据统计，高速公路交通事故占全部交通事故的55%[1]，其中30%为车辆与护栏碰撞后进入对向车道或翻落桥梁，且碰撞后护栏发生脆性断裂。单一形式护栏已不能有效防止极端碰撞事故，护栏碰撞性能研究具有重要的意义[2-4]。本文提出一种组合式护栏的结构，采用显示动力分析软件对组合式护栏进行车辆碰撞仿真分析。以中型客车为试验车辆，进行1个常规工况和3个极端工况的仿真碰撞试验，以国际通用的三项评估方法对试验结果进行评估。1组合式护栏结构设计本文以市场上研发的一种新型组合式桥用防撞护栏为分析对象。该护栏系统由位于路缘石上的波形梁护栏和其后的人行盖板组合而成，可进行高位防护，防止重心较高的车辆冲出护栏外。波形梁护栏具有一定的变形能力，可缓冲小型车辆的撞击。2仿真模型采用显示动力分析软件AnsysLS-DYNA进行仿真计算。使用CAD进行护栏和车辆3D建模，将模型导入Ansys软件中进行材料赋予、网格划分、定义接触、边界条件、定义求解时间及输出文件，提交到LS-DYNA进行计算，采用LS-PrePost查看结果。混凝土护栏主要有HJ型和F型，本文选用F型进行模拟。混凝土护栏使用Solid实体单元，波形梁板使用Shell163壳单元，使用算法默认为Belytschko-Tsay公式，壳单元厚度均超过1.5 mm。实验车型为通用7.85 m长载客汽车，轴距4 220 mm，前悬长度1 350 mm，后悬长度2 280 mm。使用Solid164实体单元进行建模，采用全积分S/R实体单元公式，单元采用了选择性缩减积分，是常压力单元。骨架部分为主要受力部件，根据汽车碰撞标准和规范，在碰撞区域划分10~15 mm网格大小的单元，非碰撞区域扩大到25 mm网格大小本文网格划分采用单元尺寸为20 mm的映射均匀划分，底盘、轮轴、轮胎采用30 mm的映射均匀划分，在能量吸收区域采用规则的网格划分。组合式护栏有限元模型如图1所示。中型客车有限元模型如图2所示。10.19301/j.cnki.zncs.2024.04.005.F001图1组合式护栏有限元模型10.19301/j.cnki.zncs.2024.04.005.F002图2中型客车有限元模型在有限元模拟计算中，材料类型的选择十分重要，直接影响模拟结果的正确性和准确性。在车辆与护栏碰撞过程中，碰撞中的能量主要由护栏和其他结构的弹塑性变形吸收，在这个过程中护栏会发生明显的屈曲和局部塑性变形，所以选择材料时必须考虑其应变响应[5]。因此，护栏选择随动塑性硬化材料作为材料本构模型[6]。σy=1+εc1pσ0+βEpεpeff （1）Ep=EtanEE-Etan （2）式中：σy——屈服应力；σ0——初始屈服应力；ε——应变率；c、p——Cowper Symonds应变率参数；β——硬化参数；Etan——切线模量；E——弹性模量；Ep——塑性硬化模量。车梁构件在碰撞过程中，对于非主要的承力构件（如车身外壳）及不允许发生变形的构件（如底盘、轮轴），其材料属性均使用Ansys中的刚性材质进行模拟。混凝土材料选用C30混凝土，波形护栏材料选用Q235钢。公路护栏材料参数如表1所示。10.19301/j.cnki.zncs.2024.04.005.T001表1公路护栏材料参数混凝土与钢筋等级C30Q235弹性模量/MPa30 000203 000切线模量/MPa12 0006 100密度/（kg/m3）2 5007 850屈服强度/MPa30235泊松比0.20.3车辆和护栏的接触定义为Ansys/LS-DYNA中的Auto-matic Surface to Surface接触，车辆本身的接触定义为刚性点焊连接，接触阻尼一般设置为20，静摩擦系数取0.2，动态摩擦系数取0.1。波形护栏各部件之间接触定义为Tied/shel-Surface to Surface接触，采用质量缩放控制法进行求解控制，一般增加的质量不允许超过总质量的5%。3碰撞的模拟仿真与结果分析3.1碰撞条件此次仿真的碰撞测试可以验证组合护栏式防撞体系在常规路况下的防撞性能，也可以考虑更为极端的碰撞条件。以中型客车为试验车型，工况一为一般工况，工况二、工况三和工况四为危险性更大的极端碰撞，以60 km/h通用设计速度作为一般情况考虑，80 km/h为模拟的高速碰撞工况试验速度。实车碰撞试验的仿真试验方案如表2所示。10.19301/j.cnki.zncs.2024.04.005.T002表2实车碰撞试验的仿真试验方案工况碰撞角度/（°）碰撞速度/（km/h）试验次数一20601二50601三50801四806013.2碰撞结果分析在工况一的碰撞分析中，碰撞后护栏的最大横向动态变形值为543 mm。车辆顺利导出后，行驶姿态正常，无侧翻现象，车轮轨迹满足导向驶出要求。在碰撞角度为20°、碰撞速度60 km/h的碰撞条件下，中型客车行驶姿态正常，车辆轨迹满足导向驶出框要求，组合式护栏防撞体系的碰撞结果满足检验要求。工况一护栏动态变形量如图3所示。工况一客车运动轨迹如图4所示。10.19301/j.cnki.zncs.2024.04.005.F003图3工况一护栏动态变形量10.19301/j.cnki.zncs.2024.04.005.F004图4工况一客车运动轨迹在工况二的碰撞分析中，碰撞后护栏的最大横向动态变形值739 mm，车辆被护栏和路缘石阻挡停住，没有发生侧翻现象。在碰撞角度为50°、碰撞速度60 km/h碰撞分析中，碰撞后车辆被护栏和路缘石阻挡停靠，没有翻车现象，组合护栏式防撞体系在工况二的碰撞分析中具有较好的防护表现。工况二护栏动态变形量如图5所示。工况二客车运动轨迹如图6所示。10.19301/j.cnki.zncs.2024.04.005.F005图5工况二护栏动态变形量10.19301/j.cnki.zncs.2024.04.005.F006图6工况二客车运动轨迹在工况三的碰撞分析中，碰撞后护栏最大横向动态变形值为739 mm，车辆与护栏碰撞后侧倾角度较大，导致车辆侧翻，在动能降为0后被F型混凝土护栏阻挡，车辆呈倾斜姿态。在碰撞角度为50°、碰撞速度80 km/h的碰撞分析中，车辆与护栏碰撞后发生翻车现象，动能降为0时，车辆倚靠在外侧混凝土护栏上，组合护栏式防撞体系在碰撞中能够在最大程度上减少成员的伤害。工况三护栏动态变形量如图7所示。工况三客车运动轨迹如图8所示。10.19301/j.cnki.zncs.2024.04.005.F007图7工况三护栏动态变形量10.19301/j.cnki.zncs.2024.04.005.F008图8工况三客车运动轨迹在工况四的碰撞分析中，碰撞后护栏的最大横向动态变形值为770 mm，车辆则被护栏和路缘石阻挡停靠，未发生翻车现象。在碰撞角度为80°、碰撞速度60 km/h的碰撞条件下，车辆碰撞后被波形护栏和路缘石阻挡停靠，未发生翻车现象。在工况四碰撞仿真分析中组合护栏式防撞体系具有较好的防护表现。工况四护栏动态变形量如图9所示。工况四客车运动轨迹如图10所示。10.19301/j.cnki.zncs.2024.04.005.F009图9工况四护栏动态变形量10.19301/j.cnki.zncs.2024.04.005.F010图10工况四客车运动轨迹4结语组合护栏式防撞体系在4组碰撞试验中表现出了优越的防撞性能，能够有效降低碰撞中成员所受到的伤害，降低碰撞事故中的死亡率。