客车与半刚性护栏碰撞的有限元分析与模拟

论文摘要

全国每年因道路交通事故而死亡的人数大约11万人左右,约有1/3的死亡事故发生在车辆与路侧护栏的单车事故中,造成的人员伤亡和财产损失十分严重。防撞护栏是高速公路上最重要的交通安全设施之一,其对于降低道路交通事故的严重程度和减少经济损失起着关键性作用。因而,对车辆与护栏碰撞的研究将具有极其重要的现实意义。本文以BHI型防阻块半刚性三波护栏和黄海汽车公司生产的DD6980型客车为研究对象,对护栏的防护能力以及影响护栏防护能力的因素进行了研究,做了如下主要工作:首先,对国内外高速公路发展情况和高速公路交通事故进行数据采集和统计分析,并对国内外汽车—高速公路护栏碰撞事故的研究情况进行对比分析。其次,详细介绍了汽车与护栏碰撞过程分析的动态显式有限元方法的基本原理和有关算法,涉及到有限元求解控制方程、单元算法、材料模型和应力修正、时间积分以及接触碰撞界面等,为后面的汽车与护栏碰撞提供了理论依据。然后,在ANSYS/LS-DYNA环境下建立“客车—半刚性护栏”碰撞仿真体系的有限元模型。模型中在允许对客车模型进行一定的简化和对碰撞过程进行一定假设的基础上,考虑了客车的形状、几何尺寸和护栏的材料、连接方式等参数的影响,对车辆与护栏发生接触的部位进行了细化,充分考虑摩擦的影响。最后,由国际上普遍认同的护栏安全性能评价指标对BHI型防阻块半刚性三波护栏对客车的防御能力进行评估,通过改变初始碰撞速度、碰撞角度、护栏与客车之间的摩擦系数对客车与护栏的碰撞过程进行仿真模拟,分析了不同因素对护栏防护能力的影响,得到一系列的结论:BHI型防阻块半刚性三波护栏对客车有较好的防御能力,对其运行轨迹有较好的校正作用;碰撞速度、碰撞角度、护栏与客车之间的摩擦系数都会影响护栏的防护能力,随着这三个因素的增大,客车质心处的合成加速度也会随之增大,乘员受到损伤的风险性也在增加。在对绊阻发生的过程进行分析的基础上,本文提出了两项改进措施以避免立柱绊阻的发生。分析结果表明,增加防阻块的横向长度和增加立柱厚度均可避免立柱对车轮的绊阻,但后者在提高护栏整体防护能力方面明显优于前者。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究意义
• 1.3 国内外护栏设计技术研究概况
• 1.3.1 研究历程回顾
• 1.3.2 常用研究方法及特点
• 1.3.3 最新研究成果
• 1.4 本论文拟作的研究工作
• 2 动态显式有限元基本理论
• 2.1 非线性动态显式有限元求解控制方程
• 2.1.1 运动方程
• 2.1.2 动量方程
• 2.1.3 质量守恒方程
• 2.1.4 能量守恒方程
• 2.1.5 边界条件
• 2.2 单元类型及其算法
• 2.2.1 BELYTSCHKO—LIN—TSAY壳单元
• 2.2.2 改进的BT单元:BELYTSCHKO-WONG-CHIANG单元
• 2.3 材料模型和应力修正
• 2.4 时间积分格式与时间步长控制
• 2.5 沙漏问题
• 2.6 接触—碰撞界面处理
• 2.7 摩擦问题的处理
• 3 客车与半刚性护栏碰撞的有限元模型
• 3.1 建模的几个基本问题
• 3.2 客车有限元模型的建立
• 3.2.1 客车基本结构
• 3.2.2 模型的简化
• 3.2.3 建立车身骨架模型
• 3.2.4 载荷的处理
• 3.3 半刚性护栏有限元模型的建立
• 3.3.1 护栏的目的及作用
• 3.3.2 护栏的种类及特点
• 3.3.3 波形梁护栏有限元模型的建立
• 3.4 汽车与护栏碰撞过程中的假设和简化处理
• 3.5 客车与护栏碰撞的接触界面定义
• 4 “客车—半刚性护栏”碰撞系统的仿真结果分析
• 4.1 大客车碰撞BHI型防阻块三波刚性护栏过程的仿真分析
• 4.1.1 护栏结构的完整性
• 4.1.2 乘员风险指标
• 4.1.3 车辆运动轨迹指标
• 4.2 影响护栏防护性能的各因素分析
• 4.2.1 碰撞速度对护栏防护能力的影响
• 4.2.2 车辆碰撞角度对护栏防护能力的影响
• 4.2.3 摩擦系数对护栏防护能力的影响
• 4.3 护栏防护能力的改进研究
• 4.3.1 改进措施的提出
• 4.3.2 改进后模型的仿真分析结果对比
• 5 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢