摩擦系数对护栏功能影响分析

摘要：以车辆与波形梁护栏之间的摩擦系数为切入点，采用计算机仿真模拟方法建立三维有限元模型，分析在不同摩擦系数条件下护栏各项功能所受到的影响。分析表明，随着摩擦系数增大，护栏对车辆的减速缓冲作用有所增强，但是护栏的导向功能、阻拦功能均有不同程度的降低，使得出现二次事故、恶性事故的几率大大增加。因此在实践中建议尽量采用摩擦系数较小的护栏材料并加强施工管理。

关键词：波形护栏；摩擦系数；撞击；有限元分析

中图分类号：U417.1 文献标志码：B

Abstract： Beginning with the friction coefficient between the vehicles and W-beam guardrails， a three-dimensional finite element model was built to study the impact of friction coefficient on guardrails functions. According to the analysis， with the increase of friction coefficient， the function of guardrail as a buffer is enhanced， while the navigation and blocking functions is weakened. Therefore， guardrails with minor friction coefficient are recommended.

Key words： W-beam guardrail； friction coefficient； impact； finite element analysis

0 引 言

随着中国交通运输行业的飞速发展，交通安全成为全社会日益关注的热点，如何有效地解决交通安全问题已成为摆在交通行业从业人员面前的难题。护栏作为一种重要的交通安全设施已经广泛地被应用于各等级公路中，在防止恶通事故方面发挥了非常重要的作用。护栏具有阻挡碰撞车辆穿越、翻越、骑跨的阻挡功能；能够提供有效降低对碰撞车辆和车内乘员损害程度的缓冲功能；能够使碰撞车辆向行车方向顺利导出并恢复运行状态的导向功能[1]。另外，护栏还具有一定的视线诱导功能。

中国在护栏研究方面起步较晚，还处于不成熟、不系统的阶段。目前科研人员常采用的护栏研究方法主要有三种：实车足尺碰撞试验、缩尺模型试验、计算机仿真研究[2]。实车足尺碰撞试验是指按照《公路护栏安全性能评价标准》的相关技术参数进行试验分析，但由于费用过大、再现性差，一般情况下很少采用该实验；而随着计算机技术的不断发展，具有的可重复性强、参数化建模、费用低等优点的计算机仿真研究得到了越来越广泛的应用[3]。2004年黄红武、莫劲翔等采用LS-DYNA有限元软件对影响护栏性能的相关因素进行了研究[4]。摩擦系数作为一项重要的影响因素在他们的研究中被揭示出来，本文将以他们的研究作为切入点，通过建立波形梁护栏的三维有限元模型来研究护栏与车辆之间的摩擦系数的变化对于护栏各项功能的影响，从而揭示其中的一些规律，为护栏材料选取、加工制作、施工安装等提供有益的参考。

1 模型的建立

本文中的波形梁三维有限元模型大体按照《公路护栏安全性能评价标准》（JTG B05-01―2013）中的相关要求建立。

1.1 几何模型建立

本文以二波型钢护栏为例进行分析，按照现行的行业标准建立波形梁三维有限元模型。为方便后文论述，在建模时将车道方向设为X轴方向，水平面内垂直于行车方向设置为Y轴方向，垂直于路面的方向设为Z轴方向（下文同）。二波型护栏板截面如图1所示。立柱采用Φ140 mm×2 150 mm×4.5 mm规格，防阻块采用200 mm×196 mm×178 mm尺寸。护栏立柱埋设深度为1 400 mm，外露高度为750 mm，波形梁板中心到路面高度为600 mm。车辆按照《公路护栏安全性能评价标准》（JTG B05-01―2013）中小型车辆规格建模，参数见表1，并且根据试验条件要求将车辆与护栏的初始碰撞角度设为20°。本例中路面不作为研究对象，因此将路面设为刚体，使其不参与受力分析。

1.2 材料参数确定

护栏一般采用Q235碳素钢制造，在遭受车辆碰撞后一般会产生塑性变形，因此有必要为护栏材料赋予塑性材料参数。本例中护栏的材料参数为：弹性模量为200 GPa，泊松比为0.3，密度取7 800 kg・m-3，塑性参数采用参考相关数值。

1.3 相互作用建立

为简化非主要因素，将护栏与防阻块、防阻块与立柱之间的螺栓连接简化为Tie（绑定）约束。在汽车与路面之间建立Contact（接触）约束，并且根据试验时车辆应处于自由状态的要求，设定路面与车轮之间为光滑接触，摩擦系数为0。将车辆与护栏之间的碰撞接触面作为研究重点，在其上建立General Contact（通用接触），这样在护栏与车辆碰撞过程中系统可以不断自动寻找接触面，使得模拟更加接近实际。在此接触关系中设定不同的摩擦系数，便可以模拟在不同摩擦系数情况下，车辆碰撞护栏后护栏相关功能的发挥效果。

1.4 边界条件与预定义场

对于刚体路面，在其参考点（RP）上施加完全固定边界条件约束其全部自由度。为节省计算机资源，模型只建立了3节工12 m的实体波形梁护栏，为使模拟不失真，在护栏板两端分别施加关于横断面对称的约束[5-6]。

重力预定义场可以使整个模型处于重力环境下，取g=9.8 m・h-2；试验中车辆碰撞的初始速度为100 km・h-1，因此在预定义场模块中还应建立一个作用于试验车辆的速度场。

将建立的模型采用C3D8R单元（8节点3维缩减积分单元）进行网格划分并设定不同的摩擦系数后，分别提交Dynamic Explicit（显示动态）求解器求解。

2 功能影响分析

2.1 对车辆运行形态的影响

通过对不同摩擦系数情况下模拟结果的分析，可以将碰撞后车辆的运行形态分为三种情况。

（1） 当车辆与护栏接触面之间的摩擦系数小于0.25时，护栏对车辆具有良好的导向作用，使碰撞后车辆与护栏能够较好地贴合，碰撞车辆能够平缓地沿护栏驶出，驶出角度较小，如图2所示。

（2） 当车辆与护栏接触面之间的摩擦系数介于0.25～0.36之间时，护栏对车辆的导向性有所下降，车辆碰撞后会出现甩尾现象，即在车头与护栏碰撞后，车尾会与护栏发生二次碰撞，使车辆及乘员遭受二次伤害，同时还可能降低驾驶员对车辆的操控性。另外车辆碰撞后的驶出角也相较于第一种情况大（图3），说明护栏的导向性已有所降低，车辆有可能冲向相邻车道。

（3） 当车辆与护栏接触面之间的摩擦系数超过0.37时，车辆碰撞后会出现掉头（图4）甚至翻滚。这将给事故车辆带来极大的伤害并且极易导致与后车、相邻车道车辆发生二次事故，所以此时护栏不仅不能起到导向作用反而成为了一种潜在危害。

2.2 对碰撞后车辆动能的影响

护栏通过变形、摩擦等方式使车辆的动能转化为护栏的变形能、热能等，从而起到缓冲作用。要研究护栏的缓冲作用，可以从车辆碰撞后的动能作为着眼点。将模拟结果中的车辆驶离护栏后的动能提取、整理后得到图5所示曲线。

从图5中可以看到，随着摩擦系数的增大，车辆碰撞后剩余的动能逐渐减小，说明较大的摩擦系数有助于碰撞车辆降低车速，能更有效地将车辆原有的动能转化为护栏变形能、热能等，增强了护栏的减速性能作用。再将系统生成的具有代表性的、不同情况下车辆动能随时间的变化曲线（图6、7）进行分析。从动能变化曲线可以看到，在摩擦系数较小时，动能变化曲线是一条光滑下降曲线；而当摩擦系数介于025～0.36之间时，动能曲线中出现一段停滞平台，之后继续下降，这一现象正是车辆甩尾造成的。

2.3 对车辆行程的影响

车辆与护栏碰撞后会继续向前行驶，而在垂直于行车方向则会先向路侧挤压护栏使护栏变形，随后由于护栏的阻挡作用车辆又会向路内回弹，形成图8所示的Y方向位移曲线。车辆碰撞后继续行驶的距离将关系到车辆会不会影响到相邻车道，在一定程度上该项指标也是护栏安全性的体现。将碰撞后0.7 s内车辆的位移进行提取汇总后得到图9、10（当摩擦系数大于037后车辆发生掉头翻滚等现象必然影响相邻车道，因此未列出）。

从图9中可知，随着车辆与护栏接触面摩擦系数的增大，车辆碰撞后沿行车方向的行程逐渐减小，这与前面所得到的关于动能的结论是一致的。在与行车方向垂直的方向（图10），也基本呈现随着摩擦系数增大行程逐渐减小的趋势，这说明在一定范围内，车辆与护栏之间较大的摩擦系数可以有效降低车速，减小碰撞后车辆的运动距离，也就是车辆留在试验要求的导出框范围的可能性增大了，减小了事故的影响范围，也减小对相邻车道的干扰以及发生二次事故的可能性。

对于摩擦系数大于0.37的情况需要特别注意，图11为摩擦系数为0.45时车辆碰撞过程中在行车方向的位移曲线，可以看到位移曲线出现了下降段，这表明车辆出现了掉头、翻转等现象。图12则是车辆尾部某节点在Z方向（垂直于路面）的位移曲线，可以看到车辆在碰撞过程中出现了将近1 m的跳升，这样极易导致车辆发生翻滚等恶性事故，所以特别大的摩擦系数会使车辆失去控制，护栏不能起到保护车辆的作用。

2.4 对最大动态变形量的影响

护栏最大动态变形量是在车辆与护栏碰撞过程中沿护栏的垂直方向护栏所产生的最大动态变形量。《高速公路护栏安全性能评价标准》（JTG/T F83-01―2004）中规定，半刚性双波护栏最大动态变形量应小于或等于100 cm，若超出规定范围会出现车辆越出路外等恶性事故。将模拟过程中的护栏最大位移量提取汇总，如图13所示。由图中曲线可以看到，当车辆与护栏之间的摩擦系数增大时，最大动态位移量也随之增大，并且当摩擦系数值增大到04时，动态最大位移已接近100 cm规定的极限值，而且在之后增加速度急速加剧，当摩擦系数增加到0.45时，其值增大到150 cm，已远远超过规定值。说明摩擦系数增大对于护栏的阻挡作用是不利的，而且过大的摩擦系数可能诱发车辆翻滚等严重事故。

3 结 语

通过上述分析可以得到结论：车辆与护栏接触面之间的摩擦系数对于护栏在受到车辆碰撞时各项作用的发挥具有重要影响。较大的摩擦系数虽然能在一定程度上增强对车辆的减速效果，但拦阻和导向功能将下降。为防止车辆发生二次碰撞、掉头、翻越护栏、翻滚等恶性危害，建议采用摩擦系数较小的护栏。在生产实践中需要加强护栏材料与安装施工质量的管理，严格控制护栏板防腐层（镀锌层）质量，严禁出现流挂、结块、滴瘤等现象，同时也建议在护栏检验中增加一项摩擦系数检验。而在施工中则应注意拼接螺栓的紧固，避免螺栓帽绊挂车辆，对于护栏板搭接方向错误也是决不允许出现的，这种情况会极大的增大护栏摩阻力，导致车辆掉头、翻滚等严重事故，甚至会发生护栏贯穿车辆的恶性事故。

参考文献：

[1] JTG B05-01―2013，公路护栏安全性能评价标准[S].

[2] 毛娟娟.客车与半刚性护栏碰撞的有限元分析与模拟[D].大连：大连理工大学，2008.

[3] 刘 展.ABAQUS6.6基础教程与实例详解[M].北京：中国水利水电出版社，2008.

[4] 黄红武，莫劲翔，杨济臣，等.影响护栏防护性能的相关因素研究[J].湖南大学学报：自然科学版，2004，31（2）：45-47.

[5] 张维刚，胡高贤.土基中波形梁护栏立柱的有限元模型研究[J].公路交通科技，2007，24（7）：143-146.

[6] 金秀娜.道路护栏在冲击荷载下的性能研究[D].长沙：中南大学，2013.

[7] 赵永利，柳天振.刚性护栏及半刚性护栏与车辆碰撞的安全性模拟分析[J].东南大学学报，2012，42（2）：369-373.