彎道混凝土護欄碰撞特性的優(yōu)化設計

1、彎道混凝土護欄碰撞特性的優(yōu)化設計*雷正保1,彭作2,劉蘭3,侯石靜2( 1、長沙理工大學汽車與機械工程學院,湖南 長沙 410076;2、長沙理工大學道路災變防治及交通安全教育部工程研究中心,湖南 長沙 410076;3、長沙理工大學公路工程教育部重點實驗室,湖南 長沙 410076。摘要:平曲線半徑不足400米的彎道是交通事故率最高的路段,由于缺乏對彎道護欄的研究,人們不得不在彎道上長期使用直道護欄。要改變目前這種無論彎道、直道,均一律使用直道護欄的不合理現(xiàn)象,就必須獲得彎道半徑為400米時的混凝土護欄最佳尺寸參數。為此,本文以NJ型混凝土護欄尺寸參數為參考基礎,以防撞等級為SS級的護欄為研

2、究目標,以大型客車總質量為18t、碰撞速度為80km/h、碰撞角度為20°的碰撞條件為研究工況,基于eta/VPG 及Ls-dyna軟件平臺及“汽車-護欄-彎道”一體化車-路系統(tǒng)動力學模型,聯(lián)合應用正交試驗設計方法及動態(tài)顯式有限元方法,以客車后輪抬高量為考核指標,對控制彎道混凝土護欄截面形狀的6個設計變量,應用L25(56正交試驗表安排仿真試驗,借助SPSS統(tǒng)計軟件包,對仿真試驗結果進行了方差分析,找出了各因素對結果的影響程度,并據此確定了彎道混凝土護欄的最佳尺寸參數。對25組仿真試驗結果的分析發(fā)現(xiàn),大型客車撞擊彎道半徑為400米的混凝土護欄時,發(fā)生的彎道事故全是翻車事故,且主要表現(xiàn)

3、為客車翻越混凝土護欄而墜向護欄外側懸崖的事故模式。優(yōu)化設計結果表明,增加混凝土護欄的高度是抑制大型客車翻越護欄的重要途徑,合理的彎道混凝土護欄尺寸參數,可以將翻車事故控制在護欄內側,以避免重大惡性事故的發(fā)生,且控制彎道混凝土護欄截面形狀的6個設計變量對彎道事故的影響,存在如下優(yōu)先級關系:下斜坡高度>底部凸緣高度>上斜坡高度>頂部寬度>下斜坡寬度>上斜坡寬度,即高度的影響較寬度的影響要顯著,下斜坡高度的影響又較上斜坡高度的影響顯著。關鍵詞:交通工程,混凝土護欄,碰撞,正交試驗設計,方差分析,SPSS中圖分類號:U467.14文獻標識碼:AThe optimal de

4、sign of collision characteristic of curve-road concrete barrierLEI Zhengbao1,2,LIU Lan2,PENG Zuo3,HOU Shijing2ABSTRACT:The road with a Curve radius less than 400 meters has the highest rate of traffic*基金項目:國家863計劃項目(2006AA11Z224;湖南省交通科技計劃項目(200406、200640收稿日期:2008-6-23accidents, and we have to use th

5、e straight-road barrier on curve-road for the lack of research on curve -road barrier. To change this unreasonable situation, we must obtain the optimal parameters of concrete barrier with curve radius of 400 meters. Therefore, this paper takes barrier with safety grade of the SS into account base o

6、n the research of parameters of the NJ-concrete-barrier. The total mass of research bus model is 18 t, the collision speed is 80 km / h, and the collision angle is 20 °, based on the ETA / VPG and LS-DYNA software platform and " vehicle barrier curve-road" integration vehicle - road s

7、ystem dynamics model, the research use combination of orthogonal experimental design methods and dynamic explicit finite element method.The research sets the rear wheel elevation as criteria for the evaluation and creates six cross-section shape design variables.The application of L25(56 Orthogonal

8、table for simulation and the using of SPSS statistical package helps the variance analysis of simulation results, we find out the results of various factors on the degree of influence, then determine optimal parameters of concrete barrier. 25 Groups of the simulation results show that overturn accid

9、ent occurred to all when large bus collide concrete barrier with a radius of 400 meters, and then bus run out of concrete barrier and fall down to cliff outside of the barrier. The optimal design results showed that the increasing in height of the concrete barrier is a important way to protecting bu

10、s from running out of barrier, and a concrete barrier with reasonable parameters can control the overturn-accident occurs inside, then avoid the occurrence of major badly-damaged accidents. The six cross-section variables which determined the sharp of the barrier have impact on the accident, the exi

11、stence of priorities as following: height of lower slope> height of flange at the bottom > height on the upper slopes> top width> width of the lower slope > width of the upper slope, and the influence of height factors is greater than that of width, the height of lower slopes impact m

12、ore significantly than that of the upper.KEY-WORDS: traffic engineering;concrete barrier;impact;orthogonal design; analysis of variance; SPSS1引言我國交通事故死亡人數已連續(xù)1O余年居世界首位,設置合適的護欄是應對特、重大惡性交通事故的重要手段,且大多數高速公路及高等級公路已安裝了多種形式的護欄。遺憾的是,現(xiàn)有的護欄都是基于直線形道路研發(fā)的,對于彎道護欄的研究則很少,文獻1是所能查到的僅有的彎道護欄研究資料,但文獻1的研究主要是研究小轎車撞擊彎道護欄的情況

13、,可見,將直道護欄安裝在彎道上,究竟是否合適的問題,一直沒有一個明確的答案,現(xiàn)有護欄設計規(guī)范也未對這一問題做出有關解釋和說明。而我國的彎道公路占公路網比例很大,平均不到100米就有一個彎道,彎道還是重、特大事故的主要發(fā)源地,而彎道道路條件的改善是個龐大的工程,不僅需要投入大量的人力、物力、財力,更需要相當長的時間,顯然,與改善道路條件相比,開展對彎道護欄的深入研究則更切實際。2有限元模型文獻2對直道護欄的設計提出了明確的要求,對于危險彎道上的護欄,其防撞等級最高為SS級,此時,護欄需要滿足的碰撞條件為:質量為18t的大客車,以80km/h的速度撞擊護欄,撞擊護欄的角度為20度。這也是本文的碰撞

14、條件。2.1 基本要素根據公路工程技術標準,道路設計超高采用8%。調查表明:高速公路平曲線路段事故率與平曲線半徑存在著相關關系,平曲線半徑在4001000m時,交通事故率很高3,故本文將平曲線半徑取為400m。將客車作為剛體處理,且只考慮客車的外輪廓尺寸、質心高度、轉動慣量、車重等參數,不考慮詳細的零部件結構,客車參數如表1所示。表1 客車主要技術參數名稱 參數長×寬×高(mm 12000×2500×4000 輪距(前/后(mm2000/1800 前懸(mm 1500軸距(mm 6500后懸(mm 4000最小離地間隙(mm350 車輪半徑(mm 500

15、自重(kg 9120總重(kg 18000在客車前軸外側接地點處建立坐標系:X軸平行于客車縱向,Y軸平行于客車寬度方向,Z軸平行客車高度方向。則客車質心坐標:X C=3250mm、Y C=1250mm、Z C =1390mm;客車繞質心處各軸的轉動慣量:I ZZ=62586000、I yy=62586000、I xx=22897200。利用*AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE處理接觸界面,客車與地面之間的摩擦系數取0.7,客車與護欄之間的摩擦系數取0.2;利用*LOAD_BODY_Z施加重力荷載;護欄底部節(jié)點利用*BOUNDARY_SPC_SET進行固定;客車行駛速度則利

16、用*INITIAL_VELOCITY_GENERATION來施加;客車撞擊護欄時間取1.5s。2.2 網格模型4-6客車和道路采用第20號*MAT_RIGID剛體材料模型,客車材料參數:質量密度7.87kg/dm3、楊氏模量E=2.0×105Mpa、泊松比0.27;道路材料參數:質量密度2.5kg/dm3、楊氏模量E=3.5×104Mpa、泊松比0.25;網格劃分則用厚度1mm、法向2點積分的Belytschko-Tsay薄殼單元,單元尺寸均取為50mm,最小單元尺寸都控制在30mm以上,單元翹曲角25°,單元內角25。這樣建立的客車模型共包括115165個四邊形

17、單元、140個三角形單元、119757個節(jié)點;道路模型共含有73500個四邊形單元、9個三角形單元、74150個節(jié)點。護欄采用常應力彈性體單元及第96號材料模型*MAT_brittle_damage,此材料模型是專門用來模擬鋼筋混凝土的一種材料模型,它可以真實地模擬混凝土拉壓、剪切失效的各種狀態(tài)。護欄材料參數:質量密度2.5kg/dm3、楊氏模量E= 3.0×104Mpa、泊松比0.20、拉伸極限3Mpa、剪切極限14.5 Mpa、斷裂韌度14.9×10-3kg/mm2、粘性參數0.72Mpa/s、屈服應力29Mpa。3 護欄截面參數優(yōu)化本文選用正交試驗設計(Orthogo

18、nal experimental design方法來進行護欄截面參數優(yōu)化7-9。3.1 因素和水平混凝土護欄的截面形狀由6個變量控制,分別是下斜坡寬度A、底部凸緣高度B、下斜坡高度C、上斜坡寬度D、上斜坡高度E、頂部寬度F。由這6個變量的變化組合來控制整個護欄的總寬和總高(圖1。故將這6個變量作為正交設計的因素。參考NJ型直道護欄的尺寸參數,對每個變量取5個水平進行研究,因素水平見表2。根據因素和水平,本文選用正交表L 25(56 。根據彎道事故主要以車輛翻出護欄而墜下懸崖的形式出現(xiàn)的特點,選取車輛后輪抬高量作為正交設計的考核目標。表2 因素水平表(單位:mm 3.2 試驗結果及分析利用LS-

19、DYNA,在6臺Dell Precision 650 MT工作站上,根據表2所示因素水平表,依據正交表L 25(56提供的試驗組合,進行了25次仿真試驗,每組試驗的護欄截面尺寸參數及試驗結果見表3。表3 實驗結果(單位:mm圖1 正交設計的因素 23 325 65 200 50700 250 1296 96524 325 75 250 60400 300 1442 72525 325 80 300 70475 100 738 855從表3可見:第25組試驗結果相比較而言是較理想的(用粗線顯示。但是僅僅這樣分析是遠遠不夠的,為進一步弄清楚問題的實質,下面運用正交分析的直觀分析和方差分析方法對結果

20、進行處理,直觀分析結果見表4。表4 設計變量各水平對應的后輪抬高量均值 表4表明,各列的極差是不相等的,說明各因素的水平改變對試驗結果的影響程度是不相同的,極差越大,表示該因素的數值在試驗范圍內的變化,會導致試驗指標在數值上有更大的變化,所以極差最大的一列即為因素的水平對試驗結果影響最大的因素,也就是最主要的因素。于是,根據因素影響程度的主次來排列結果是:C>B>E>F>A>D,即因素對結果的影響主次程度為:下斜坡高度>底部凸緣高度>上斜坡高度>頂部寬度>下斜坡寬度>上斜坡寬度?？梢?高度的影響較寬度的影響要顯著,下斜坡高度的影響又較

21、上斜坡高度的影響顯著。表4還表明,各因素、水平的最優(yōu)組合為:A3B5C1D3E2F5,即A=225mm,B=80mm,C=150mm, D=70mm,E=475mm,F=300mm。由于這組搭配在正交表上沒有安排計算,這就說明,正交表列出的25組搭配不僅可以看到最佳的搭配結果,而且還可以推斷出可能更佳的搭配結果。為了驗證這種推斷,還需要對這組搭配進行仿真試驗。另外, 考慮到極差分析不能估計試驗中以及試驗結果測定中必然存在的誤差大小,不能精確地估計各因素對試驗結果影響的重要程度。為此,應用SPSS進行方差分析,以檢驗各因素水平對結果的顯著性。取顯著性水平=0.05,方差分析結果如表5所示,由于本

22、文的試驗采用了滿列設計方法,沒有空白列,所以誤差分析只能取相對誤差,將均方最小的因素對應的方差歸為誤差。表5 顯著性檢驗因素 偏差平方和 自由度 均方值 F比 F臨界值 顯著性A 298144.640 4 74536.16 2.387 6.390B 1018822.640 4 254705.66 8.157 6.390 *C 2009633.440 4 502408.36 16.089 6.390 *D 124908.640 4 31227.16 1.000 6.390E 363830.240 4 90957.56 2.913 6.390F 367744.290 4 91936.07 2.94

23、4 6.390誤差 124908.64 4 31227.16表5表明,下斜坡高度和底部凸緣高度這兩個變量為顯著變量,應該選擇其最好的水平,因為這兩個指標水平的變化會造成考核指標的顯著不同,而對于其他的4個變量,則可根據工程的需要來考慮其水平的選擇。4 最優(yōu)結果的仿真分析 為了證實上面的推斷結果，并找出最優(yōu) 解， 需對直觀分析的最優(yōu)組合A3B5C1D3E2F5， 即 A=225mm ， B=80mm ， C=150mm ， D=70mm ， E=475mm，F(xiàn)=300mm進行仿真試驗，圖2圖4 為客車高度變化的仿真結果。 可見，最優(yōu)組合A3B5C1D3E2F5并不能阻 圖 2 客車質心處高度變化

24、 止客車翻出護欄平面外，后車輪靠近護欄一 側最低點的抬升高度已達1400mm，明顯超過護欄的最大高度。圖5表明，客車翻越混凝土護 欄而飛向護欄外側空間。 圖 3 左右前輪最低點高度變化 圖 4 左右后輪最低點高度變化 圖5 客車翻越護欄 可見，最優(yōu)組合A3B5C1D3E2F5并不是最優(yōu)結果。此時，根據正交設計的一般原則，應 該從25組仿真試驗中選擇最優(yōu)結果。 上面的分析已經得出， 第25組仿真結果相比來講是最好 的，第25組的仿真結果見圖6圖9。 （a）客車頭部撞擊護欄 （b）客車尾部撞擊護欄 （c）t=1.5 秒時，客車在護欄內側已傾翻 圖 6 客車碰撞過程關鍵時刻狀態(tài) 6 圖 7 客車質心處高度變化 圖 8 左右前輪最低點高度變化 圖 9 左右后輪最低點高度變化 圖 6圖 9 表明，仿真結束時客車已經完全側翻，但客車沒有翻越護欄，而是在護欄內 側翻滾。從圖 9 可見，后車輪靠近護欄一側仿