集装箱汽车列车与桥梁护栏碰撞分析.pdf

第3 3 卷第1 期2 0 0 5 年1 月同济大学学报(自然科学版)J O U R N A LO FT O N G J IU N I V E R S I T Y(N A T U R A LS C I E N C E)V 0 1 3 3N o 1J a n 2 0 0 5集装箱汽车列车与桥梁护栏碰撞分析高云凯，彭和东，张荣荣(同济大学嘉定校区汽车学院，上海2 0 1 8 0 4)摘要：采用P A M-C R A S H 软件，模拟集装箱汽车列车与桥梁护栏的碰撞过程对车辆的碰撞过程进行了描述：车辆在碰撞过程中发生了二次碰撞并且有倾覆现象，最后车辆恢复正位，顺利沿护栏导出；通过改变护栏栏杆的尺寸和壁厚，评估了多种护栏的耐撞性并指导了护栏的设计；讨论了集装箱汽车列车鞍座结构的处理，提出了鞍座阻力矩的计算方法关键词：集装箱汽车列车；桥梁护栏；碰撞；鞍座中图分类号：U 4 6 1 9 1文献标识码：A文章编号：0 2 5 3 3 7 4 X(2 0 0 5)0 1 0 1 1 2 0 4C r a s hA n a l y s i sb e t w e e nC O n t a i n e 卜t r u C k sa n dG u a r d r a il sG A OY u n k a i，P E N GH e-d o n g，Z H A N GR o n g-r o n g(C o l l e g eo fA u t o m o b i l e，T o n g j iU n i v e r s i t yJ i a c l i n gC a m p u s，S b a n g h a i2 0 1 8 0 4，C h i n a)A b s t r a c t：C r a s hb e t w e e nac o n t a i n e r-t r u c ka n dp a r to fag u a r d r a i li ss i m u l a t e dw i t ht h eh e l po fs o f t w a r eP A M-C R A S H D u r i n gt h ep r o c e s s e s，t h ec o n t a i n e r-t r u c ks t r i k e st h eg u a r d r a i lt w i c ea n dn e a r l yc a p s i z e s，t h e nr e c o v e r sf r o mt h ec a p s i z a la n ds e p a r a t e sf r o mt h eg u a r d r a i l；t h ee r a s h w o r t h i n e s so fs e v e r a lk i n d so fg u a r d r a i l si se v a l u a t e db yc h a n g i n gi t ss i z ea n dt h i c k n e s s，a n di t sd e s i g ni sg u i d e du n d e rt h es i m u l a t i o nr e s u l t；t h ej o i n ts i m u l a t i o ni sd i s c u s s e da n dc a l c u l a t i o nm e t h o do fi t sr e s i s t a n c em o m e n ti sp r o p o s e d K e yw o r d s：c o n t a i n e r t r u c k；g u a r d r a i l；c r a s h；s a d d l ep o i n t在没有针对性规范的情况下，为了评估桥梁护栏的安全性和可修复性，有必要在设计初期用数值方法模拟分析桥梁护栏受重型汽车撞击的过程，以在护栏设计阶段预估护栏的耐撞性能和提出护栏结构优化方案此外车辆在撞击护栏后的运行状况，尤其是重型集装箱货车列车在事故发生后能否从护栏安全导出对于车辆行驶的安全性有很大的意义笔者针对某正在开发设计中的跨海大桥护栏，应用专门有限元程序P A M C R A S H，进行桥梁护栏受集装箱汽车列车碰撞的模拟模拟程序的应用使得在护栏的设计过程中能较方便地改变模型的各种结构参数，反复计算对比，从而得出最优性能结构文中首次对集装箱汽车列车的碰撞运行状态进行了模拟1计算模型1 1 护栏模型主要包括3 组栏杆及间距为30 0 0r n l n，通过水泥基座固定在桥面挑出部分上的立柱(如图1)为同时考虑桥面挑出部分的弹性，模型中包括桥面挑收稿日期：2 0 0 3 1 1 一0 3作者简介：高云凯(1 9 6 3 一)，男，黑龙江哈尔滨人，教授。工学博士E m a i l：g a o y u n k a i d o c t o r Q m a i l c h i n a o o m 万方数据第1 期高云凯，等：集装箱汽车列车与桥梁护栏碰撞分析出部分根据以往工程经验L 1J，在这类碰撞中，在6个立柱范围内的护栏结构及桥面挑出部分有响应；在以下模型中取8 个立柱范围内的护栏结构及桥面挑出部分模型准确反映了护栏立柱柱距、立柱与栏杆截面尺寸等；忽略护栏内部的连接结构及孔；简化立柱与桥面的连接，用刚性焊点单元替代水泥墩的连接计算中，护栏用弹塑性单元模拟，桥面用弹性单元模拟计算全约束桥面挑出部分与桥墩相接边各节点的6 个自由度由于主要分析护栏的受力和变形，考虑计算效率，本次计算将整个模型中的护栏精确处理又由于车辆撞击护栏后，沿护栏运行距离较长，即车辆与护栏的接触界面较长，所以护栏整体单元都较密，单元边长取1 5r f l l T l 分析模型如图1 所示，包括3 09 4 6 个单元和3 32 4 8 个节点为便于护栏碰撞力和变形的分析，碰撞模型整体坐标系参照护栏坐标系图1 护栏及桥面模型(单位：n u n)F i g 1P a r to fg n m r d r a i la n db r i d g em o d e l(u n i t：m m)1 2 集装箱汽车列车模型集装箱汽车列车模型包括5 轴重型集装箱汽车的牵引车、半挂车及载货集装箱通过对运行中的大型5 轴集装箱车的调研，取列车的长宽高为1 60 0 0n l I n 24 9 0m m 39 5 0r n l T l，轴距为30 0 0n T r n 14 0 0m m 70 0 0r f l l T l 14 0 0r l l r n，有较好的通用性汽车简化模型准确反映了保险杠尺寸及位置、牵引车车头及行驶系轮廓尺寸与形状、挂车集装箱的尺寸与鞍座高度位置等对车辆碰撞过程有较大影响的尺寸参数和结构刚性处理列车车轮，但模型中以铰单元考虑车轮在同时设置的桥面刚墙上的滚动效果详细考虑鞍座铰接结构，模拟撞车后牵引车摆头及引导效果考虑到车辆可能会在牵引车导出后有集装箱车回摆，对护栏进行二次碰撞，在建模过程中整车模型网格尺寸较均匀，单元尺寸取1 0 0 2 0 0m m 分析模型如图2 所示，包括1 38 5 4 个单元和1 10 1 6 个节点1 3 集装箱列车铰结构的处理由于集装箱货车为牵引车连接挂车的列车形式，牵引车和挂车之问通过鞍座连接在实际行驶中，由于鞍座的作用，集装箱列车的运动特性与其他车辆不同此次在鞍座处应用动力铰单元，成功地模拟了集装箱列车与桥梁护栏的碰撞过程在碰撞仿真中用2 个节点铰单元连接2 个分开且有相对运动的部分此2 个节点为铰单元的2 个端点，它们在空间的位置可以相同也可以不同其初始时刻的方向由各自的局部坐标系决定在铰单元定义后，可以对其释放的自由度在材料2 3 0 中定义阻力和阻力矩响应曲线此次模拟中笔者根据鞍座特性选用转动铰转动铰6 自由度中只有r 向转动自由度自由，因此采用阻力矩一转角曲线图2 车辆模型F i g 2C o n t a i n e r-t r u c km o d e l通过试算和理论分析可知鞍座铰结构的阻力矩对列车的运行影响很大牵引车头的导出和集装箱车的转向以及集装箱车的甩尾都与响应曲线有关因此，在模拟计算中，此阻力矩响应曲线的定义对仿真效果的好坏有决定性作用此曲线的准确参数可由试验获得计算中考虑牵引车撞击护栏后，地面对其形成的摆头阻力矩该阻力矩M 由牵引车各轴载荷m、车轮和地面的摩擦系数厂以及牵引车各轮地面阻力到鞍座中心的力臂l 来确定；分析中忽略牵引车转向轮的转动效应，l 近似为牵引车各轴到 万方数据1 1 4同济大学学报(自然科学版)第3 3 卷鞍座的距离，牵引车前轴的力臂取正值，后轴的力臂取负值，有M=m 瑚i 2 分析工具P A M C R A S H 是由法国E S I G】的U P 公司开发的用于数值模拟的专业仿真软件，主要用于汽车安全性仿真、道路防护装置安全性设计等通过边界条件等的定义，可以分析汽车及其碰撞对象碰撞后的结构变形情况因此对于这种护栏与汽车碰撞的中低速撞击问题，P A M C R A S H 是一个相当不错的软件计算分析工作在唧工作站上完成低速撞击中碰撞结构仅发生局部变形、凹陷与穿入，材料反应时间以0 0 0 1S 为单位比较合适经试算，各工况计算时间为1 7S 3 各工况碰撞模拟结果分析对比不同车辆总重、初始碰撞位置以及集装箱工况1挂车可能碰到的上护栏的直径的碰撞形态，全面分析集装箱列车对护栏的碰撞过程考虑集装箱列车在所设计桥梁上实际行驶情况，取列车初始速度为6 0k m h，列车与护栏的初始碰撞角为1 5。；其他分析工况参数见表1 表1 分析工况T a b 1A n a l y z i n gc 雠3 1 车辆碰撞过程模拟分析以工况1 和工况3 车辆撞击护栏过程模拟分析为例(见图3)可见，车辆和护栏在整个碰撞过程中出现2 次撞击：在0 6s 以前，牵引车头碰撞护栏；在1 0 1 2s 之间，集装箱车摆尾后撞击护栏；之后车辆导出图3 车辆撞击护栏过程F i g 3C r a s hp r o c e s s e sb e t w e e nc o n t a i n e r-t r u c ka n dg u a r d r a i l通过对5 个工况的碰撞过程进行对比分析可知：车辆运行状态受护栏栏杆尺寸影响较大，受车辆吨位和初始碰撞位置的影响较小工况3、工况4 和工况5 中，车辆在撞上护栏后，牵引车车头与护栏发生反复碰撞；集装箱甩尾后也与护栏发生碰撞，但并不明显被护栏弹开；直到车辆导出护栏，集装箱车一直贴合护栏行驶这是由于栏杆刚度较小，受碰撞时反力小；而变形较大，能量吸收较多本模型模拟了碰撞过程中汽车列车的倾覆现象由图3 也可以看出，在碰撞过程中，集装箱挂车产生了较小的侧倾角，但很快就恢复了正位，因此，碰撞过程中不会产生列车倾翻现象3 2 碰撞力分析碰撞力大小对桥梁护栏的可修复性和汽车乘员的安全性都有很大的影响计算结果显示：在其他条件相同的情况下，不同初始碰撞位置对碰撞力大小有较大影响工况1 的Y 向碰撞力曲线如图4 所示在车辆碰撞过程中，碰撞力出现了2 个峰值，分别对应牵引车头、挂车尾对护栏发生的碰撞牵引车与护栏的最大碰撞力发生在0 1S，最大碰撞力约为4 9 0k N 牵引车与护栏的碰撞出现不止1 个峰值，也说明了牵引车车头与护栏发生了反复碰撞集装箱 万方数据第1 期高云凯，等：集装箱汽车列车与桥梁护栏碰撞分析挂车摆尾撞击护栏的力也较大，约为4 8 0k N 各工况下Y 向最大碰撞力如表2 所示可见，上栏杆直径和壁厚较大的工况1 和工况2 碰撞力较大，说明了这种情况下护栏对列车的反力较大而初始碰撞位置及挂车吨位对碰撞力的影响并不明显蚤R捌稽图4 工况1 的Y 向碰撞力曲线图F i g 4C r a s hf o r c eC U l-V eYu n d e rc a s e13 3 护栏变形分析碰撞后护栏的变形直接影响护栏的可修复性各工况下Y 向护栏变形如表3 所示其中，工况1、工况2、工况4 和工况5 最大变形均发生在中间栏杆上，由牵引车头碰撞产生而工况3 护栏的最大变形则发生在上栏杆上，是挂车甩尾碰撞产生的尤其值得注意的是工况5 的车辆吨位增加，并未产生护栏大变形，这主要是由于牵引车摆头效应的结果表2 各工况Y 向最大碰撞力T a b 2C r a s hf o r c em a g n i t u d e表3 各工况下Y 向最大护栏变形T a b 3P e a kd i s p l a c e m e n tYo fg u a r d r a i l工况12345管鬈2 0 91 4 72 0 51 4 91 6 9位置中间栏杆中间栏杆最上栏杆中间栏杆中间栏杆相对一般高速公路护栏变形【2|，本分析中护栏的变形均较小变形较小，便于护栏碰撞后的维护3 4 碰撞速度分析工况1 车辆z 及Y 向速度曲线如图5 所示在1 1S 左右，挂车的平均横向速度降为零，其后向反方向运动到模拟计算结束时间1 5S 时，碰撞列车前进方向的速度础由约1 61 0 0m i t t S 1 降为1 41 0 0m r f l s 一，下降了约1 0 各工况下，车辆速率差别不大2 0 0 010 0 0_们0l 一10 0 0：一20 0 0-30 0 0-40 0 0t sbY 向图5 工况1 车辆速度曲线图H g 5V e l o c i t ya 岫懈o fc o n t a i n e r-t r u c ku n d e rc 器e13 5 护栏应变分析在牵引车初始碰撞的立柱与其后2 个立柱上产生了大应变除工况3 外，最大应变发生在受碰撞立柱的栏杆上支架上，应变值为0 1 8 在工况3 中，集装箱挂车甩尾产生的护栏应变较大，为0 2 3，也小于护栏材料延伸率O 3 3 因此，该大应变位置不致产生断裂破坏上栏杆产生的最大应变为O 0 6，在初始受碰撞立柱后面以上各工况中护栏均没有完全破坏，车辆能顺利导出4 结语本分析模型考虑了有代表性的集装箱汽车的整车高度和鞍座高度，以及常见桥梁护栏碰撞的作用范围，有较好的代表性车辆在撞击护栏后发生摆头，并能顺利导出，护栏不会断裂对集装箱货车与桥梁护栏类发生的碰撞，牵引车撞到护栏后摆头，必然引导集装箱挂车转向不考虑这一引导作用，分析结果误差会很大参考文献：1 J T J 0 7 4 9 4，高速公路交通安全设施设计及施工技术规范 s J T J 0 7 4 9 4，C o n s t r u c t i o no fe x p r e s s w a ys a f e t ya p p u r t e n a n c e s s 2 X I E X i n-l o n g，Y E F a n g-y a o，Y EJ i t i a n，e ta 1 A p p l i c a t i o n o fc o m p u t es i m u l a t i o ni nc r a s h A P r o c e e d i n g so fC h i n aP A M2 0 0 2 C B e i j i _ n g：S n ，2 0 0 2 2 8 3 1(编辑：张弘)胛一W 1一哪!nM 万方数据