防撞护栏研究方法概述

时间:

2019-03-17

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汽车碰撞护栏是个复杂的过程,很难简化为一个具有较高精度的简单力学模型。另外,护栏的开发和研制也是一项复杂的工作,涉及环节很多,目前,各国主要采用以下几种研究手段:

1.结构设计

根据有关规范对护栏结构进行初始设计,保证护栏具有预期的结构强度。如设计混凝土护栏时应参照土木工程结构的规范,在考虑满足护栏安全性能所需截面形状的同时,应保证护栏的厚度及配筋等要求,以免混凝土护栏在事故工程中坍塌。

2.静态实验

主要针对护栏结构的一些关键部件进行有针对性的专项测试,如承载极限,力/位移关系等。实验的主要目的是确定护栏在模拟条件下的力学性能以及关键部件的强度极限,为计算机模拟程序提供所需参数。

3.实验室动态实验

实验室动态实验主要用于护栏开发设计的初始阶段,对多种待定方案进行初步分析和筛选或对有关部件进行专门测试。实验主要有以下两种具体形式:

①重力摆实验:将重物或称冲击重量用钢索或刚性杆悬挂于固定点,提升定高度h后释放,冲击质量将以速度v与固定目标相撞,冲击质量可以是被测实验件,此时固定物为刚性面。被测实验件也可作为固定目标,冲击质量取用刚性物体。这种实验常用于测试护栏的某些零、部件,如埋于地上的护栏立柱等。冲击速度v由提升高度h控制。

②自由落体实验:将被测实验件提升一定高度后释放,使其自由下落并与刚性面碰撞,冲击速度仍由(l.4)式确定。由于作为自由落体的实验件体积不能太大,这类实验主要用于缩尺模型和护栏的零、部件。

4.实车足尺碰撞实验

采用真实车辆与真实护栏结构进行碰撞,利用高速摄影拍摄辆运动轨迹和姿态,利用加速度传感器测量车辆各轴向加速度,是目前国内外采用的主要研究方法。但是由于此类实验需要大型的实验场地以及成套的实验装置和数据采集系统,要花费大量的人力、物力,实验成本较高。限于我国目前的经济水平,尚难于系统开展实车碰撞护栏的实验研究。迄今为止,所开展的实车足尺碰撞实验屈指可数。其中规模最大的一次,当数交通部公路研究所出于研究钢制波形梁护栏的防撞性能,编制相关部颁标准的需要,于1992一1993年在北京、海南做的两次共27辆实车冲击钢制波形梁护栏的实验。

5.纤占尺模型实验

依据相似原理设计和制造实物原型的缩尺比例模型,以缩尺模型代替原型进行碰撞实验。缩尺模型实验可以节省实车冲撞实验的大量经费,但山于缩尺,材料等不同,结果并不可靠,一般被计算机仿真实验取代。

6.计算机仿真实验

根据力学原理,通过理论分析建立数学模型,利用计算机进行数值模拟计算。计算机仿真实验可模拟不同车种、不同冲撞初始条件的碰撞全过程,从而可以节省大量经费。近儿十年来,国外一些研究机构由简单到复杂相继提出了一些有效的力学模型并开发了相应的计算机软件,基本都是运用有限元素法。

其中HVOSM(HighwayVehieleObjeetssimulationPro盯am)将车辆模型化为由车身、悬架和轮胎组成的计有11个自由度的多体系统。能够模拟车辆与各类护栏碰撞的过程,给出碰撞过程中车辆承受的加速度和车辆在三维空间中的运动姿态。HVOSM是大型而复杂的程序,从1967年首次推出使用后几经修改和完善,目前已经过了大量的实车足尺实验验证,具有较高的模拟精度。

BARRIERVH被广泛用于模拟车辆与半刚性金属护栏间的碰撞过程,程序中金属护栏采用有限元模型,主要以梁、柱单元模拟。车辆则简化为只在地面上做平面运动的具有三个自由度的单刚体,为模拟车辆与护栏碰撞时的接触力,车辆模型中还包含了一些双线性的弹簧和阻尼元件。BARRIERVn通过了大量的实车足尺实验验证,被广泛用于金属护栏的开发与研制工作中。

GUARD程序将车辆简化为具有6个自由度的空间运动刚体,采用三维有限元模型模拟各类护栏,由于模拟护栏的单元既有平动自由度又有转动自由度,而一些护栏的扭转刚度往往极低,导致该程序算法极不稳定,没有经验者很难使用。

我国学者对汽车冲撞混凝土和钢制波形梁也编制了相应的仿真程序。计算机仿真实验的优点是成本小,不受外界条件限制,可用来模拟不同状态和条件下不同车辆与护栏间的碰撞过程,并能提供实验无法观察到的碰撞过程的细节信息。但也应看到,模拟方法也具有较大的局限性,主要表现在:车辆与护栏结构和力学行为的复杂性和多样性导致碰撞过程难以用数学模型精确描述;模拟结果对取用的某些护栏和车辆参数较为敏感,而这些参数往往难以准确测定;模拟方法不可能将诸如车况、路况及路基埋实程度等随机的偶然因素考虑在内。目前的计算机模拟方法还不能取代设计过程中的实验研究方法。即便是上述一些较为成功的软件也只能反映护栏性能随其结构参数和碰撞条件变化的大致趋势,作为实验研究的一种辅助手段。


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