初拉力对柔性护栏工作性能影响的有限元分析

摘要：基于碰撞系统的有限元理论，建立柔性护栏—刚体碰撞系统的有限元模型，并运用求解器LS-DYNA进行柔性护栏-刚体碰撞过程分析，通过计算得出柔性护栏-刚体系统碰撞过程中，接触力、最大动态变形量、护栏各部件能量吸收随安装拉力的变化情况。分析初拉力的变化对护栏工作性能的影响。

关键词：柔性护栏；缆索应力分布；护栏最大动态变形量

Abstract: Based on the finite element theory of the collision system, to establish the finite element model of the flexible fence - rigid body collision system, and use the solver LS-DYNA to analyzes the fence flexible - rigid body collision process, obtained by calculating the flexible barrier - the collision process of the rigid body system, contact force, the maximum dynamic deformation fence parts of the energy absorption changes with the mounting tension. This paper analyzes initial tension on the fence performance.Key words: flexible fence; rope stress distribution; the guardrail maximum dynamic deformation

中图分类号：U417.1+2文献标识码： A 文章编号：

0前言[]*

道路护栏对于汽车安全起着相当重要作用，选择合理的护栏形式，合理的设计和安装对充分发挥结构特点至关重要 。

柔性护栏是一种以数根施加了初拉力的缆索固定于支柱上的护栏结构，它主要依靠缆索的拉应力来抵抗车辆的碰撞并吸收能量，在弹性范围内，具有较大韧性缓冲能力。由于其具有一定的刚性和柔性，吸能能力极为出色，所以能相当程度上满足防撞护栏的设计要求，且车辆碰撞时缆索在弹性范围内工作，可以重复使用，容易修复。

目前国内外对车辆冲撞护栏的研究方法主要有：实车足尺碰撞试验、缩尺模型试验、计算机仿真分析法和简化力学模型。实车足尺实验费用昂贵，缩尺模型试验的可靠性不高，而碰撞过程本身较复杂难以用简化力学模型来精确描述，本文把车辆简化为一个刚体，就刚体模型和柔性护栏模型进行三维动态仿真计算，通过柔性护栏缆索的初拉力来分析最大动态变形量、碰撞过程中缆索的张力及护栏各部件能量变化，进而分析初拉力对护栏工作性能的影响。

1、柔性护栏碰撞系统有限元模型和基本参数选取

在该系统中，模型包括缆索模型，护栏的立柱模型，防阻块模型及螺栓模型，缆索材料模型取为*MAT_CABLE_DISCRETE_BEAM，立柱及防阻块

材料模型为*MAT_PLASTIC_KINEMATIC，螺栓模型用刚性连接处理。

表1柔性护栏系统实常数选取表

刚体采用实体单元来划分，对于实体单元没有实常数，对于该材料的密度，以实际碰撞取用质量除以模型中刚体的体积得到，取值大小为：55710 Kg/m3。

2、护栏系统有限元模型划分及接触耦合控制

2.1护栏系统有限元网格划分

通过对柔性护栏系统进行网格划分，42780个护栏单元尺寸在15mm左右。

图1 柔性护栏的整体有限元模型图

2.2护栏系统有限元模型接触耦合控制

在柔性护栏碰撞体系中，接触各类型为：车辆与缆索接触类型为*AUTOMATIC_GENERAL（不考虑摩擦），缆索与护栏立柱接触类型为*AUTOMATIC_GENERAL（考虑摩擦），缆索与防阻块接触类型为*AUTOMATIC_GENERAL（考虑摩擦）。立柱与防阻块之间的连接采用*CONSTRAINED_NODE_SET,接触类型为AUTOMATIC_GENERAL(考虑摩擦)。

3、缆索初拉力对最大动态变形量影响

根据相关文献[4]取模型质量为10吨，确定碰撞角度为20o。碰撞速度为60km/h，碰撞能量为1388.86KJ。护栏长度取84m。

3.1 不同初拉力下最大动态变形量的比较

图2 不同初拉力下动态变形量时程曲线

根据不同初拉力下动态变形量时程曲线，可确定不同初拉力条件最大动态变形量。

表2 最大动态变形量

最大动态变形量随缆索初拉力的增大而减小，说明护栏的刚度随拉力增大而增大,动态变形量极值随初拉力减小十分明显。

3.2碰撞过程最大缆索拉力比较

在碰撞过程中缆索的最大拉力随着安装初拉力的增大而增大，在初拉力为20KN时碰撞过程中缆索的最大拉力为112.572KN，30KN时为135.932KN，40KN时为141.85KN。该种缆索的极限拉力为160.8KN。在40KN时缆索在碰撞过程中的最大拉力已经较接近于该种缆索的破坏拉力。可以看出缆索的初拉力越大则在碰撞过程中破坏的可能性也越大。

图3初拉力30KN时碰撞过程缆索拉力时程曲线

3.3 不同初拉力下能量吸收比较

从图4和图5及表3中可以看到，随着初拉力的增大，碰撞过程中系统动能的减少越多，同时内能增加越多，内能的增加近似等于动能的减少，护栏构件间的摩擦力做功极少，进而动能和内能图示近似对称。20KN时动能减少108.5KJ，内能增加103.92KJ，30KN时动能减少112.2KJ，

内能增加106.7KJ，40KN时动能减少117.8KJ，内能增加115.5KJ。缆索的安装拉力越大，则动能减少越大，动能的减少绝大部分转化为系统地内能，也就是说由护栏来吸收的能量越大，结合上述对碰撞过程中最大动态变形量及缆索最大拉力的分析可知，最大动态变形量减少，最大拉力增大才能满足此能量平衡，但最大拉力的增大直接会导致缆索的破坏。

图4 不同拉力下动能变化时程图

图5 不同拉力下内能变化时程图

表3 不同初拉力下的能量转化

缆索初拉力/KN 动能减少/KJ/ 内能增加/KJ 其他形式能量/KJ

4.结论

（1） 随着缆索初拉力的增大，动态变形量在减少，刚度在增大，柔性护栏像半刚性及刚性护栏过渡。计算结果表明，当缆索初拉力为30KN时其最大动态变形量为1.19m，小于规范要求的1.2m要求，对此种钢索其初拉力要大于30KN。

（2）随着初拉力的增大碰撞过程中缆索的最大拉力也在不断增大，对于缆索来说则越来越不利，在初拉力为20KN时碰撞过程中缆索的最大拉力为112.572KN，30KN时为135.932KN，40KN时为141.85KN不断增大，安装拉力为40KN时较安装初拉力为20KN时在碰撞过程中缆索的最大拉力增大了26%，且40KN时碰撞过程中缆索的最大拉已经较接近缆索的破坏拉力。安装初拉力的增大增加了缆索破坏的可能性。

（3） 柔性护栏系统在碰撞过程中动能转化量随缆索安装拉力的增大而增大，安装拉力越大，动能减少越多，系统地内能增加越多。在碰撞过程中摩擦力做功极少，系统能量在动能和内能之间转换。但可以看出，虽然动能在初拉力越大的情况下转换越多，但是同时也增大了缆索破坏的可能性。

参考文献

J·O·Hallquist，LS-DYNA THEORETICAL MANUAL[M]，1998

郑坚、孙成友，关于材料的应变率敏感效应.力学与实践[J]，1996，(3)27-29

J.O.Halquis，LS-DYNA Keyword User’s Manual[M]，Livermore Software Technology Corporation，Livermore，2003

高速公路护栏安全性能评价标准，JTG/T F83-01-2004

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。