以確認系統(tǒng)模型的可靠性并取得試驗結(jié)果。3.2 有限元與ansys從1965年“有限元”這個名詞第一次出現(xiàn)，到今天有限元在工程上得到廣泛應(yīng)用，有限元經(jīng)歷了四十年的發(fā)展歷史，其理論和算法都已經(jīng)日趨完善。有限元的核心思想是結(jié)構(gòu)的離散化，就是將實際結(jié)構(gòu)假想地離散為有限數(shù)目的單元組合體，實際結(jié)構(gòu)的物理性能可以利用對離散體進行分析所得出的滿足工程精度的近似結(jié)果來代替，這樣，就可以解決很多實際工程需要解決而理論分析又無法解決的復(fù)雜問題。二十一世紀的一個重大變革是全球市場的統(tǒng)一，它使市場競爭更加激烈，產(chǎn)品更新更快。在這種背景下，cad(計算機輔助設(shè)計)技術(shù)得到迅速普及和極大發(fā)展。ansys軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國ansys開發(fā)，它能與多數(shù)cad軟件接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如pro/engineer, nastran, alogor, ideas, autocad等， 是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計中的高級cad工具之一。軟件主要包括三個部分：前處理模塊，分析計算模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了一個強大的實體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型；分析計算模塊包括結(jié)構(gòu)分析（可進行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動力學(xué)分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力；后處理模塊可將計算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部）等圖形方式顯示出來，也可將計算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。軟件提供了100種以上的單元類型，用來模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料。ansys軟件含有多種分析能力，包括簡單線性靜態(tài)分析和復(fù)雜非線性動態(tài)分析?？捎脕砬蠼Y(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場及碰撞等問題的解答。它包含了預(yù)處理、解題程序以及后處理和優(yōu)化等模塊，將有限元分析、計算機圖形學(xué)和優(yōu)化技術(shù)相結(jié)合，已成為解決現(xiàn)代工程學(xué)問題必不可少的有力工具。ansys公司是由美國匹茲堡大學(xué)力學(xué)系教授、有限元法的權(quán)威、著名的力學(xué)專家john swanson博士于1970年創(chuàng)建而發(fā)展起來的，其總部位于美國賓夕法尼亞洲的匹茲堡市，目前是世界cae行業(yè)最大的公司之一。ansys軟件的最初版本與今天的版本相比有很大的不同，最初版本僅僅提供了熱分析及線性結(jié)構(gòu)分析功能，而且是一個批處理程序，只能在大型計算機上使用。20世紀70年代初加入了非線性、子結(jié)構(gòu)等功能；20世紀70年代末，圖形技術(shù)和交互操作方式應(yīng)用到了ansys中，使得ansys的使用進入了一個全新的階段。經(jīng)過40年的發(fā)展，如今的ansys軟件更加趨于完善，功能更加強大，使用也更加方便。最新版本的推出增加了一些如模態(tài)綜合法、非線性診斷技術(shù)（專家系統(tǒng)）以及多物理場功能等，性能上有了很大的改進了提高。3.3 參數(shù)設(shè)定對福建廈漳、京石、濟青、京津塘、京沈、沈大、石太和京福高速德州-濟南段等多條高速公路進行車輛碰撞護欄的事故調(diào)查, 分析統(tǒng)計后發(fā)現(xiàn): 車輛超速嚴重, 尤其是小轎車, 甚至達到175km/ h；客車車速要大于貨車, 小型車高于大型車；按載人數(shù)量加權(quán)的大客車數(shù)量約為總通車量的三分之一, 在護欄設(shè)計時必須要重點加以考慮；車輛碰撞護欄角度大致服從正態(tài)分布n (1315 , 615),85 %保證率的碰撞角度為20.3。因此建議高速公路護欄結(jié)構(gòu)設(shè)計的條件為防護的車輛重量為18t , 初始碰撞角度為20度。護欄底部的75毫米垂直“槽”，只是為重鋪瀝青面層提供準線。跟撞擊75毫米高路緣石一樣，這個垂直槽對汽車的動態(tài)性能產(chǎn)生很小的影響。對于防撞護欄的斷面圖，關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)是從地面到坡度轉(zhuǎn)折點的距離，因為這決定了伸出多少部分受壓。對nj型護欄，距離是330毫米。對于長度大于6米的nj型護欄，推薦埋入土壤的深度：軟土為254毫米，硬土為102毫米；長度為六米的f型護欄為152毫米；長度大于或等于9米的f型護欄為102毫米；對于置于舊鋪面等硬基礎(chǔ)上的護欄，其底面鋪25毫米厚的瀝青層就可使9米長的護欄（nj型或f型）有足夠的穩(wěn)定性。在沖擊試驗中當(dāng)單列汽車撞擊混凝土護欄時，它朝護欄方向滾動，直到汽車車床底部到達護欄頂上才停止，這時車沿著護欄頂滑動，直到方向變?yōu)榇怪?。發(fā)生這種現(xiàn)象，護欄必須有一個最小的高度815mm。在沖擊試驗中， 要對“18輪”或掛車控制和改變行車方向，護欄最小高度應(yīng)為1070mm。集中力的作用點高度是由實車試驗確定的，一般在歐美各國對于大型車輛一般取0.7m，而對于小汽車一般取0.5m，根據(jù)我國大量車型調(diào)查，集中力的碰撞高度均取0.7m。根據(jù)實驗結(jié)果分析，可以認為在汽車沖撞過程中，護欄處于彈性范圍，其剛度按實驗結(jié)果確定取為3.010kn/m?；炷翉澙瓘姸?fcm=5.0 mpa，混凝土彎拉彈性模量ec=3104 mpa，混凝土的容重=0.002 4 kg/cm3，混凝土的線膨脹系數(shù)c=110-5/，混凝土的泊松比v=0.15。土體彈性模量試驗其最小值為144.29兆帕，最大值為194.17兆帕。ansys單元庫中有專門面向混凝土材料的solid65單元及concrete材料，它是在solid45單元上發(fā)展起來的。這種單元與普通8節(jié)點線彈性單元相比，除了具有特殊的開裂、壓碎性能以外基本類似。截面厚度按剪力設(shè)計確定，一般頂面寬度不應(yīng)小于150mm。各國均根據(jù)自己國家的道路條件、車型來確定。表3-1給出了一些國家的碰撞力設(shè)計標(biāo)準。表3-1 部分國家護欄碰撞力設(shè)計標(biāo)準國家碰撞車輛質(zhì)量（kg）碰撞速度（km/h）碰撞角度（度）碰撞力（kn）日國19609625784英國147011320784本文采用英國設(shè)計標(biāo)準，汽車質(zhì)量1470千克，碰撞速度v=113sin20=38.6km/h，設(shè)計標(biāo)準碰撞力為268kn。有限元分析時，假定材料為各向同性，鋼材的彈性模量e 值按如下采用：普通碳素鋼取2.0210mpa；不銹鋼和高強碳素鋼為（1.82.0）10mpa，高強鋼絲和鋼絞線取1.510mpa，泊松比取0.3。汽車模型彈性模量采用普通碳素鋼2.0210mpa，泊松比取0.3。雖然用于市場銷售的汽車也在努力實現(xiàn)輕量化，但是考慮到安全性和舒適性因素，一般汽車的重量超過1噸(1000kg)，體積 5.57立方米，密度263.9kg/m，在碰撞過程中考慮材料屈服，屈服應(yīng)力200mpa,切向模量設(shè)為50mpa。碰撞時間持續(xù)0.20.3秒。綜上所述，汽車與護欄各項具體參數(shù)設(shè)置如表3-2、表3-3所示：表3-2 汽車各項參數(shù)質(zhì)量碰撞速度碰撞力彈性模量泊松比1470kg38.6km/h268kn2.02mpa0.3密度屈服應(yīng)力切向模量持續(xù)時間體積263.9kg/m200mpa50mpa0.2秒5.57m表3-3 護欄各項參數(shù)集中力高度/厚度剛度彎拉強度彎拉彈性模量0.7米/0.15米3.0kn/m3mpa密度泊松比單元類型有效長度24000.15solid65,2米3.4 汽車運動及受力情況仿真模擬本模擬試驗采用ansys有限元分析，具體操作過程：建立有限元模型 由于在碰撞過程中，只有汽車前部接觸護欄，可忽略汽車實際形狀的影響，用長方體模型代表，具體參數(shù)為：長4471mm,寬1739mm,高717mm，體積5.57m，單元類型visco107,彈性模量、泊松比、密度、屈服應(yīng)力、切向模量和持續(xù)時間數(shù)據(jù)見表3-2。本模擬試驗對長方體模型采用影射網(wǎng)格劃分，單元邊緣線長度100，單元網(wǎng)格劃分見圖3-1。圖3-1 網(wǎng)格劃分材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖3-2：圖3-2 材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線施加載荷并求解選擇瞬態(tài)分析大應(yīng)變類型，碰撞速度為38.6km/h，碰撞結(jié)束時間為0.2秒，自動載荷步0.01秒，分20步計算。為了了解汽車的彈性應(yīng)變，可顯示碰撞后的等效應(yīng)力圖。圖3-3 等效應(yīng)力云圖3.5 混凝土護欄受力及變形情況仿真模擬汽車對護欄的沖撞作用實際上是一個集中動荷載在護欄上移動，由于護欄高度和其長度相比較小，故護欄受汽車碰撞力的影響范圍不會是護欄全長，而是集中力作用點的附近區(qū)域，于是可以假定，只有受集中力作用影響范圍內(nèi)的護欄區(qū)段參與受力，這樣，就可以把這個區(qū)段單獨取出來進行受力分析。進一步假定汽車的碰撞荷載為作用于該區(qū)段上的集中荷載,p為汽車對護欄的碰撞力，l為碰撞力對護欄的影響范圍。如圖3-4：圖3-4 護欄的懸臂梁計算模式最大碰撞力為f=268kn進行計算，試驗墻體最大橫向位移為0.537mm。建立護欄有限元模型建立f型護欄模型，具體各項數(shù)值見圖1-5，其中護欄頂面厚度不小于150mm，本試驗取頂面厚度為150mm。護欄為混凝土材料，模擬試驗采用針對混凝土的專用單元solid65,彈性模量、泊松比、材料密度等各參數(shù)見表3-3，護欄取有效作用長度2米，劃分網(wǎng)格單元線長度100mm，劃分結(jié)果圖3-5。圖3-5 護欄網(wǎng)格劃分圖施加載荷并求解采用簡化法計算結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)動力學(xué)響應(yīng)情況，主自由度ux，應(yīng)用于陡坡面,沖擊過程歷時0.2秒，護欄下端完全固定。本試驗分三個載荷步進行，載荷fx方向，大小268kn。側(cè)面受力正面受力圖,以表示 圖3-6 護欄約束及載荷圖 圖3-7 護欄應(yīng)力變形圖表3-8 護欄變形數(shù)值表時間101ux0.00000.000000.80000e-010.422958e-100.160000.118954e-090.200000.168674e-090.280000.135451e-090.360000.113554e-090.440000.123656e-090.520000.122707e-090.600000.119483e-090.680000.118398e-090.760000.112451e-090.840000.112860e-090.920000.104631e-091.00000.979565e-10 圖3-8 護欄變形曲線此曲線記載了從開始碰撞到1秒時間護欄的變形量。阻尼響應(yīng)分析考慮系統(tǒng)阻尼后的響應(yīng)如圖3-9所示，阻尼值0.01。圖3-9 101號節(jié)點阻尼uy-時間變化曲線3.6 不同速度質(zhì)量汽車碰撞試驗為了研究高速公路護欄在不同環(huán)境條件下的抗撞擊能力，本模擬試驗對多種不同質(zhì)量、不同速度的汽車碰撞進行了分析，并繪制成各種曲線以供參考。表3-9質(zhì)量kg速度m/s密度kg/m變形量(dmx)應(yīng)力mpa180010.72323.21.75118.7180011.1323.21.812122.9180013.9323.22.27153.9180016.7323.22.727184.9180019.4323.23.187199.9180022