工程力學(xué)專業(yè)畢業(yè)論文---汽車碰撞防撞護(hù)欄

1、<p><b>　　第一章 緒論</b></p><p><b>　　1.1 引言</b></p><p>　　隨著經(jīng)濟(jì)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(yùn)輸中所起的作用日益增強(qiáng)，而交通運(yùn)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(gè)世界性的大難題。</p><p>

2、;　　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(jì)，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(dá)62%以上。因此，在公路上設(shè)置合適的防撞護(hù)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。</p><p>　　護(hù)欄作為高等級(jí)公路上最重

3、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(yùn)輸?shù)慕?jīng)濟(jì)性與社會(huì)效益是不可或缺的。</p><p>　　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(jìn)行護(hù)欄——車輛碰撞的分析。該種方法不但具備一般計(jì)算機(jī)仿真試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)，而且該類軟件往往都具有強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)前后處理功能，可以模擬汽車

4、一半剛性護(hù)欄碰撞過程中的大量非線性因素，便于進(jìn)行數(shù)值分析。同時(shí)，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(shí)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(dòng)。</p><p>　　1.2 課題研究的背景和意義</p><p>　　汽車碰撞防撞護(hù)欄是一個(gè)復(fù)雜的過程(接觸面不規(guī)則、碰撞力作用點(diǎn)滑行、碰撞掃描中護(hù)欄參與作用的質(zhì)量不斷變化、汽車機(jī)構(gòu)在碰撞中轉(zhuǎn)向和剛度的不

5、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(jì)施工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTJ074-94)作為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對交通安全設(shè)施的設(shè)計(jì)和施工有重要的指導(dǎo)意義，但由于系統(tǒng)試驗(yàn)缺乏，參考的多為西方國家50年代的試驗(yàn)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(hù)欄方面，從計(jì)算模式、結(jié)構(gòu)計(jì)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(jì)數(shù)據(jù)，在設(shè)計(jì)條件、碰撞荷載確定、護(hù)欄結(jié)構(gòu)計(jì)算

6、等方面之間缺乏聯(lián)系。</p><p>　　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(gè)數(shù)據(jù)說明了路側(cè)環(huán)境在傷亡和嚴(yán)重事故中起了很重要的作用。美國的路側(cè)護(hù)欄設(shè)計(jì)認(rèn)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(hù)欄了。實(shí)際上由于公路用地及工程費(fèi)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(hù)欄以防護(hù)車輛駛出道路碰撞路側(cè)障礙物。</p&

7、gt;<p>　　本文就汽車碰撞混凝土防撞護(hù)欄的汽車碰撞力計(jì)算、護(hù)欄內(nèi)力分析及碰撞響應(yīng)的數(shù)值模擬進(jìn)行研究，為新型防撞護(hù)欄的設(shè)計(jì)提供了重要的理論依據(jù)。</p><p>　　1.3 護(hù)欄在國內(nèi)外的應(yīng)用及研究概況</p><p>　　剛開始建造高速公路時(shí)，護(hù)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(rèn)識(shí)到它對交通安全所起到的重要作用?，F(xiàn)在，防撞護(hù)欄

8、己成為高等級(jí)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(hù)柵設(shè)置綱要》，對防撞護(hù)欄的設(shè)置原則、方式和設(shè)計(jì)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(jì)標(biāo)準(zhǔn).如美國國家公路和交通局的《高速公路路邊設(shè)計(jì)指南》、《歐洲設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》等。</p><p>　　我國最早開始修建的高速公路是臺(tái)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

9、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(jì)(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(jìn)，縱橫交錯(cuò)的高速公路網(wǎng)己經(jīng)遍布全國，我國已經(jīng)進(jìn)人建設(shè)高等級(jí)公路的新時(shí)代.在已建成的高等級(jí)公路、城市快速路以及大型橋梁上，鋼筋混凝土防撞護(hù)欄大量使用，但由于我國當(dāng)時(shí)尚無防撞護(hù)欄設(shè)計(jì)規(guī)程，故其設(shè)計(jì)基本上是套用國外規(guī)范，且各

10、地所套用的規(guī)范不盡一致?，F(xiàn)行《高速公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)及施工技術(shù)規(guī)范》(JGJ074-94)，無疑對防撞護(hù)欄設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)研究數(shù)據(jù)，有不少規(guī)定尚有待進(jìn)一步實(shí)踐驗(yàn)證。</p><p>　　1.3.1 研究方法</p><p>　　國外三，四十年代就已對護(hù)欄有了專門性研究，西方國家對護(hù)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

11、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(hù)欄理論已經(jīng)不能適應(yīng)新時(shí)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(diǎn)，對護(hù)欄性能、計(jì)算分析、構(gòu)造措施都有新的定義。</p><p>　　汽車碰撞護(hù)欄是個(gè)復(fù)雜的過程，目前，各國主要采用以下三種研究手段:</p><p>　　1 實(shí)車足尺碰撞實(shí)驗(yàn)</p><

12、;p>　　實(shí)車足尺撞擊試驗(yàn)是用實(shí)際汽車沖撞護(hù)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(yùn)動(dòng)軌跡和運(yùn)動(dòng)姿態(tài)、汽車與護(hù)欄的變形和損傷特征以及碰撞沖擊力的數(shù)值等真實(shí)可信的技術(shù)參數(shù)，從而為安全可靠的護(hù)欄結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和驗(yàn)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)。現(xiàn)在，各國都把系統(tǒng)的實(shí)車撞擊試驗(yàn)作為對護(hù)欄研究的基本前提。</p><p>　　1962年，美國西部研究所進(jìn)行了一次40001b重的小汽

13、車以25度角、60km/h的速度碰撞鋼制護(hù)欄的試驗(yàn).此后歐、美各國進(jìn)行了大量的碰撞實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為碰撞中初始條件(汽車質(zhì)量、碰撞速度、碰撞角度)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響很大。</p><p>　　清華大學(xué)于1992年就擁有了汽車碰撞實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)裝置。同時(shí)，交通部公路交通試驗(yàn)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。我國進(jìn)行的四次

14、足尺試驗(yàn):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(hù)欄，以供合(肥)寧(南京)公路護(hù)欄設(shè)計(jì)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(shí)車沖擊鋼制波形梁護(hù)欄的實(shí)驗(yàn)，研究鋼制波形梁護(hù)欄的防撞性能，以編制相關(guān)部頒標(biāo)準(zhǔn)；1994年，上海市同濟(jì)大學(xué)實(shí)施了2輛實(shí)車沖擊混凝土墻式護(hù)欄的實(shí)驗(yàn)，為設(shè)計(jì)上海市內(nèi)環(huán)線高架橋護(hù)欄提供依據(jù)， 2001年北京深華達(dá)交通工程有限公司在開發(fā)橋梁

15、混凝土防撞護(hù)欄時(shí)進(jìn)行了8組實(shí)車碰撞實(shí)驗(yàn)。由于實(shí)車足尺碰撞實(shí)驗(yàn)耗費(fèi)高，每一次碰撞實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)應(yīng)用并不廣泛.計(jì)算機(jī)仿真模擬試驗(yàn)已經(jīng)被世界各國廣泛應(yīng)用于護(hù)欄研究領(lǐng)域，且取得了長足進(jìn)展，成為一種經(jīng)濟(jì)有效的實(shí)驗(yàn)手段。</p><p><b>　　2 縮尺模型試驗(yàn)</b></p><p>　　縮尺模型試驗(yàn)具有試驗(yàn)成本低、試驗(yàn)過

16、程易于控制、變換參數(shù)容易、可采用多組試件反復(fù)進(jìn)行等眾多優(yōu)點(diǎn)，是對護(hù)欄進(jìn)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(jì)有效的試驗(yàn)方法。當(dāng)然因?yàn)閹缀纬叨?、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(yàn)，一般被計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)所取代。</p><p><b>　　3 計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)</b></p><p>　　有限元數(shù)值分析的方法一種有效

17、而又快速經(jīng)濟(jì)的研究方法。國外已將這類軟件大量運(yùn)用于半剛性護(hù)欄的受力特征、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、護(hù)欄新材料的開發(fā)、護(hù)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(jì)效益，ANSYS有限元數(shù)值分析軟件便是其中之一。計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)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(fèi)，目前護(hù)欄研究一般用其進(jìn)行初步理論分析，再輔以實(shí)車實(shí)驗(yàn)來完成驗(yàn)證工作。</p><p>　　表1-1美國研究機(jī)構(gòu)開發(fā)的計(jì)算機(jī)仿真程序<

18、/p><p>　　我國對防撞護(hù)欄的理論研究起步較晚，到目前為止基本上都是運(yùn)用動(dòng)力學(xué)知識(shí)，通過簡化碰撞過程來建立仿真模型和動(dòng)力方程進(jìn)行數(shù)值模擬，而且由于缺少系統(tǒng)的實(shí)車碰撞試驗(yàn)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(xiàng)對“鋼制波形梁的防撞性能”進(jìn)行研究(限于當(dāng)時(shí)條件，未做過試驗(yàn))以及交通部兩次實(shí)車碰撞試驗(yàn)，基本上填補(bǔ)了我國在這方面的空白，文獻(xiàn)研究了不同類型的半剛性護(hù)欄，給出了模擬汽車碰撞半剛性護(hù)欄——波形

19、梁過程的數(shù)值方法，由于混凝土護(hù)欄屬于剛性護(hù)欄，其作用機(jī)理與半剛性護(hù)欄有著根本的不同，并不適用于混凝土護(hù)欄。同濟(jì)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(jì)算模型和跨中局部橋段計(jì)一算模型，進(jìn)行了汽車與平剛性護(hù)欄撞擊的彈性靜力分析、非線性靜力分析和動(dòng)力響應(yīng)分析，研究了護(hù)欄與汽車撞擊的瞬時(shí)特性。</p><p>　　1993年，同濟(jì)大學(xué)結(jié)構(gòu)工程學(xué)院的張譽(yù)教授及其領(lǐng)導(dǎo)的課題組開展了汽車撞

20、擊鋼筋混凝土護(hù)欄的計(jì)算機(jī)仿真研究，在他們的研究中鋼筋混凝土護(hù)欄被視為彈性變形體，并將汽車簡化為一個(gè)簡單的彈簧——質(zhì)量系統(tǒng)，利用機(jī)械振動(dòng)學(xué)方法及多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法，計(jì)算出碰撞過程中汽車對護(hù)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(yàn)值，所得結(jié)果誤差較大，只是與它們的一組實(shí)驗(yàn)值接近。</p><p>　　1.3.2 護(hù)欄分類與設(shè)計(jì)</p><p>

21、　　[護(hù)欄分類]安全護(hù)欄的形式按剛度的不同可分為柔性護(hù)欄、半剛性護(hù)欄和剛性護(hù)欄。1) 柔性護(hù)欄一般指纜索護(hù)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(shí)沒有壓迫感,但視線誘導(dǎo)較差,造價(jià)較高,一般不用。2) 半剛性護(hù)欄一般指梁式護(hù)欄,是一種用支柱固定的梁式結(jié)構(gòu),依靠護(hù)欄的彎曲變形和張拉力來抵抗車輛的碰撞。梁式護(hù)欄有許多種,應(yīng)用最廣泛的為波形梁護(hù)欄。具有一定的剛性和韌性,損壞后容易

22、更換,能誘導(dǎo)視線,外形美觀。3) 剛性護(hù)欄一般指鋼筋混凝土墻式護(hù)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(hù)欄安全性高,能有效防止二次事故,本身不易損壞,維修費(fèi)用低,但對車輛行駛有壓迫感,對車輛損壞較嚴(yán)重。與其它形式的護(hù)欄相比，混凝土護(hù)欄的保養(yǎng)成本最低。因?yàn)榻煌ㄊ鹿仕鸬幕炷磷o(hù)欄結(jié)構(gòu)損壞很小，主要為表面擦傷，只有個(gè)別情況為頂部斷裂，因此其維修成本也較低，與金屬護(hù)欄相比，維修成本為1比

23、13，而且事故率小，因此具有極大的優(yōu)越性。</p><p>　　[設(shè)計(jì)條件]高速公路上的安全護(hù)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(hù)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(hù)欄的地方設(shè)置護(hù)欄,反而成為新的障礙物,增加了事故危險(xiǎn)。因此,對安全護(hù)欄的設(shè)計(jì)首先要掌握護(hù)欄的特點(diǎn),結(jié)

24、合高速公路的交通條件,在滿足護(hù)欄基本功能的前提下,選用合適的護(hù)欄形式,并采取合理的設(shè)置原則。</p><p>　　[護(hù)欄形式選擇]最理想的護(hù)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(hù)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(hù)欄適合特別危險(xiǎn)的跨河大橋、懸崖等路段；波形護(hù)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

25、南省多條高速公路安全護(hù)欄設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),一般路段路側(cè)采用波形梁護(hù)欄,個(gè)別特別困難危險(xiǎn)路段采用混凝土護(hù)欄。</p><p>　　[截面形式] 鋼筋混凝土剛性防撞護(hù)欄，其截面形狀和幾何尺寸對充分發(fā)揮防撞護(hù)欄的作用有著至關(guān)重要的作用。隨著經(jīng)驗(yàn)的積累，護(hù)欄的截面形式不斷改進(jìn)。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(hù)欄，但這種形式的護(hù)欄使事故車輛與護(hù)欄相撞時(shí)的減加速度過大，對乘員和車輛的危害較大。

26、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(hù)欄。</p><p>　　圖1-1 圖1-2 圖1-3</p><p>　　但是這些截面都存在著與圖1-1截面相似的缺點(diǎn)。1955年，美國新澤西州開始尋求一種混凝土安全型護(hù)欄，并建成了20英里以上的護(hù)欄，其外型如圖1-4所示，這種外型的護(hù)欄現(xiàn)在被稱為“NJ型”(新澤西州型)。在這種“安全外

27、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(hù)欄會(huì)爬上550的斜面。當(dāng)撞擊的角度小，車速低時(shí)，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(shí)，這種能量吸收幾乎不起什么作用，護(hù)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(hù)欄平行行駛。1967年在加里佛尼亞所做的試驗(yàn)表明這種護(hù)欄設(shè)計(jì)能有效地使小于10度角撞擊護(hù)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(hù)欄

28、則不受損傷，但當(dāng)以103公里/小時(shí)的撞擊速度和25度角的撞擊角度進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，汽車的損傷是嚴(yán)重的，其程度與以同樣的速度、同樣的角度進(jìn)行試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)梁式護(hù)欄相似。這種形式的護(hù)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(jìn)型)截面的護(hù)欄(圖1-5)。另外常用的截面形式還有“GM型”(圖1-6</p><p>　　圖1-4（NJ型） 圖1-5（F型）

29、圖1-6（GM型）</p><p>　　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(hù)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(hù)欄的使用效果比較好。通用汽車型即GM型護(hù)欄，從地面到坡度轉(zhuǎn)折點(diǎn)的距離是330mm，這個(gè)較高的距離對二十世紀(jì)七十年代的小汽車有明顯的抬升。在沖擊試驗(yàn)中，這些小汽車撞擊GM型護(hù)欄后，變得不穩(wěn)定，想要翻倒，結(jié)果GM型被停止使用。在進(jìn)

30、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(hào)，計(jì)算機(jī)模擬發(fā)現(xiàn)標(biāo)號(hào)為G的結(jié)構(gòu)明顯好于NJ型。一系列真實(shí)的沖擊試驗(yàn)也證實(shí)了這個(gè)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?yàn)橹菡畬J型很滿意，而且NJ型也能滿足沖擊試驗(yàn)的要求。另外，承包商也不想改變，因?yàn)橥a(chǎn)NJ型相比，F(xiàn)型在斷面上比NJ型有大得多的投資。</p><p>　　如圖所示，NJ型和F

31、型斜面的坡度相同，主要不同在于坡度轉(zhuǎn)折點(diǎn)的位置。F型為180mm，比NJ型少75mm。較低的坡度轉(zhuǎn)折點(diǎn)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(hù)欄的性能。</p><p>　　混凝土護(hù)欄根據(jù)設(shè)計(jì)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(qiáng)度可配少量鋼筋。護(hù)欄基礎(chǔ)是保證護(hù)攔壽命, 充分發(fā)揮其作用的重要組成部分, 其與護(hù)攔連接采用兩種方式:( 1)

32、護(hù)欄嵌鎖在基礎(chǔ)中；(2) 通過傳力鋼筋與基礎(chǔ)相連。</p><p>　　[混凝土護(hù)欄的防撞機(jī)理]車輛與混凝土護(hù)欄的碰撞是一個(gè)很復(fù)雜的過程,現(xiàn)在以最常用的新澤西護(hù)欄為例來進(jìn)行說明。車輛與護(hù)欄接觸時(shí), 保險(xiǎn)杠與護(hù)欄接觸而受壓, 護(hù)欄的上坡面擠壓保險(xiǎn)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(huì)使之提升, 從而將汽車的動(dòng)能部分轉(zhuǎn)化為勢能。在這個(gè)過程中, 由剛體的動(dòng)量矩定理, 車體后部向護(hù)欄靠近, 使

33、車體導(dǎo)向。然后車平行護(hù)欄后沿護(hù)欄滑行, 再以一定角度脫離護(hù)欄。如果保險(xiǎn)杠強(qiáng)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(hù)欄幾乎平行時(shí)，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(hù)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(hù)欄主要由護(hù)欄自身吸收碰撞能量不同, 它通過能量的轉(zhuǎn)換達(dá)到減小汽車損害的目的, 這種護(hù)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(shí)護(hù)欄維修

34、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(hù)欄是當(dāng)前最好型式的混凝土護(hù)欄。</p><p>　　1.4 本文研究的主要內(nèi)容</p><p>　　本文針對混凝土護(hù)欄研究內(nèi)容包括以下兩個(gè)方面：理論碰撞力的計(jì)算；計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)。</p><p>　　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(jì)算式。<

35、;/p><p>　　2. 偽靜力法計(jì)算：我國采用的傳統(tǒng)計(jì)算方法，給出沖擊力的計(jì)算式。</p><p>　　3. 汽車撞擊分析：采用ANSYS計(jì)算機(jī)模擬汽車沖撞剛性墻的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。</p><p>　　4. 護(hù)欄受沖擊力響應(yīng)：ANSYS瞬態(tài)分析方法，得出護(hù)欄受沖擊響應(yīng)的一些重要數(shù)據(jù)。</p><p>　　第二章 理論碰撞力計(jì)算</p>

36、<p>　　2.1 汽車對固定端壁的正面碰撞理論</p><p>　　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(shí)車碰撞實(shí)驗(yàn)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(hù)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</p><p>　　圖2-1 汽車對固定墻壁正面碰撞的力

37、學(xué)模型</p><p>　　圖中m為汽車質(zhì)量，k為質(zhì)量可以忽略不計(jì)的彈簧系數(shù)。在這里認(rèn)為彈簧只有很少一點(diǎn)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(shí)，測出加在彈簧上的外力即可。彈簧系數(shù)的動(dòng)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(shí)測量質(zhì)

38、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(shí)，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</p><p><b>　　，</b></p><p>　　這里v是在碰撞過程中，對應(yīng)于時(shí)間t的速度，v0是碰撞前的車速，t是由碰撞開始算起的時(shí)間，a是減加速度，x是從碰撞開始點(diǎn)算起

39、的質(zhì)量m的位移量，也就是彈簧的變形。由上述計(jì)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(shí)間的關(guān)系，即可求出彈簧系數(shù)。</p><p>　　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(yàn)資料表明，由于碰撞引起車身做各種形式的振動(dòng)，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(gè)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

40、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(hào)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(qiáng)度，隨車身質(zhì)量成比例地增加。此外，在試驗(yàn)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)

41、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(dòng)能。根據(jù)試驗(yàn)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)。</p><p>　　因設(shè)彈簧為線性的，所以汽車在碰撞過程中的運(yùn)動(dòng)可通過較簡單的計(jì)算來求得。如將彈性恢復(fù)部分忽略不計(jì)，則運(yùn)動(dòng)方程示為: </p><p>　　設(shè)初始條件為t=0

42、時(shí)，x=0, ,解此運(yùn)動(dòng)方程為</p><p><b>　　，</b></p><p>　　這里，表示碰撞前的速度。</p><p><b>　　減加速度為：</b></p><p>　　將減加速度隨時(shí)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ω=20rad/s，又

43、根據(jù)可知，碰撞的延續(xù)時(shí)間0.08s,由401.8 m//m，可求得最大變形量和最大減加速度││為</p><p>　　=0.0143，││=</p><p>　　這里的單位為km/h,的單位為m，││單位則用g（9.8m/）表示，用實(shí)際的汽車做碰撞試驗(yàn)所得的結(jié)果與上式計(jì)算值相比基本是一致的，如圖2-3，圖2-4所示，試驗(yàn)結(jié)果包括了美國、日本和歐洲車所做的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。</p>&

44、lt;p>　　2.2 偽靜力法計(jì)算碰撞力</p><p>　　目前我國現(xiàn)行頒布行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)參考英國橋規(guī)，采用偽靜力法計(jì)算汽車沖擊荷載.根據(jù)汽車碰撞護(hù)欄的過程，及與護(hù)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(hù)欄滑行一段距離而終止的這一運(yùn)動(dòng)軌跡，擬定計(jì)算簡圖:</p><p>　　圖2-6 汽車碰撞護(hù)欄計(jì)算簡圖</p><p>

45、<b>　　其中：——車的重心</b></p><p>　　D——車輛重心到碰撞點(diǎn)的距離</p><p>　　2b——車的寬度 θ——碰撞角</p><p>　　——碰撞前后車輛的行駛速度</p><p>　　S——車輛從碰撞護(hù)欄到與護(hù)欄平行行駛時(shí)車輛質(zhì)心的橫向位移</p><p>　　△——

46、護(hù)欄受碰撞后沿x方向的變形</p><p>　　車輛質(zhì)心在橫向移動(dòng)的距離</p><p>　　s=D×sinθ+b×cosθ-b+△</p><p><b>　　引入以下基本假定:</b></p><p>　　1. 從車輛碰撞護(hù)欄到改變方向平行于護(hù)欄，車輛的縱向和橫向加速度不變，車輛改變方向平行于護(hù)欄

47、時(shí)，其橫向速度為零；</p><p>　　2. 車輛碰撞護(hù)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(diǎn)運(yùn)動(dòng)；</p><p>　　3. 車輛與護(hù)欄、車輪與道路的摩擦力忽略不計(jì)；</p><p>　　4. 剛性護(hù)欄變形為零，柔性護(hù)欄的變形Z>0。忽略 汽 車 與地面的摩擦作用及汽車與護(hù)欄的摩擦影響時(shí)，x方向僅有碰撞力PX作用，由運(yùn)動(dòng)學(xué)方程可知，車輛

48、行駛軌跡變化期間垂直于護(hù)欄的勻減加速度a為:</p><p>　　若考慮到剛性護(hù)欄橫向變形很小△=0，則傳遞各剛性護(hù)欄的碰撞力為:</p><p>　　式中: m——汽車的質(zhì)量 ， W=mg</p><p>　　規(guī)范中將車輛與護(hù)欄的剛度可理想化為線性彈簧，即碰撞力與時(shí)間的關(guān)系是正弦曲線。則護(hù)欄所受的最大碰撞力為:</p><p>　　按偽靜力

49、法計(jì)算沖擊力，并考慮護(hù)欄橫向變形很小，傳遞給剛性護(hù)欄的沖擊力公式為</p><p><b>　　P=m×a＝</b></p><p>　　式中m——汽車的質(zhì)量，</p><p><b>　　W——汽車的重量，</b></p><p><b>　　g——重力加速度。</b&g

50、t;</p><p>　　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(shí)間的平均沖擊力，在沖撞過程中會(huì)出現(xiàn)峰值沖擊力，約為平均沖擊力的2到3倍。</p><p>　　第三章 計(jì)算機(jī)仿真試驗(yàn)</p><p>　　3.1 計(jì)算機(jī)仿真概述 </p><p>　　所謂仿真是指建立系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型并在模型上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，或者說仿真是對真實(shí)系統(tǒng)或過程在

51、整個(gè)運(yùn)行時(shí)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(diǎn)是形象、直觀，但模型制作費(fèi)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(diǎn)是經(jīng)濟(jì)、方便、通用性強(qiáng)，但沒有物理仿真直觀。對簡單的數(shù)學(xué)模型進(jìn)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(jì)算機(jī)上構(gòu)

52、成仿真模型，然后對這個(gè)模型進(jìn)行試驗(yàn)，計(jì)算機(jī)為數(shù)學(xué)模型的建立與仿真提供了較大的方便與靈活。</p><p>　　由于下列原因需要應(yīng)用仿真技術(shù):</p><p>　　(1) 對尚不存在的系統(tǒng)進(jìn)行分析和預(yù)測；</p><p>　　(2) 真實(shí)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)時(shí)間太長、費(fèi)用太大或危險(xiǎn)性大；</p><p>　　(3) 真實(shí)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)會(huì)破壞系統(tǒng)的運(yùn)行或使系統(tǒng)無法

53、恢復(fù)；</p><p>　　(4) 真實(shí)系統(tǒng)多次實(shí)驗(yàn)時(shí)，難以保證每次的操作條件都相同。</p><p>　　一個(gè)計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，主要包括以下三個(gè)部分:</p><p>　　1. 系統(tǒng)模型建立是整個(gè)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；</p><p>　　2. 仿真模型建立的系統(tǒng)模型，還不能用于計(jì)算機(jī)求解，必須把它轉(zhuǎn)換

54、成適宜于編程并能在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的模型，即仿真模型；</p><p>　　3. 結(jié)果顯示與分析，建立仿真模型進(jìn)行仿真試驗(yàn)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(rèn)系統(tǒng)模型的可靠性并取得試驗(yàn)結(jié)果。</p><p>　　3.2 有限元與ANSYS</p><p>　　從1965年“有限元”這個(gè)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

55、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(shí)際結(jié)構(gòu)假想地離散為有限數(shù)目的單元組合體，實(shí)際結(jié)構(gòu)的物理性能可以利用對離散體進(jìn)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(shí)際工程需要解決而理論分析又無法解決的復(fù)雜問題。</p><p>　　二十一世紀(jì)的一個(gè)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(jì)算機(jī)輔助設(shè)

56、計(jì))技術(shù)得到迅速普及和極大發(fā)展。</p><p>　　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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, I－DEAS, AutoCAD等， 是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的高級(jí)CAD工具之一。軟件主要包括三個(gè)部分：前處理模塊，分

57、析計(jì)算模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)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(jì)算模塊包括結(jié)構(gòu)分析（可進(jìn)行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動(dòng)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(jì)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

58、示出來，也可將計(jì)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。</p><p>　　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(dòng)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(jì)算機(jī)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。</p&g

59、t;<p>　　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。</p><p>　　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(gè)批處理程序，只能在大型計(jì)算機(jī)上使用。20世紀(jì)70年

60、代初加入了非線性、子結(jié)構(gòu)等功能；20世紀(jì)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(jìn)入了一個(gè)全新的階段。</p><p>　　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(qiáng)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(jìn)了提高。</p><p><b>　

61、　3.3 參數(shù)設(shè)定</b></p><p>　　對福建廈漳、京石、濟(jì)青、京津塘、京沈、沈大、石太和京福高速德州-濟(jì)南段等多條高速公路進(jìn)行車輛碰撞護(hù)欄的事故調(diào)查, 分析統(tǒng)計(jì)后發(fā)現(xiàn): 車輛超速嚴(yán)重, 尤其是小轎車, 甚至達(dá)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(hù)欄設(shè)計(jì)時(shí)必須要重點(diǎn)加以考慮；車輛碰撞護(hù)欄角度大致服從正態(tài)分布N (1

62、315 , 615),85 %保證率的碰撞角度為20.3°。因此建議高速公路護(hù)欄結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的條件為防護(hù)的車輛重量為18t , 初始碰撞角度為20度。</p><p>　　護(hù)欄底部的75毫米垂直“槽”，只是為重鋪瀝青面層提供準(zhǔn)線。跟撞擊75毫米高路緣石一樣，這個(gè)垂直槽對汽車的動(dòng)態(tài)性能產(chǎn)生很小的影響。對于防撞護(hù)欄的斷面圖，關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)是從地面到坡度轉(zhuǎn)折點(diǎn)的距離，因?yàn)檫@決定了伸出多少部分受壓。對NJ型護(hù)欄，距離

63、是330毫米。對于長度大于6米的NJ型護(hù)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(hù)欄為152毫米；長度大于或等于9米的F型護(hù)欄為102毫米；對于置于舊鋪面等硬基礎(chǔ)上的護(hù)欄，其底面鋪25毫米厚的瀝青層就可使9米長的護(hù)欄（NJ型或F型）有足夠的穩(wěn)定性。</p><p>　　在沖擊試驗(yàn)中當(dāng)單列汽車撞擊混凝土護(hù)欄時(shí)，它朝護(hù)欄方向滾動(dòng)，直到汽車車床底部到達(dá)護(hù)欄頂上才停止，這時(shí)車沿著護(hù)欄頂

64、滑動(dòng)，直到方向變?yōu)榇怪?。發(fā)生這種現(xiàn)象，護(hù)欄必須有一個(gè)最小的高度815mm。在沖擊試驗(yàn)中， 要對“18輪”或掛車控制和改變行車方向，護(hù)欄最小高度應(yīng)為1070mm。</p><p>　　集中力的作用點(diǎn)高度是由實(shí)車試驗(yàn)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。</p><p>　　根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，可以認(rèn)為在

65、汽車沖撞過程中，護(hù)欄處于彈性范圍，其剛度按實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定取為3.0×10KN/M。混凝土彎拉強(qiáng)度 fcm=5.0 MPa，混凝土彎拉彈性模量Ec=3×104 MPa，混凝土的容重ρ=0.002 4 kg/cm3，混凝土的線膨脹系數(shù)αc=1×10-5/℃，混凝土的泊松比v=0.15。土體彈性模量試驗(yàn)其最小值為144.29兆帕，最大值為194.17兆帕。</p><p>　　ANSYS單元

66、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(diǎn)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(jì)確定，一般頂面寬度不應(yīng)小于150mm。</p><p>　　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(jì)標(biāo)準(zhǔn)。</p><p>　　表3-1 部分國家護(hù)欄碰撞

67、力設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)</p><p>　　本文采用英國設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，汽車質(zhì)量1470千克，碰撞速度v=113×sin20=38.6km/h，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)碰撞力為268kN。</p><p>　　有限元分析時(shí)，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2.02×10MPa；不銹鋼和高強(qiáng)碳素鋼為（1.8～2.0）×10MPa，高強(qiáng)鋼絲和鋼絞線取1.5×

68、;10MPa，泊松比取0.3。汽車模型彈性模量采用普通碳素鋼2.02×10MPa，泊松比取0.3。雖然用于市場銷售的汽車也在努力實(shí)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(shí)間持續(xù)0.2—0.3秒。</p><p>　　綜上所述，汽車與護(hù)欄各項(xiàng)具

69、體參數(shù)設(shè)置如表3-2、表3-3所示：</p><p>　　表3-2 汽車各項(xiàng)參數(shù)</p><p>　　表3-3 護(hù)欄各項(xiàng)參數(shù)</p><p>　　3.4 汽車運(yùn)動(dòng)及受力情況仿真模擬</p><p>　　本模擬試驗(yàn)采用ANSYS有限元分析，具體操作過程：</p><p>　　[建立有限元模型] 由于在碰撞過程中，只

70、有汽車前部接觸護(hù)欄，可忽略汽車實(shí)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(shí)間數(shù)據(jù)見表3-2。</p><p>　　本模擬試驗(yàn)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。</p><p>　　圖3-1 網(wǎng)格劃分</

71、p><p>　　材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖3-2：</p><p>　　圖3-2 材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線</p><p>　　[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(shí)間為0.2秒，自動(dòng)載荷步0.01秒，分20步計(jì)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。</p><p>　　圖3-3 等效應(yīng)力云圖

72、</p><p>　　3.5 混凝土護(hù)欄受力及變形情況仿真模擬</p><p>　　汽車對護(hù)欄的沖撞作用實(shí)際上是一個(gè)集中動(dòng)荷載在護(hù)欄上移動(dòng)，由于護(hù)欄高度和其長度相比較小，故護(hù)欄受汽車碰撞力的影響范圍不會(huì)是護(hù)欄全長，而是集中力作用點(diǎn)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(hù)欄區(qū)段參與受力，這樣，就可以把這個(gè)區(qū)段單獨(dú)取出來進(jìn)行受力分析。進(jìn)一步假定汽車的碰撞荷載為作用于該區(qū)段上的集

73、中荷載,P為汽車對護(hù)欄的碰撞力，L為碰撞力對護(hù)欄的影響范圍。如圖3-4：</p><p>　　圖3-4 護(hù)欄的懸臂梁計(jì)算模式</p><p>　　最大碰撞力為F=268kN進(jìn)行計(jì)算，試驗(yàn)墻體最大橫向位移為0.537mm。</p><p>　　[建立護(hù)欄有限元模型]建立F型護(hù)欄模型，具體各項(xiàng)數(shù)值見圖1-5，其中護(hù)欄頂面厚度不小于150mm，本試驗(yàn)取頂面厚度為150mm

74、。護(hù)欄為混凝土材料，模擬試驗(yàn)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(hù)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。</p><p>　　圖3-5 護(hù)欄網(wǎng)格劃分圖</p><p>　　[施加載荷并求解]采用簡化法計(jì)算結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)動(dòng)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(shí)0.2秒，護(hù)欄下端完全固定。本試驗(yàn)分三個(gè)

75、載荷步進(jìn)行，載荷FX方向，大小268kN。</p><p>　　圖3-6 護(hù)欄約束及載荷圖</p><p>　　圖3-7 護(hù)欄應(yīng)力變形圖</p><p>　　表3-8 護(hù)欄變形數(shù)值表</p><p>　　圖3-8 護(hù)欄變形曲線</p><p>　　此曲線記載了從開始碰撞到1秒時(shí)間護(hù)欄的變形量。</p>

76、<p>　　[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。</p><p>　　圖3-9 101號(hào)節(jié)點(diǎn)阻尼UY-時(shí)間變化曲線</p><p>　　3.6 不同速度質(zhì)量汽車碰撞試驗(yàn)</p><p>　　為了研究高速公路護(hù)欄在不同環(huán)境條件下的抗撞擊能力，本模擬試驗(yàn)對多種不同質(zhì)量、不同速度的汽車碰撞進(jìn)行了分析，并繪制成各種曲線以供參考。&l

77、t;/p><p><b>　　表3-9</b></p><p>　　汽車質(zhì)量固定為1800kg,密度323.2 kg/m，描繪碰撞力-速度曲線如圖3-10，變形-速度曲線如圖3-11。</p><p>　　圖3-10 速度-應(yīng)力曲線</p><p>　　圖3-11 速度-變形曲線</p><p>　　

78、汽車質(zhì)量固定時(shí)，最大最小應(yīng)力圖如下：</p><p>　　圖3-12 最大最小應(yīng)力云圖</p><p>　　圖3-13 最大最小應(yīng)力等值線圖</p><p><b>　　表3-10</b></p><p>　　汽車速度固定為19.4m/s,質(zhì)量和密度變化，描繪質(zhì)量-應(yīng)力曲線如圖3-12，質(zhì)量-變形曲線如圖3-13。<

79、;/p><p>　　圖3-14 質(zhì)量-應(yīng)力曲線</p><p>　　圖3-15 質(zhì)量-變形曲線</p><p>　　汽車速度固定時(shí)，最大最小應(yīng)力圖如下：</p><p>　　圖3-16 最大最小應(yīng)力云圖</p><p>　　圖3-17 最大最小應(yīng)力等值線圖</p><p><b>　　第四

80、章 結(jié)語</b></p><p>　　隨著交通運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展，人們對交通安全問題愈加重視，國內(nèi)外實(shí)踐表明，防撞護(hù)欄對保障交通安全具有重要的意義，但是由于我國缺乏資金用于防撞護(hù)欄的系統(tǒng)研究，防撞護(hù)欄的設(shè)計(jì)基本照搬國外八十年代以前的研究成果.特別是鋼筋混凝土防撞護(hù)欄。</p><p>　　本文在以往護(hù)欄研究的基礎(chǔ)上主要做了以下工作：</p><p>　　1、將

81、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(jì)算式。</p><p>　　2、采用的傳統(tǒng)計(jì)算方法，給出沖擊力的計(jì)算式。</p><p>　　3、汽車撞擊分析：采用ANSYS計(jì)算機(jī)模擬汽車沖撞剛性墻的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。</p><p>　　4、護(hù)欄受沖擊力響應(yīng)：ANSYS瞬態(tài)分析方法，得出護(hù)欄受沖擊響應(yīng)的一些重要數(shù)據(jù)。</p><p>　

82、　通過計(jì)算機(jī)仿真研究，總結(jié)如下：</p><p>　　1、計(jì)算碰撞力的偽靜力法，采用國外五六十年代研究成果，計(jì)算結(jié)果誤差很大，無法應(yīng)用到護(hù)欄的設(shè)計(jì)中。</p><p>　　2、對防撞護(hù)欄進(jìn)行數(shù)值仿真分析，力學(xué)模型越復(fù)雜，合理選擇參數(shù)越困難，結(jié)果有可能與實(shí)際相差較多，而采用一定簡化模型，只要參數(shù)選取得當(dāng)同樣可以得到較好的效果。</p><p>　　3、隨著汽車質(zhì)量、碰

83、撞速度的變化，應(yīng)力變化顯著，根據(jù)不同的交通狀況確定護(hù)欄的各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)。F型護(hù)欄的側(cè)面形狀設(shè)計(jì)已經(jīng)通過實(shí)車碰撞試驗(yàn)論證其合理性，根據(jù)不同碰撞力大小合理確定護(hù)欄頂面厚度。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 姚啟明.汽車碰撞混凝土護(hù)欄的碰撞力計(jì)算及數(shù)值模擬</p><p>　　[2] 石紅星.車——混凝土護(hù)欄碰

84、撞基本原理與沖擊力計(jì)算</p><p>　　[3] 趙鳴.汽車沖撞鋼筋混凝土護(hù)欄系統(tǒng)的力學(xué)模型及仿真計(jì)算</p><p>　　[4] 呂偉民.車輛碰撞混凝土護(hù)欄的數(shù)值模擬與應(yīng)用</p><p>　　[5] 韓成杰.混凝土護(hù)欄的基礎(chǔ)知識(shí)</p><p>　　[6] 閻小平.汽車沖擊防撞護(hù)欄運(yùn)動(dòng)響應(yīng)計(jì)算機(jī)仿真</p><p&g

85、t;　　[7] 張譽(yù).汽車沖撞剛性護(hù)欄沖擊力的計(jì)算</p><p>　　[8] 趙文華.水泥混凝土安全護(hù)欄</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　本文是在xxx老師的精心指導(dǎo)下完成的，xxx知識(shí)淵博，工程經(jīng)驗(yàn)豐富，治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)。在研究期間和論文寫作過程中，x老師對我諄諄教誨，關(guān)懷無微不至。在論文寫作過程中，我了解了科學(xué)研究的

86、方法、過程，使我邁出了做科研的第一步，為以后研究生階段的學(xué)習(xí)研究打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，使我終身受用不盡，在此謹(jǐn)向x老師致以最真摯的謝意！</p><p>　　在課題研究及論文寫作過程中，我得到了xxx等同學(xué)的熱心幫助，在此致以誠摯的謝意！</p><p>　　感謝xxxxx大學(xué)工程力學(xué)系為課題研究及論文寫作提供良好的科研環(huán)境與各種軟硬件資源！</p><p>　　感謝x