高速公路護欄碰撞過程分析與力學(xué)模型

1、:www.paper.1高速公路護欄碰撞過程分析與力學(xué)模型高速公路護欄碰撞過程分析與力學(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)計資料出發(fā)，分析了汽車與高速公路護欄事故在交通事故中的比例與發(fā)展趨勢，提出護欄碰撞研究。對護欄碰撞進行儀器，過程方面的介紹，并進行了力學(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62%以上我國每年有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。于是，為保障高速公路交通安全必須采取一定的防護設(shè)施，而設(shè)置防撞護欄是最切實有效的措施之一。汽車與高速公路護欄碰撞是極其復(fù)雜的事情，事故發(fā)生時，汽車的速度通常很高，事故非常劇烈，從而導(dǎo)致材料和部件的嚴重

3、失效和汽車的改向[2]。由于汽車碰撞護欄的過程極其復(fù)雜，評估護欄的安全性能也將是一非常復(fù)雜的問題。目前采用的方法主要有實驗研究和數(shù)值計算兩大類[3][4]。高速公路護欄作為一種被動沖擊結(jié)構(gòu)其受力狀態(tài)、變形過程和能量吸收的作用過程極其復(fù)雜它同時負擔(dān)能量吸收和非破斷保護兩種角色因此國外對其進行了廣泛的研究分析研究汽車與高速公路護欄碰撞過程中汽車與乘員的動態(tài)響應(yīng)和護欄的特性，從而提出了改善高速公路交通安全的汽車、護欄的設(shè)計措施。在國內(nèi)，199

4、6年，周志斌等提出了汽車與護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欄碰撞系統(tǒng)作為一個完整耦合的大系統(tǒng)來研究半剛性護欄防撞機理的理念；2004年，黃洪武等研究發(fā)現(xiàn)通過減小摩擦力以及改變護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欄對乘員的保護能力；2006年，周煒等通過實車碰撞試驗研究車輛、護欄碰撞中的動態(tài)響應(yīng)分析護欄、汽車和乘員的特性以及相互關(guān)系護欄的不同結(jié)構(gòu)形式與安裝方式對乘

5、員的安全性的影響[5]。1.碰撞過程分析碰撞過程分析在分析中把護欄與汽車作為一個連續(xù)系統(tǒng)來考慮，在計算過程中計入護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，但考慮到碰撞過程中車體前部局部變形，以無質(zhì)量的塑性彈簧系數(shù)2K(只有壓縮變形抗力而無恢復(fù)力的假想彈簧)表征其變形特征；(2)護欄作為單自由度體系用彈簧系數(shù)k1反映護欄變形特征；(3)不考慮碰撞過程中護欄的阻尼作用；(4)基于沖擊力影響范圍有限護欄近似作為一

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

7、欄實際橫截面面積作為護欄體積，按此計算作為單自由度體系護欄的質(zhì)量1m，2m為由汽車本身與貨物重量之和計算的質(zhì)量。1k值與護欄受沖撞作用的有效范圍有關(guān)，試驗表明護欄在汽車沖撞時處于彈性范圍.對于不同的鋼筋混凝土護欄，1k取值不同根據(jù)試驗取mN1038。2k為汽車車身前部與護欄碰撞時，模擬其變形的彈簧稀疏。國外用各種型號汽車正面碰撞護欄的試驗表明，汽車車身前部抵抗變形的強度與車身質(zhì)量成比例增加在試驗車速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，考慮到實際沖擊角度的影響，參考國外試驗研究成果，2k值按下式計算：()mkθ140.0θ0491.022=式中，θ為汽車沖撞護欄的角度，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分別為護欄與汽車的自振頻率。2211211ωkkkmB???=，2212212ωk