CN111428391B - 一种护栏的公路适应安全性能评价仿真系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种护栏的公路适应安全性能评价仿真系统及方法，以有限元法计算机仿真模拟作为技术手段，通过建立与实际工况相符的1∶1模型，参照《公路护栏安全性能评价标准》(JTG B05‑01)对护栏检测的碰撞条件，对护栏安全性能进行基于计算机仿真技术的护栏公路适应安全性能仿真评价；仿真模拟技术能够摒弃试验场地和车辆受限的弊病，即采用仿真技术模拟车辆模型和公路适应护栏模型等并模拟各种复杂公路路况在不同碰撞条件下对护栏结构的影响，具有费用省、周期短、可模拟各种复杂工况的优势。

Description

一种护栏的公路适应安全性能评价仿真系统及方法

技术领域

本发明涉及公路交通安全设施护栏的安全性能检测及评价技术领域，特别是一种护栏的公路适应安全性能评价仿真系统及方法。

背景技术

公路护栏作为事故车辆的最后一道防线，其安全性能至关重要。现行《公路护栏安全性能评价标准》(JTG B05-01—2013)规定采用实车足尺碰撞试验检测公路护栏的方法和评价指标，其中的“实车足尺碰撞试验”不仅是一个实现评价准确的基本要求，而且是一个确保碰撞试验真实、客观的条件指导，在提高我国公路行车运营安全方面发挥了重要作用，但由于实车足尺碰撞试验在特定试验场内进行，有固定的公路行驶条件或者说有极少部分能够满足现有公路的实际路况，难以真实反映实际复杂公路工程条件，使得当前护栏安全性能评价工作受到较大程度限制，公路上其它沿线设施及交通工程条件可能会对护栏的安全防护性能产生影响，致使交管部门对于护栏的真实防护能力存在疑虑，同时实车足尺碰撞试验需要建造同比例护栏和采购实际运营车辆，具有费用高、周期长、工况单一的缺点。

现阶段试验场地具有固定的加速方式，如坡道加速，重锤加速和电子牵引加速，其经过计算通过固定的位置将势能或电能转化为动能，从而使车辆按照一定速度行驶。但是在实际工程应用中，存在弯道、坡道和桥台跳车等特殊情况，这时在试验场地内就无法精确计算出车辆的行驶速度是通过哪个位置实现，同时公路的复杂路况还存在特定的基础情况和路侧构筑物情况，如将在一定的时间内建造出同比例的实体工程，将花费巨大的造价，同时做完撞击试验后的材料将拆除摒弃，导致资源严重浪费。

发明内容

本发明针对现有护栏评价技术中存在的缺陷或不足，提出一种护栏的公路适应安全性能评价仿真系统及方法，通过计算机仿真技术评价护栏的防护能力，特别是建立了公路适应护栏模型，用以模拟各种复杂路况下的护栏及其所在路况，便于研究各种复杂路况及各种车辆类型下的碰撞模型对公路适应护栏模型结构的影响，有利于交管部门对护栏安全性在真实、客观的监测数据基础上进行综合性的准确评价和把控，也有利于业主和监理根据规范指标要求对护栏进行现场验收。

本发明通过以下技术方案实现：

一种护栏的公路适应安全性能评价仿真系统，包括仿真模型建立与验证模块、仿真碰撞模块、护栏的公路适应安全性能评价模块和护栏的公路适应安全性能评价结论模块，

所述仿真模型建立与验证模块包括护栏模型的建立与验证分模块、车辆模型的建立与验证分模块，

所述车辆模型建立与验证分模块根据现行评价标准规定的车辆类型和/或公路实际车流量选取的一种或多种车辆类型建立并验证车辆模型；

所述护栏模型建立与验证分模块包括基础护栏的模型建立与验证子模块和路况模型子模块，所述基础护栏模型建立与验证子模块根据护栏结构尺寸、材料型号和性能指标严格按照护栏的设计图建立基础护栏模型，并通过所述仿真碰撞模块进行仿真碰撞后的碰撞数据与现有真实护栏样品碰撞试验数据相比对，调整所述基础护栏模型使之得到验证；

所述路况模型子模块包括公路沿线设施子模块和公路基本设施子模块；所述公路沿线设施子模块将公路沿线设施如符合实际公路应用场景的护栏基础、路侧构筑物等影响因素赋予所述基础护栏模型建立子模块，且所述公路基本设施子模块将公路线形、路面建设情况等交通工程的影响因素赋予所述基础护栏模型建立子模块形成公路适应护栏模型；所述护栏模型的建立与验证分模块通过所述仿真碰撞模块进行仿真碰撞后的碰撞数据与现有真实护栏样品碰撞试验数据相比对，调整所述公路适应护栏模型使之得到验证；

所述护栏的公路适应安全性能评价模块包括公路适应碰撞条件和碰撞位置选取子模块、护栏的公路适应安全性能评价指标设定子模块和护栏的公路适应安全性能评价及结果展示子模块；所述公路适应碰撞条件和碰撞位置选取子模块参照现行标准的实车足尺碰撞试验的碰撞条件和碰撞点的选取要求确定碰撞条件数据和碰撞点位置数据，并根据实际情况在所述仿真碰撞模块中对碰撞点位置进行最不利分析确定最终碰撞点数据，所述仿真碰撞模块将所述碰撞条件数据和最终碰撞点数据赋予所述公路适应护栏模型和所述车辆模型进行仿真碰撞；所述护栏的公路适应安全性能评价指标设定子模块根据现行标准中阻挡功能、缓冲功能和导向功能对应的指标要求，设定所述护栏的公路适应安全性能评价指标；所述护栏的公路适应安全性能评价及结果展示子模块根据所述公路适应护栏模型和所述车辆模型的仿真碰撞数据、所述护栏的公路适应安全性能评价指标进行公路沿线设施及公路基本设施的影响程度分析，并进行护栏的公路适应安全性能评价，在公路适应护栏模型达到最大横向动态变形值之前验证所述车辆模型碰撞所述基础护栏模型的总能量变化是否超过5％、沙漏能是否超过系统初始总能量的5％、系统的总质量增加是否超过5％，验证计算结果物理形态变化是否合理，验证是否有单元爆炸，验证是否有负体积单元，考虑加载速度是否合理，若否，则需要调整修改所述车辆模型和/或所述公路适应护栏模型，若是，则给出护栏的公路适应安全性能评价结果；

所述护栏安全性能评价结论模块根据所述护栏的公路适应安全性能评价结果，将所述护栏的公路适应安全性能分为优秀、良好、一般或差，编制并输出护栏的公路适应安全性能仿真评价报告。

作为优选，所述公路适应护栏模型包括所述基础护栏模型、公路沿线设施模型和公路基本设施模型，所述公路沿线设施模型包括护栏基础分模型和路侧构筑物分模型，所述公路基本设施模型包括公路线形分模型和路面建设情况分模型。

作为优选，所述护栏基础分模型包括路基护栏基础子模型和桥梁护栏基础子模型，所述路基护栏基础子模型包括路基护栏基础形式模型、埋深模型、土基压实度模型、土路肩模型、边坡模型和人孔模型；所述桥梁护栏基础子模型包括翼缘板模型、梁板厚度模型、配筋模型、预埋连接模型、伸缩缝模型和桥台模型；所述翼缘板形式模型包括混凝土箱梁模型和钢箱梁模型；

所述路侧构筑物分模型包括桥墩子模型、隧道检修道子模型、隧道洞门子模型、标志立柱子模型、照明灯柱子模型、斜拉索子模型、吊杆子模型、监控设施子模型、声屏障子模型、防眩设施子模型、防抛网子模型和边沟子模型；

所述公路线形分模型包括超高子模型、横坡子模型、纵坡子模型、平曲线子模型和竖曲线子模型；

所述路面建设情况分模型包括路面形式子模型、路缘石子模型、拦水带子模型和护轮带子模型。

作为优选，所述基础护栏模型建立子模块包括基础护栏整体模型建立子模块和基础护栏单元模型建立子模块，所述基础护栏单元模型建立子模块的基础护栏单元模型按照设计图纸进行装配形成所述基础护栏整体模型建立子模块的基础护栏整体模型；所述基础护栏模型验证子模块包括基础护栏整体模型验证子模块和基础护栏单元模型验证子模块，所述基础护栏整体模型验证子模块对所述基础护栏整体模型进行整体性能验证，所述基础护栏单元模型验证子模块对所述基础护栏关键零部件的基础护栏单元模型进行性能验证。

作为优选，所述的护栏的公路适应安全性能评价仿真系统还包括存储模块，所述存储模块包括公路适应护栏模型数据库、车辆模型数据库，所述护栏模型建立与验证分模块，根据输入的护栏结构数据和路况数据，建立并验证相应结构的公路适应护栏模型并将验证后的公路适应护栏模型存储于所述公路适应护栏模型数据库，或通过调用模块从所述公路适应护栏模型数据库调取相应结构的公路适应护栏模型；所述车辆模型建立与验证分模块，根据输入的车辆数据，建立并验证相应的车辆模型并存储于所述车辆模型数据库，或通过所述调用模块从所述车辆模型数据库调取相应的车辆模型。

作为优选，所述存储模块还包括仿真碰撞模型数据库，所述仿真碰撞模块将所述碰撞条件数据和碰撞点数据赋予所述公路适应护栏模型和所述车辆模型，形成仿真碰撞模型，并将所述仿真碰撞模型存储于所述仿真碰撞模型数据库，或通过所述调用模块从所述仿真碰撞模型数据库调取相应的仿真碰撞模型到所述仿真碰撞模块。

作为优选，所述公路适应护栏模型还包括护栏失效模型；所述车辆模型具有运动性能和准确的几何形状，所述车辆模型的重要结构采用有限元网格建模，所述车辆模型的非重要结构用具有惯性特性或功能特性的质量点或刚体建模；所述车辆模型以车辆长度方向为X轴，车辆宽度方向为Y轴，车辆高度方向为Z轴建立车辆坐标系，所述车辆坐标系遵守右手定则；所述车辆数据至少包括车辆模型总质量数据、几何尺寸数据和重心位置数据。

作为优选，所述护栏的公路适应安全性能评价仿真系统的开发系统应具备处理所述仿真碰撞模块的碰撞过程非线性问题的功能，具备或能够建立所述公路适应护栏模型和所述车辆模型的单元模型数据库，具备或能够建立所述公路适应护栏模型和所述车辆模型的材料数据库；具备或能够建立所述仿真碰撞模块中的所述车辆模型碰撞所述公路适应护栏模型物理过程的摩擦接触类型数据库；所述仿真碰撞模块应满足能够输出车辆模型和公路适应护栏模型的吸收能量的计算功能要求，能够处理所述车辆模型和所述公路适应护栏模型的绊阻的计算功能要求，能够定义加速度传感器及其计算功能要求，能够提取所述车辆模型运行轨迹的计算功能要求。

作为优选，所述车辆模型包括车身模型、车架模型、悬架模型、车轮模型及转向系统模型，所述车身模型使用有限元模型中的壳单元建模，且所述车身模型的形状和材料属性与实际车辆相同，所述车身模型的材质至少包括钢或铝合金等金属；所述车架模型使用有限元模型中的壳单元建模，所述车架模型的内部构件连接模型采用刚性点焊单元模型和/或螺栓单元模型，所述车架模型建模计算过程中的车架模型数据包括车架的有效扭转刚度、车辆部件与车架刚性连接数据弹性连数据接；所述悬架模型在有限元模型中采用简化模型，所述悬架模型的导向机构及减震器使用简单的壳体或实体单元建模，所述悬架模型的弹性元件或转向节用离散一维单元建模；所述车轮模型包括轮毂模型和轮胎模型，所述车轮模型可自由滚动，所述轮胎模型的内部用安全气囊压力体积模拟充气状态，所述轮胎模型的表面与路面之间定义有静摩擦系数建模值和动态摩擦系数建模值，所述动摩擦系数建模值比实际轮胎动摩擦系数值低30％；所述转向系统模型包括方向盘模型、转向轴模型、转向器模型、转向横拉杆模型、减震机构模型及连接机构模型，所述转向系统模型中的转向横拉杆模型、方向盘模型和转向器模型使用壳体单元建模并进行配重，所述转向轴模型、转向横拉杆模型及连接机构模型用离散一维单元建模，所述转向系统模型还包括车辆前轮转弯组件模型；所述公路适应护栏模型使用有限元模型中的金属板壳单元建模，所述金属板壳单元采用四边形单元及三角形单元划分网格，所述三角形单元不应超过公路适应护栏模型中单元总数的5％，且在单个钣金中不应超过其单元总数的10％；所述车辆模型与所述公路适应护栏模型的验证用过实车足尺碰撞试验进行对比验证；所述车辆模型的验证通过所述车辆模型建立与验证模块进行车辆零部件验证、线形轨迹验证、过减速带验证及整车碰撞验证；所述公路适应护栏模型的验证通过所述车辆模型建立与验证模块进行护栏结构验证、护栏材料验证、护栏碰撞变形验证；所述车辆模型的各模型部件的连接和所述公路适应护栏模型的各模型部件的连接均通过焊接模型、胶粘模型及螺栓连接模型进行锚固连接；所述焊接模型使用有限元模型的刚性单元建模，焊接节点一一对应，焊接节点间的投影距离不超过7mm；焊接两个相邻板的两个焊接节点之间的最大距离不大于10mm，80％情况下不应该大于7mm；所述焊接模型的缝焊模型通过刚性连接焊缝中的各焊接节点来建模，并定义缝焊模型失效标准；所述胶粘模型胶粘处使用有限元模型的实体单元建模，如果胶粘处有结构性功能，则在重合的胶粘节点之间采用单自由度弹簧元件建模，提供足够的弹簧特性；如果胶粘处没有结构性功能，则忽略；所述螺栓连模型包括摩擦模型、接头滑移模型、螺栓张力模型、螺栓弯曲模型、螺栓剪切模型、接触定义模型、材料失效准则模型、螺栓预紧力模型和螺栓拉拔力模型。

一种护栏的公路适应安全性能评价仿真方法，采用上述的基于护栏的公路适应安全性能评价仿真系统进行护栏的公路适应安全性能评价。

本发明的技术效果如下：

1、本发明一种护栏的公路适应安全性能评价仿真系统及方法，以有限元法计算机仿真模拟作为技术手段，通过建立与实际工况相符的1∶1模型，参照《公路护栏安全性能评价标准》(JTG B05-01)对护栏检测的碰撞条件，对护栏安全性能进行护栏的公路适应安全性能评价。仿真模拟技术能够摒弃试验场地和车辆受限的弊病，即采用仿真技术模拟车辆模型、公路适应护栏模型等并模拟各种复杂公路路况、各种车辆类型、不同碰撞条件下，车辆碰撞对护栏结构的影响。计算机仿真模拟技术具有费用省、周期短、可模拟各种复杂工况的优势。

2、本发明的护栏的公路适应安全性能评价仿真系统及方法，护栏的公路适应安全性能评价模块，既能够根据真实路面情况模拟分析护栏的公路适应安全性能，又能够准确设定碰撞位置、碰撞角度、碰撞速度以提高检测精度、检测效率和检测有效性或权威性，从而有利于交管部门对护栏安全性在真实、客观的监测数据基础上进行准确评价和把控，也有利于业主和监理根据规范指标要求对护栏进行现场验收，充分保障并加强公路护栏的安全性能。

3、本发明的护栏的公路适应安全性能评价仿真系统及方法，护栏的公路适应安全性能评价分模块中，公路适应护栏模型的建立不仅考虑了基础护栏模型，还对基础护栏模型施加了括公路沿线设施模型和公路基本设施模型的路况模型，并进行了公路沿线设施影响程度分析，且采用了仿真方法对碰撞点位置进行最不利分析，使得仿真评价结果更加可靠。

4、本发明的护栏的公路适应安全性能评价仿真系统及方法结合护栏安全评价的现状与发展趋势，制订出符合我国国情的第一部《公路护栏安全性能仿真评价标准》，对现有标准体系起到补充和完善的作用。

附图说明

图1为本发明所述护栏的公路适应安全性能评价仿真系统及方法的流程示意图；

图2为本发明所述护栏的公路适应安全性能评价仿真系统及方法的仿真碰撞模型简化示意图；

图3是本发明所述护栏的公路适应安全性能评价仿真系统及方法的车辆类型为大型客车的车辆模型碰撞高架桥梁弯道的公路适应护栏模型检测示意图；

图4是本发明所述护栏的公路适应安全性能评价仿真系统及方法的带桥梁翼缘板和桥墩的公路适应护栏模型与车辆类型为大型客车的车辆模型的仿真碰撞模型示意图。

图5是本发明所述护栏的公路适应安全性能评价仿真系统及方法的车辆类型为大型客车的车辆模型撞击带桥梁翼缘板和桥墩的公路适应护栏模型的行驶导向驶出框示意图。

图6是本发明所述护栏的公路适应安全性能评价仿真系统及方法的带桥梁翼缘板和桥墩的公路适应护栏模型与车辆类型为大型客车的车辆模型的仿真碰撞后输出的护栏的公路适应安全性能仿真评价报告中的基础护栏模型受力曲线值示意图。

图7是本发明所述护栏的公路适应安全性能评价仿真系统及方法的带桥梁板货物桥墩的公路适应护栏模型与车辆类型为大型客车的车辆模型的仿真碰撞后输出的护栏的公路适应安全性能仿真评价报告中的桥梁翼缘板模型受力曲线值示意图。

附图标记列示如下：1-行驶；2-公路适应护栏模型；3-车辆模型；4-预设碰撞位置；5-速度传感器，6-假人模型；A-预设碰撞角度；B-预设碰撞速度；7-车辆模型行驶轮迹；8-导向驶出框。

具体实施方式

为了便于理解本发明，在结合附图1-7和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。

如图1和图2所示，本发明一种护栏的公路适应安全性能评价仿真系统，利用有限元法的仿真模拟软件建立仿真模型，模拟各种复杂公路路况、各种车辆类型下对护栏防护能力的影响，根据仿真模型计算结果对公路护栏安全性能进行评价并给出结论。

随着计算机软硬件的不断发展，采用基于有限元方法的计算机仿真模拟技术日趋成熟，相比现行标准《公路护栏安全性能评价标准》(JTG B05-01)中的实车足尺碰撞试验，计算机仿真同样可以建立与实际工况相符的1∶1模型，且计算机仿真模拟技术具有费用省、周期短、可模拟各种复杂工况的优势。在公路护栏安全性能评价领域，计算机仿真模拟技术已经达到可以部分代替实车足尺碰撞试验的技术水平，并在很大程度上可以对其进行有效的补充和完善。计算机仿真可评价公路护栏结构是否达到相应防护等级，可评价公路护栏对于公路适应条件的安全性能，还可评价公路护栏对于车辆多样性的适应安全性能，将综合的评估护栏的安全水平，并给出相应结论。

本发明一种护栏的公路适应安全性能评价仿真系统主要用于评价护栏的公路适应安全性能。在本发明一种护栏的公路适应安全性能评价仿真系统搭建之前，需要进行前期的资料调研，比如，在至少需要获取护栏的详细构造图、护栏及公路的相关设计图和施工图、已有的护栏结构安全性能评价资料和其他可用于评价的相关资料、公路现场的连续摄像或图片、公路的交通流特征、公路上行驶的主要车辆类型及其详细构造图等。

具体地，护栏的公路适应安全性能评价仿真系统包括仿真模型建立与验证模块、仿真碰撞模块、护栏的公路适应安全性能评价模块和护栏的公路适应安全性能评价结论模块，所述仿真模型建立与验证模块包括护栏模型的建立与验证分模块、车辆模型的建立与验证分模块，所述车辆模型建立与验证分模块根据现行评价标准规定的车辆类型和/或公路实际车流量选取的一种或多种车辆类型建立并验证车辆模型3；

所述护栏模型建立与验证分模块包括基础护栏的模型建立与验证子模块和路况模型子模块，所述基础护栏模型建立与验证子模块根据护栏结构尺寸、材料型号和性能指标严格按照护栏的设计图建立基础护栏模型，并通过所述仿真碰撞模块进行仿真碰撞后的碰撞数据与现有真实护栏样品碰撞试验数据相比对，调整所述基础护栏模型使之得到验证；所述路况模型子模块包括公路沿线设施子模块和公路基本设施子模块；具体如图2-4所示，所述公路沿线设施子模块将公路沿线设施如符合实际公路应用场景的护栏基础、路侧构筑物等影响因素赋予所述基础护栏模型建立子模块，且所述公路基本设施子模块将公路线形、路面建设情况等交通工程的影响因素赋予所述基础护栏模型建立子模块形成公路适应护栏模型2；所述护栏模型的建立与验证分模块通过所述仿真碰撞模块进行仿真碰撞后的碰撞数据与现有真实护栏样品碰撞试验数据相比对，调整所述公路适应护栏模型2使之得到验证；

具体地，所述公路适应护栏模型2包括所述基础护栏模型、公路沿线设施模型和公路基本设施模型，所述公路沿线设施模型包括护栏基础分模型和路侧构筑物分模型，所述公路基本设施模型包括公路线形分模型和路面建设情况分模型。

所述护栏基础分模型包括路基护栏基础子模型和桥梁护栏基础子模型，所述路基护栏基础子模型包括路基护栏基础形式模型、埋深模型、土基压实度模型、土路肩模型、边坡模型和人孔模型；所述桥梁护栏基础子模型包括翼缘板模型、梁板厚度模型、配筋模型、预埋连接模型、伸缩缝模型和桥台模型；所述翼缘板形式模型包括混凝土箱梁模型和钢箱梁模型；所述翼缘板模型包括混凝土箱梁模型和钢箱梁模型。

所述路侧构筑物分模型包括桥墩子模型、隧道检修道子模型、隧道洞门子模型、标志立柱子模型、照明灯柱子模型、斜拉索子模型、吊杆子模型、监控设施子模型、声屏障子模型、防眩设施子模型、防抛网子模型和边沟子模型；所述公路线形分模型包括超高子模型、横坡子模型、纵坡子模型、平曲线子模型和竖曲线子模型；所述路面建设情况分模型包括路面形式子模型、路缘石子模型、拦水带子模型和护轮带子模型。

所述护栏的公路适应安全性能评价模块包括公路适应碰撞条件和碰撞位置选取子模块、护栏的公路适应安全性能评价指标设定子模块和护栏的公路适应安全性能评价及结果展示子模块；所述公路适应碰撞条件和碰撞位置选取子模块参照现行标准的实车足尺碰撞试验的碰撞条件和碰撞点即碰撞位置4的选取要求确定碰撞条件数据和碰撞点位置数据，并根据实际情况在所述仿真碰撞模块中对碰撞点位置进行最不利分析确定最终碰撞点数据，所述仿真碰撞模块将所述碰撞条件数据和最终碰撞点数据赋予所述公路适应护栏模型2和所述车辆模型3进行仿真碰撞，形成仿真碰撞模型；如图2所示为仿真碰撞模型简化示意图，将碰撞条件数据中的速度传感器5数据、预设碰撞角度A和预设碰撞速度B赋予所述护栏模型2和所述车辆模型3使其发生碰撞。

所述护栏的公路适应安全性能评价指标设定子模块根据现行标准中阻挡功能、缓冲功能和导向功能对应的指标要求，设定所述护栏的公路适应安全性能评价指标。

所述护栏的公路适应安全性能评价及结果展示子模块根据所述公路适应护栏模型和所述车辆模型的仿真碰撞数据、所述护栏的公路适应安全性能评价指标进行公路沿线设施及公路基本设施的影响程度分析，并进行护栏的公路适应安全性能评价，在所述公路适应护栏模型达到最大横向动态变形值之前验证所述车辆模型碰撞所述基础护栏模型的总能量变化是否超过5％、沙漏能是否超过系统初始总能量的5％、系统的总质量增加是否超过5％，验证计算结果物理形态变化是否合理，验证是否有单元爆炸，验证是否有负体积单元，考虑加载速度是否合理，若否，则需要调整修改所述车辆模型3和/或所述公路适应护栏模型2，若是，则给出护栏的公路适应安全性能评价结果；

所述护栏安全性能评价结论模块根据所述护栏的公路适应安全性能评价结果，将所述护栏的公路适应安全性能分为优秀、良好、一般或差，编制并输出护栏的公路适应安全性能仿真评价报告，输出的护栏的公路适应安全性能仿真评价报告包括如图6-7所示的受力曲线示意图。

作为优选，所述基础护栏模型建立子模块包括基础护栏整体模型建立子模块和基础护栏单元模型建立子模块，所述基础护栏单元模型建立子模块的基础护栏单元模型按照设计图纸进行装配形成所述基础护栏整体模型建立子模块的基础护栏整体模型；所述基础护栏模型验证子模块包括基础护栏整体模型验证子模块和基础护栏单元模型验证子模块，所述基础护栏整体模型验证子模块对所述基础护栏整体模型进行整体性能验证，所述基础护栏单元模型验证子模块对所述基础护栏关键零部件的基础护栏单元模型进行性能验证。

作为优选，所述的护栏的公路适应安全性能评价仿真系统还包括存储模块，所述存储模块包括公路适应护栏模型数据库、车辆模型数据库，所述公路适应护栏模型建立与验证分模块，根据输入的护栏结构数据和路况数据，建立并验证相应结构的公路适应护栏模型2并将验证后的公路适应护栏模型2存储于所述公路适应护栏模型数据库，或通过调用模块从所述公路适应护栏模型数据库调取相应结构的公路适应护栏模型2；所述车辆模型建立与验证分模块，根据输入的车辆数据，建立并验证相应的车辆模型并存储于所述车辆模型数据库，或通过所述调用模块从所述车辆模型数据库调取相应的车辆模型3。

优选地，所述存储模块还包括仿真碰撞模型数据库，所述仿真碰撞模块将所述碰撞条件数据和碰撞点数据赋予所述公路适应护栏模型2和所述车辆模型3，形成仿真碰撞模型，并将所述仿真碰撞模型存储于所述仿真碰撞模型数据库，或通过所述调用模块从所述仿真碰撞模型数据库调取相应的仿真碰撞模型到所述仿真碰撞模块。

优选地，所述公路适应护栏模型2还包括护栏失效模型；所述车辆模型具有运动性能和准确的几何形状，所述车辆模型的重要结构采用有限元网格建模，所述车辆模型的非重要结构用具有惯性特性或功能特性的质量点或刚体建模；所述车辆模型以车辆长度方向为X轴，车辆宽度方向为Y轴，车辆高度方向为Z轴建立车辆坐标系，所述车辆坐标系遵守右手定则；所述车辆数据至少包括车辆模型总质量数据、几何尺寸数据和重心位置数据。优选地，所述车辆模型内设有假人模型6。

优选地，所述护栏的公路适应安全性能评价仿真系统的开发系统应具备处理所述仿真碰撞模块的碰撞过程非线性问题的功能，具备或能够建立所述公路适应护栏模型2和所述车辆模型3的单元模型数据库，具备或能够建立所述公路适应护栏模型2和所述车辆模型3的材料数据库；具备或能够建立所述仿真碰撞模块中的所述车辆模型3碰撞所述公路适应护栏模型2物理过程的摩擦接触类型数据库；所述仿真碰撞模块应满足能够输出车辆模型3和公路适应护栏模型2的吸收能量的计算功能要求，能够处理所述车辆模型3和所述公路适应护栏模型2的绊阻的计算功能要求，能够定义加速度传感器及其计算功能要求，能够提取所述车辆模型3运行轨迹的计算功能要求。

优选地，所述车辆模型3包括车身模型、车架模型、悬架模型、车轮模型及转向系统模型，所述车身模型使用有限元模型中的壳单元建模，且所述车身模型的形状和材料属性与实际车辆相同，所述车身模型的材质至少包括钢或铝合金等金属；所述车架模型使用有限元模型中的壳单元建模，所述车架模型的内部构件连接模型采用刚性点焊单元模型和/或螺栓单元模型，所述车架模型建模计算过程中的车架模型数据包括车架的有效扭转刚度、车辆部件与车架刚性连接数据弹性连数据接；所述悬架模型在有限元模型中采用简化模型，所述悬架模型的导向机构及减震器使用简单的壳体或实体单元建模，所述悬架模型的弹性元件或转向节用离散一维单元建模；所述车轮模型包括轮毂模型和轮胎模型，所述车轮模型可自由滚动，所述轮胎模型的内部用安全气囊压力体积模拟充气状态，所述轮胎模型的表面与路面之间定义有静摩擦系数建模值和动态摩擦系数建模值，所述动摩擦系数建模值比实际轮胎动摩擦系数值低30％；所述转向系统模型包括方向盘模型、转向轴模型、转向器模型、转向横拉杆模型、减震机构模型及连接机构模型，所述转向系统模型中的转向横拉杆模型、方向盘模型和转向器模型使用壳体单元建模并进行配重，所述转向轴模型、转向横拉杆模型及连接机构模型用离散一维单元建模，所述转向系统模型还包括车辆前轮转弯组件模型；所述公路适应护栏模型使用有限元模型中的金属板壳单元建模，所述金属板壳单元采用四边形单元及三角形单元划分网格，所述三角形单元不应超过公路适应护栏模型中单元总数的5％，且在单个钣金中不应超过其单元总数的10％；所述车辆模型与所述公路适应护栏模型的验证用过实车足尺碰撞试验进行对比验证；所述车辆模型的验证通过所述车辆模型建立与验证模块进行车辆零部件验证、线形轨迹验证、过减速带验证及整车碰撞验证；所述公路适应护栏模型的验证通过所述车辆模型建立与验证模块进行护栏结构验证、护栏材料验证、护栏碰撞变形验证；所述车辆模型的各模型部件的连接和所述公路适应护栏模型的各模型部件的连接均通过焊接模型、胶粘模型及螺栓连接模型进行锚固连接；所述焊接模型使用有限元模型的刚性单元建模，焊接节点一一对应，焊接节点间的投影距离不超过7mm；焊接两个相邻板的两个焊接节点之间的最大距离不大于10mm，80％情况下不应该大于7mm；所述焊接模型的缝焊模型通过刚性连接焊缝中的各焊接节点来建模，并定义缝焊模型失效标准；所述胶粘模型胶粘处使用有限元模型的实体单元建模，如果胶粘处有结构性功能，则在重合的胶粘节点之间采用单自由度弹簧元件建模，提供足够的弹簧特性；如果胶粘处没有结构性功能，则忽略；所述螺栓连模型包括摩擦模型、接头滑移模型、螺栓张力模型、螺栓弯曲模型、螺栓剪切模型、接触定义模型、材料失效准则模型、螺栓预紧力模型和螺栓拉拔力模型。

实施例2

一种护栏的公路适应安全性能评价仿真方法，采用上述的基于护栏的公路适应安全性能评价仿真系统进行护栏的公路适应安全性能评价，具体地，本发明所述的护栏的公路适应安全性能评价仿真方法是指利用有限元法建立仿真模型，根据仿真模型计算结果对护栏的公路适应安全性能进行评价的一种方法，其流程图如图1所示，具体包括以下步骤：

前期资料调研：至少需要获取护栏的详细构造图，获取公路现场的连续摄像或图片、护栏及公路的相关设计图和施工图、已有的护栏结构安全性能评价资料和其他可用于评价的相关资料，获取公路的交通流特征和护栏的详细构造图，并通过查询现行标准《公路护栏安全性能评价标准》(JTG B05-01)，获取护栏结构数据，公路特征数据，车辆数据及碰撞条件等；

通过有限元法的仿真模拟软件建立上述的护栏的公路适应安全性能评价仿真系统；其中，公路适应护栏模型、车辆模型应至少满足下述条件：

①车辆模型应具有真实的运动性能和准确的几何形状；

②车辆模型重要结构应采用有限元网格建模，简化部件可用具有惯性特性或功能特性的质量点或刚体表示；

③车辆模型坐标系应为：车辆长度方向为X轴，车辆宽度方向为Y轴，车辆高度方向为Z轴，X-Y-Z坐标系遵守右手定则；

④公路适应护栏模型应按照护栏结构与工况条件进行建模，包含重要部件、部件连接、边界条件；

⑤公路适应护栏模型使用的材料应与真实测试样品的材料一致；

⑥公路适应护栏模型应使用与车辆模型统一的坐标系；

⑦路况模型子模块应符合实际应用的基础、路侧构筑物、公路线形、路面建设情况。

所述护栏的公路适应安全性能评价仿真系统应当进行仿真模型系统的准确性验证：即通过对仿真模型的计算机仿真结果，与符合《公路护栏安全性能评价标准》(JTG B05-01)要求的碰撞试验结果或实际道路发生的事故情况进行对比，保证仿真模型的准确性，其车辆模型和公路适应护栏模型应至少由认证机构或《公路护栏安全性能仿真评价标准》的主编单位进行审查验证；验证范围包括但不限于：

①车辆模型应通过必要的测试对其车辆整体模型和车辆单元分模型的性能进行验证；

②公路适应护栏模型可通过护栏单元模型验证子模块对所述护栏关键零部件的护栏单元模型进行性能验证；

③公路适应护栏模型应能够应用于不同的车辆模型碰撞分析，并要求在数值上稳定；

④公路适应护栏模型应能够实现失效模式；

⑤护栏的公路适应仿真模型验证应编制《护栏的公路适应安全性能评价模型验证报告》。

(3)护栏的公路适应安全性能仿真评价，公路适应护栏模型的碰撞条件和碰撞点位置应参照现行《公路护栏安全性能评价标准》(JTG B05-01)的规定，评价护栏对于公路其它沿线设施及交通工程条件适应的安全性能；护栏的公路适应安全性能仿真评价需同时满足现行《公路护栏安全性能评价标准》(JTG B05-01)中阻挡功能、缓冲功能和导向功能对应的指标要求，评判护栏的公路适应安全性能为优秀或良好或一般或差；最终的公路适应安全性能评价应编制《公路护栏安全性能仿真评价公路适应安全性能评价报告》。

(4)最终形成《公路护栏安全性能仿真评价公路适应安全性能评价报告》，并根据现行《公路护栏安全性能评价标准》(JTG B05-01)中阻挡功能、缓冲功能和导向功能对应的指标要求，依据计算机仿真计算结果，给出其护栏结构满足相应的防护等级的要求，或者不满足所验证防护等级要求的评价结论；在《公路护栏安全性能仿真评价公路适应安全性能评价报告》中给出护栏的公路适应安全性能优秀、或良好、或一般、或差的结论；在《公路护栏安全性能仿真评价公路适应安全性能评价报告》中给出护栏的公路适应安全性能优秀、或较差、或差、或极差的结论。并给出详细的分析过程，比如图5所示的车辆类型为大型客车的车辆模型撞击带桥梁翼缘板和桥墩的公路适应护栏模型的行驶导向驶出框示意图，图6所示的带桥梁翼缘板和桥墩的公路适应护栏模型与车辆类型为大型客车的车辆模型的仿真碰撞后输出的护栏的公路适应安全性能仿真评价报告中的基础护栏模型受力曲线值示意图，和图7所示的带桥梁板货物桥墩的公路适应护栏模型与车辆类型为大型客车的车辆模型的仿真碰撞后输出的护栏的公路适应安全性能仿真评价报告中的桥梁翼缘板模型受力曲线值示意图。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改变，其均应涵盖在本发明专利的保护范围当中。

Claims (9)

1.一种护栏的公路适应安全性能评价仿真系统，其特征在于，包括仿真模型建立与验证模块、仿真碰撞模块、护栏的公路适应安全性能评价模块和护栏的公路适应安全性能评价结论模块，

所述仿真模型建立与验证模块包括护栏模型的建立与验证分模块、车辆模型的建立与验证分模块，

所述车辆模型建立与验证分模块根据现行评价标准规定的车辆类型和/或公路实际车流量选取的一种或多种车辆类型建立并验证车辆模型；

所述护栏模型建立与验证分模块包括基础护栏的模型建立与验证子模块和路况模型子模块，所述基础护栏模型建立与验证子模块根据护栏结构尺寸、材料型号和性能指标严格按照护栏的设计图建立基础护栏模型，并通过所述仿真碰撞模块进行仿真碰撞后的碰撞数据与现有真实护栏样品碰撞试验数据相比对，调整所述基础护栏模型使之得到验证；

所述路况模型子模块包括公路沿线设施子模块和公路基本设施子模块；所述公路沿线设施子模块将公路沿线设施如符合实际公路应用场景的护栏基础、路侧构筑物影响因素赋予所述基础护栏模型建立子模块，且所述公路基本设施子模块将公路线形、路面建设情况交通工程的影响因素赋予所述基础护栏模型建立子模块形成公路适应护栏模型；所述护栏模型的建立与验证分模块通过所述仿真碰撞模块进行仿真碰撞后的碰撞数据与现有真实护栏样品碰撞试验数据相比对，调整所述公路适应护栏模型使之得到验证；

所述护栏的公路适应安全性能评价模块包括公路适应碰撞条件和碰撞位置选取子模块、护栏的公路适应安全性能评价指标设定子模块和护栏的公路适应安全性能评价及结果展示子模块；所述公路适应碰撞条件和碰撞位置选取子模块参照现行标准的实车足尺碰撞试验的碰撞条件和碰撞点的选取要求确定碰撞条件数据和碰撞点位置数据，并根据实际情况在所述仿真碰撞模块中对碰撞点位置进行最不利分析确定最终碰撞点数据，所述仿真碰撞模块将所述碰撞条件数据和最终碰撞点数据赋予所述公路适应护栏模型和所述车辆模型进行仿真碰撞；所述护栏的公路适应安全性能评价指标设定子模块根据现行标准中阻挡功能、缓冲功能和导向功能对应的指标要求，设定所述护栏的公路适应安全性能评价指标；所述护栏的公路适应安全性能评价及结果展示子模块根据所述公路适应护栏模型和所述车辆模型的仿真碰撞数据、所述护栏的公路适应安全性能评价指标进行公路沿线设施及公路基本设施的影响程度分析，并进行护栏的公路适应安全性能评价，在公路适应护栏模型达到最大横向动态变形值之前验证所述车辆模型碰撞所述基础护栏模型的总能量变化是否超过5％、沙漏能是否超过系统初始总能量的5％、系统的总质量增加是否超过5％，验证计算结果物理形态变化是否合理，验证是否有单元爆炸，验证是否有负体积单元，考虑加载速度是否合理，若否，则需要调整修改所述车辆模型和/或所述公路适应护栏模型，若是，则给出护栏的公路适应安全性能评价结果；

所述护栏安全性能评价结论模块根据所述护栏的公路适应安全性能评价结果，将所述护栏的公路适应安全性能分为优秀、良好、一般或差，编制并输出护栏的公路适应安全性能仿真评价报告；

所述车辆模型包括车身模型、车架模型、悬架模型、车轮模型及转向系统模型，所述车身模型使用有限元模型中的壳单元建模，且所述车身模型的形状和材料属性与实际车辆相同，所述车身模型的材质至少包括钢或铝合金金属；所述车架模型使用有限元模型中的壳单元建模，所述车架模型的内部构件连接模型采用刚性点焊单元模型和/或螺栓单元模型，所述车架模型建模计算过程中的车架模型数据包括车架的有效扭转刚度、车辆部件与车架刚性连接数据弹性连数据接；所述悬架模型在有限元模型中采用简化模型，所述悬架模型的导向机构及减震器使用简单的壳体或实体单元建模，所述悬架模型的弹性元件或转向节用离散一维单元建模；所述车轮模型包括轮毂模型和轮胎模型，所述车轮模型可自由滚动，所述轮胎模型的内部用安全气囊压力体积模拟充气状态，所述轮胎模型的表面与路面之间定义有静摩擦系数建模值和动态摩擦系数建模值，所述动态摩擦系数建模值比实际轮胎动摩擦系数值低30％；所述转向系统模型包括方向盘模型、转向轴模型、转向器模型、转向横拉杆模型、减震机构模型及连接机构模型，所述转向系统模型中的转向横拉杆模型、方向盘模型和转向器模型使用壳体单元建模并进行配重，所述转向轴模型、转向横拉杆模型及连接机构模型用离散一维单元建模，所述转向系统模型还包括车辆前轮转弯组件模型；所述公路适应护栏模型使用有限元模型中的金属板壳单元建模，所述金属板壳单元采用四边形单元及三角形单元划分网格，所述三角形单元不应超过公路适应护栏模型中单元总数的5％，且在单个钣金中不应超过其单元总数的10％；所述车辆模型与所述公路适应护栏模型的验证用过实车足尺碰撞试验进行对比验证；所述车辆模型的验证通过所述车辆模型建立与验证模块进行车辆零部件验证、线形轨迹验证、过减速带验证及整车碰撞验证；所述公路适应护栏模型的验证通过所述车辆模型建立与验证模块进行护栏结构验证、护栏材料验证、护栏碰撞变形验证；所述车辆模型的各模型部件的连接和所述公路适应护栏模型的各模型部件的连接均通过焊接模型、胶粘模型及螺栓连接模型进行锚固连接；所述焊接模型使用有限元模型的刚性单元建模，焊接节点一一对应，焊接节点间的投影距离不超过7mm；焊接两个相邻板的两个焊接节点之间的最大距离不大于10mm，80％情况下不应该大于7mm；所述焊接模型的缝焊模型通过刚性连接焊缝中的各焊接节点来建模，并定义缝焊模型失效标准；所述胶粘模型胶粘处使用有限元模型的实体单元建模，如果胶粘处有结构性功能，则在重合的胶粘节点之间采用单自由度弹簧元件建模，提供足够的弹簧特性；如果胶粘处没有结构性功能，则忽略；所述螺栓连模型包括摩擦模型、接头滑移模型、螺栓张力模型、螺栓弯曲模型、螺栓剪切模型、接触定义模型、材料失效准则模型、螺栓预紧力模型和螺栓拉拔力模型。

2.根据权利要求1所述的护栏的公路适应安全性能评价仿真系统，其特征在于，所述公路适应护栏模型包括所述基础护栏模型、公路沿线设施模型和公路基本设施模型，所述公路沿线设施模型包括护栏基础分模型和路侧构筑物分模型，所述公路基本设施模型包括公路线形分模型和路面建设情况分模型。

3.根据权利要求2所述的护栏的公路适应安全性能评价仿真系统，其特征在于，所述护栏基础分模型包括路基护栏基础子模型和桥梁护栏基础子模型，所述路基护栏基础子模型包括路基护栏基础形式模型、埋深模型、土基压实度模型、土路肩模型、边坡模型和人孔模型；所述桥梁护栏基础子模型包括翼缘板模型、梁板厚度模型、配筋模型、预埋连接模型、伸缩缝模型和桥台模型；所述翼缘板形式模型包括混凝土箱梁模型和钢箱梁模型；

所述路侧构筑物分模型包括桥墩子模型、隧道检修道子模型、隧道洞门子模型、标志立柱子模型、照明灯柱子模型、斜拉索子模型、吊杆子模型、监控设施子模型、声屏障子模型、防眩设施子模型、防抛网子模型和边沟子模型；

所述公路线形分模型包括超高子模型、横坡子模型、纵坡子模型、平曲线子模型和竖曲线子模型；

所述路面建设情况分模型包括路面形式子模型、路缘石子模型、拦水带子模型和护轮带子模型。

4.根据权利要求1所述的护栏的公路适应安全性能评价仿真系统，其特征在于，所述基础护栏模型建立子模块包括基础护栏整体模型建立子模块和基础护栏单元模型建立子模块，所述基础护栏单元模型建立子模块的基础护栏单元模型按照设计图纸进行装配形成所述基础护栏整体模型建立子模块的基础护栏整体模型；所述基础护栏模型验证子模块包括基础护栏整体模型验证子模块和基础护栏单元模型验证子模块，所述基础护栏整体模型验证子模块对所述基础护栏整体模型进行整体性能验证，所述基础护栏单元模型验证子模块对所述基础护栏关键零部件的基础护栏单元模型进行性能验证。

5.根据权利要求1所述的护栏的公路适应安全性能评价仿真系统，其特征在于，还包括存储模块，所述存储模块包括公路适应护栏模型数据库、车辆模型数据库，所述护栏模型建立与验证分模块，根据输入的护栏结构数据和路况数据，建立并验证相应结构的公路适应护栏模型并将验证后的公路适应护栏模型存储于所述公路适应护栏模型数据库，或通过调用模块从所述公路适应护栏模型数据库调取相应结构的公路适应护栏模型；所述车辆模型建立与验证分模块，根据输入的车辆数据，建立并验证相应的车辆模型并存储于所述车辆模型数据库，或通过所述调用模块从所述车辆模型数据库调取相应的车辆模型。

6.根据权利要求5所述的护栏的公路适应安全性能评价仿真系统，其特征在于，所述存储模块还包括仿真碰撞模型数据库，所述仿真碰撞模块将所述碰撞条件数据和碰撞点数据赋予所述公路适应护栏模型和所述车辆模型，形成仿真碰撞模型，并将所述仿真碰撞模型存储于所述仿真碰撞模型数据库，或通过所述调用模块从所述仿真碰撞模型数据库调取相应的仿真碰撞模型到所述仿真碰撞模块。

7.根据权利要求1所述的护栏的公路适应安全性能评价仿真系统，其特征在于，所述公路适应护栏模型还包括护栏失效模型；所述车辆模型具有运动性能和准确的几何形状，所述车辆模型的重要结构采用有限元网格建模，所述车辆模型的非重要结构用具有惯性特性或功能特性的质量点或刚体建模；所述车辆模型以车辆长度方向为X轴，车辆宽度方向为Y轴，车辆高度方向为Z轴建立车辆坐标系，所述车辆坐标系遵守右手定则；车辆数据至少包括车辆模型总质量数据、几何尺寸数据和重心位置数据。

8.根据权利要求1所述的护栏的公路适应安全性能评价仿真系统，其特征在于，所述护栏的公路适应安全性能评价仿真系统的开发系统应具备处理所述仿真碰撞模块的碰撞过程非线性问题的功能，具备或能够建立所述公路适应护栏模型和所述车辆模型的单元模型数据库，具备或能够建立所述公路适应护栏模型和所述车辆模型的材料数据库；具备或能够建立所述仿真碰撞模块中的所述车辆模型碰撞所述公路适应护栏模型物理过程的摩擦接触类型数据库；所述仿真碰撞模块应满足能够输出车辆模型和公路适应护栏模型的吸收能量的计算功能要求，能够处理所述车辆模型和所述公路适应护栏模型的绊阻的计算功能要求，能够定义加速度传感器及其计算功能要求，能够提取所述车辆模型运行轨迹的计算功能要求。

9.一种护栏的公路适应安全性能评价仿真方法，其特征在于，采用权利要求1-8任一项所述的护栏的公路适应安全性能评价仿真系统进行护栏的公路适应安全性能评价。