CN113792466A - 一种基于abaqus的消能式滚筒及其仿真分析方法 - Google Patents

一种基于abaqus的消能式滚筒及其仿真分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于ABAQUS的消能式滚筒及其仿真分析方法，关于消能式滚筒通过优化设计增设了阻尼弹簧，在车辆与其发生碰撞的过程中能够吸收更大的能量，降低事故破坏性；同时动能下降较快，进而保证车辆在撞击后能够有效的使车辆的速度很快降到一个安全值；关于仿真分析方法，利用ABAQUS建立消能式滚筒及车辆的模型，分析验证模型的有效性和可行性，获取消能式滚筒的内能曲线和动能曲线，其整体的防撞和减速效果明显由于筒体式护栏，同时也优于普通刚性、半刚性及柔性护栏。

Description

一种基于ABAQUS的消能式滚筒及其仿真分析方法
技术领域
本发明涉及安全防护栏技术领域，特别涉及一种基于ABAQUS的消能式滚筒及其仿真分析方法。
背景技术
现役的公路路侧的安全护栏大部分采用刚性混凝土护栏、半刚性护栏及柔性护栏等。这类护栏在高速路段往往无法满足安全防护需要，尤其在山区、长大纵坡、急弯等路段，一旦发生事故，易造成巨大的人员伤亡和财产损失。因而出现了一种新型的以塑料筒体取代传统金属构造的旋转式防护栏。当车失控撞向旋转护栏时，防撞滚桶会随着旋转或挤压，将冲撞带来的能量转变为旋转的动能，减轻伤害。
滚筒式护栏属于新型交通安全设施，现行规范对其缺乏有效技术支撑，导致在国内难以大规模推广；汽车在受到撞击后，在滚筒的作用下改变前进方向，但此时仍具有较大的动能，极有可能造成二次事故；如图1所示，现有技术中的基础结构主要由立柱01、旋转桶02、U型横梁03及连接件等组成，所有钢构件均采用热镀锌防锈处理。立柱01间隔1米或0.7米，每根立柱01上安装两个旋转桶02。该旋转桶02以EVA(乙烯－醋酸乙烯酯共聚物)为主料，添加PE(聚乙烯)及相关化学助剂等17种辅料，在一定温度及压力下，制作而成，具有极高的柔韧性和回弹性，且耐温性能高，持续工作温度在-60℃和70℃之间。
此模型通常安装在高速公路匝道、连续下坡及弯道处。当车辆撞上护栏时，旋转桶自身的旋转功能及其良好的回弹性，可以大大减轻车辆和驾乘人员的受伤害程度，起到良好的保护作用。旋转桶上贴有反光条，夜间行车时，通过灯光的照射，能够充分反映出路线的轮廓，对车辆起到较好的视线诱导作用，进一步保证了行车安全。
汽车与护栏在碰撞持续时间内进行能量交换，与汽车横向合成运动速度的平方成正比的动能转化为护栏与汽车的变形能。车辆与护栏因弹性变形积蓄的能量用恢复系数k来表示，k趋近于1，塑性变形时k趋近于0。试验证明，车辆相撞时，90％～95％的碰撞动能消耗在车体的变形中。该模型在减速性能上依旧存在不足，其旋转桶02可以较自由旋转，一般的碰撞受力均可以导致旋转桶02的转动，因而会缩短其使用寿命；同时，旋转桶02转动后无法承受多余的动能，易发生二次碰撞事故；因此本发明研制了一种基于ABAQUS的消能式滚筒及其仿真分析方法，以解决现有技术中存在的问题，经检索，未发现与本发明相同或相似的技术方案。
发明内容
本发明目的是：提供一种基于ABAQUS的消能式滚筒及其仿真分析方法，以解决现有技术中筒体式护栏减速性能存在不足，进而缩短其使用寿命的问题，同时解决结构无法承受多余的动能，而易发生二次碰撞事故的问题。
本发明的技术方案是：一种基于ABAQUS的消能式滚筒，包括同轴设置的中央刚轴及若干筒体、连接筒体与中央刚轴的若干阻尼弹簧；若干所述筒体沿中央刚轴轴向等距离分布，呈环状结构且等径设置；每个所述筒体对应的若干阻尼弹簧沿中央刚轴径向等角度分布，并设置在中央刚轴外壁与筒体内壁之间。
优选的，所述中央刚轴外壁上均布若干平行于轴向设置的梯形槽，所述梯形槽内嵌套配合有梯形条，所述阻尼弹簧一端固定在梯形条外侧端面上，另一端固定在筒体内壁上。
优选的，所述中央刚轴两端部均设置有用于外连安装并实现中央刚轴转动的轴承。
基于一种基于ABAQUS的消能式滚筒，本发明还研制了一种基于ABAQUS的消能式滚筒的仿真分析方法，包括如下步骤：
(1)创建初始简化模型：选取消能式滚筒作为研究对象，在ABAQUS/CAE的草图环境中建立车辆与其发生碰撞的初始简化模型，即消能式滚筒模型及车辆模型，整个模型的单元类型为3D Stress缩减积分单元；
(2)网格划分：基于创建的初始简化模型，对消能式滚筒模型及车辆模型进行网格划分，其中对消能式滚筒模型的各边布置20个种子，对车辆模型的各边布置15个种子；
(3)动态显示分析步定义：设定碰撞前车辆模型的速度，以及分析步时间；
(4)接触属性定义：对消能式滚筒模型设置一个有摩擦的接触属性，并对其上下两面设置Displacement/Rotation，约束所有自由度；
(5)动态碰撞分析：将车辆模型与消能式滚筒模型从刚开始接触到完成分析步时间内的碰撞作为一个碰撞过程，分析时间从0s开始，导入Explicit中做动态碰撞分析，获取消能式滚筒模型内能曲线及动能曲线。
优选的，所述步骤(1)的初始简化模型中，消能式滚筒模型的半径为0.25m，高度为0.45m，材料选用弹塑性材料，其质量密度ρ＝7800kg·m-3，弹性模量E＝2.078*1011Pa，泊松比λ＝0.3；车辆模型的高度为1.5m，宽度为1.5m，长度为2.5m，材料选用刚性材料。
优选的，所述步骤(3)中，碰撞前车辆模型的速度设定为54Km/h～160Km/h中的任意值，分析步时间设定为4*10-5s。
与现有技术相比，本发明的优点是：
(1)本发明相较于传统结构增设了阻尼弹簧，在车辆与其发生碰撞的过程中能够吸收更大的能量，降低事故破坏性；同时动能下降较快，进而保证车辆在撞击后能够有效的使车辆的速度很快降到一个安全值。
(2)采用仿真分析验证模型的有效性和可行性，获取消能式滚筒的内能曲线和动能曲线，其整体的防撞和减速效果明显由于筒体式护栏，同时也优于普通刚性、半刚性及柔性护栏。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1为现有技术中筒体式护栏的结构爆炸图；
图2为本发明所述的一种基于ABAQUS的消能式滚筒的结构示意图；
图3为本发明所述阻尼弹簧的安装结构俯视图；
图4为本发明所述的一种基于ABAQUS的消能式滚筒的仿真分析中，创建的初始简化模型；
图5为本发明所述消能式滚筒模型在车辆速度为72Km/h时的内能曲线图；
图6为传统筒体模型在车辆速度为72Km/h时的内能曲线图；
图7为本发明所述消能式滚筒模型在车辆速度为72Km/h时的动能曲线图；
图8为传统筒体模型在车辆速度为72Km/h时的动能曲线图；
图9为本发明所述消能式滚筒模型在各速度下碰撞后的内能曲线图。
其中：01、立柱，02、旋转桶，03、U型横梁；
1、中央刚轴，2、梯形槽，3、梯形条，4、轴承，5、筒体，6、阻尼弹簧；001、消能式滚筒模型，002、车辆模型；
具体实施方式
下面结合具体实施例，对本发明的内容做进一步的详细说明：
如图2、3所示，一种基于ABAQUS的消能式滚筒，包括同轴设置的中央刚轴1及若干筒体5、连接筒体5与中央刚轴1的若干阻尼弹簧6。
中央刚轴1外壁上均布若干平行于轴向设置的梯形槽2，梯形槽2内嵌套配合有梯形条3，中央刚轴1两端部均设置有用于外连安装并实现中央刚轴1转动的轴承4；本实施例中，中央刚轴1的数量设置为五个。
若干筒体5沿中央刚轴1轴向等距离分布，呈环状结构且等径设置，本实施例中，筒体5的数量设置为七个；每个筒体5对应五个阻尼弹簧6，并沿中央刚轴1径向等角度分布，该阻尼弹簧6一端固定在梯形条3外侧端面上，另一端固定在筒体5内壁上，实现筒体5与中央刚轴1的连接。
基于一种基于ABAQUS的消能式滚筒，本发明还研制了一种基于ABAQUS的消能式滚筒的仿真分析方法，具有如下实施例：
实施例1
一种基于ABAQUS的消能式滚筒的仿真分析方法包括如下步骤：
(1)创建初始简化模型：选取消能式滚筒作为研究对象，在ABAQUS/CAE的草图环境中建立车辆与其发生碰撞的初始简化模型，即图4所示，消能式滚筒模型001及车辆模型002，该初始简化模型中，消能式滚筒模型001的半径为0.25m，高度为0.45m，材料选用弹塑性材料，其质量密度ρ＝7800kg·m-3，弹性模量E＝2.078*1011Pa，泊松比λ＝0.3；车辆模型002的高度为1.5m，宽度为1.5m，长度为2.5m，材料选用刚性材料；整个模型的单元类型为3DStress缩减积分单元；
(2)网格划分：基于创建的初始简化模型，对消能式滚筒模型001及车辆模型002进行网格划分，其中对消能式滚筒模型001的各边布置20个种子，对车辆模型002的各边布置15个种子，网格划分后共有节点23848个，单元115363个，总体的变量数为71547，总共25个增量步；
(3)动态显示分析步定义：设定碰撞前车辆模型002的速度为72Km/h，以及分析步时间为4*10-5s；
(4)接触属性定义：对消能式滚筒模型001设置一个有摩擦的接触属性，并对其上下两面设置Displacement/Rotation，约束所有自由度；
(5)动态碰撞分析：将车辆模型002与消能式滚筒模型001从刚开始接触到完成分析步时间内的碰撞作为一个碰撞过程，分析时间从0s开始，导入Explicit中做动态碰撞分析，获取消能式滚筒模型001内能曲线及动能曲线。
关于内能曲线，消能式滚筒模型001在车辆模型002的速度为72Km/h时，内能曲线如图5所示；以上述相同的仿真分析方法，可得到图1所示传统筒体模型在车辆模型速度为72Km/h时，内能曲线如图6所示。
通过两内能图(图5、图6)对比，对于传统筒体模型，最大内能值达到7*104J，而消能式滚筒模型001的最大内能值达到5.5*107J，从整体上看，在相同的条件下，消能式滚筒模型001吸收的能量大大高于传统筒体模型吸收的能量。
关于动能曲线，消能式滚筒模型001在车辆模型002的速度为72Km/h时，动能曲线如图7所示；以上述相同的仿真分析方法，可得到图1所示传统筒体模型在车辆模型速度为72Km/h时，动能曲线如图8所示。
通过两动能图(图7、图8)对比，对于传统筒体模型，最大动能是1.43*106J，而消能式滚筒模型001的最大动能是2.68*1010J，所以消能式滚筒模型001能更有效地吸收车辆模型002的动能，从而达到更大限度地降低失控车辆速度的效果。
横向来看，传统筒体模型动能骤降发生在3.5*10-5s，经过0.5*10-5s后从1.375*106J降到1.19*106J，其增量为3.7*1010J；而消能式滚筒模型001的动能骤降发生在10*10- 6s，经过30*10-6s后从2.68*1010J降到2.67*1010J，其增量为2.4*1012J；对比发现，消能式滚筒模型001的动能下降地比原有模型快，从而直观地反映出，消能式滚筒模型001在承受车辆模型002的撞击后，能有效地使车辆模型002的速度很快降到一个安全值。
实施例2
本实施例与实施例1的不同点在于：步骤(3)中，设定碰撞前车辆模型002的速度为54Km/h，以及分析步时间为4*10-5s，根据仿真分析方法，获得消能式滚筒模型001的内能曲线。
实施例3
本实施例与实施例1的不同点在于：步骤(3)中，设定碰撞前车辆模型002的速度为90Km/h，以及分析步时间为4*10-5s，根据仿真分析方法，获得消能式滚筒模型001的内能曲线。
实施例4
本实施例与实施例1的不同点在于：步骤(3)中，设定碰撞前车辆模型002的速度为108Km/h，以及分析步时间为4*10-5s，根据仿真分析方法，获得消能式滚筒模型001的内能曲线。
实施例5
本实施例与实施例1的不同点在于：步骤(3)中，设定碰撞前车辆模型002的速度为120Km/h，以及分析步时间为4*10-5s，根据仿真分析方法，获得消能式滚筒模型001的内能曲线。
实施例6
本实施例与实施例1的不同点在于：步骤(3)中，设定碰撞前车辆模型002的速度为144Km/h，以及分析步时间为4*10-5s，根据仿真分析方法，获得消能式滚筒模型001的内能曲线。
实施例7
本实施例与实施例1的不同点在于：步骤(3)中，设定碰撞前车辆模型002的速度为160Km/h，以及分析步时间为4*10-5s，根据仿真分析方法，获得消能式滚筒模型001的内能曲线。
结合实施例1～7，得到消能式滚筒模型001在各速度下碰撞后的内能曲线，即图9所示；由于碰撞前车辆模型002的速度不同，则碰撞产生的能量不同，对阻尼弹簧的吸能效果要求也不同。
根据弹簧钢丝的国家标准，得出阻尼弹簧在车辆不同速度碰撞下的理论参数值，具体如下表所示：
Figure BDA0003268054070000061
Figure BDA0003268054070000071
通过对比发现，在对应速度下，选取的阻尼弹簧所能发生的形变能比消能式滚筒模型001的最大内能略小，由于消能式滚筒模型001不会完全吸收碰撞后产生的能量，所以选取的阻尼弹簧规格在理论上能够满足消能需求；在实际工程中，为确保车辆行驶安全，基于上述表格，可选取更大规格阻尼弹簧。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明，因此无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

Claims (6)

1.一种基于ABAQUS的消能式滚筒，其特征在于：包括同轴设置的中央刚轴及若干筒体、连接筒体与中央刚轴的若干阻尼弹簧；若干所述筒体沿中央刚轴轴向等距离分布，呈环状结构且等径设置；每个所述筒体对应的若干阻尼弹簧沿中央刚轴径向等角度分布，并设置在中央刚轴外壁与筒体内壁之间。
2.根据权利要求1所述的一种基于ABAQUS的消能式滚筒，其特征在于：所述中央刚轴外壁上均布若干平行于轴向设置的梯形槽，所述梯形槽内嵌套配合有梯形条，所述阻尼弹簧一端固定在梯形条外侧端面上，另一端固定在筒体内壁上。
3.根据权利要求1所述的一种基于ABAQUS的消能式滚筒，其特征在于：所述中央刚轴两端部均设置有用于外连安装并实现中央刚轴转动的轴承。
4.基于权利要求1～3任一项所述的一种基于ABAQUS的消能式滚筒的仿真分析方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)创建初始简化模型：选取消能式滚筒作为研究对象，在ABAQUS/CAE的草图环境中建立车辆与其发生碰撞的初始简化模型，即消能式滚筒模型及车辆模型，整个模型的单元类型为3D Stress缩减积分单元；
(2)网格划分：基于创建的初始简化模型，对消能式滚筒模型及车辆模型进行网格划分，其中对消能式滚筒模型的各边布置20个种子，对车辆模型的各边布置15个种子；
(3)动态显示分析步定义：设定碰撞前车辆模型的速度，以及分析步时间；
(4)接触属性定义：对消能式滚筒模型设置一个有摩擦的接触属性，并对其上下两面设置Displacement/Rotation，约束所有自由度；
(5)动态碰撞分析：将车辆模型与消能式滚筒模型从刚开始接触到完成分析步时间内的碰撞作为一个碰撞过程，分析时间从0s开始，导入Explicit中做动态碰撞分析，获取消能式滚筒模型内能曲线及动能曲线。
5.根据权利要求4所述的一种基于ABAQUS的消能式滚筒的仿真分析方法，其特征在于：所述步骤(1)的初始简化模型中，消能式滚筒模型的半径为0.25m，高度为0.45m，材料选用弹塑性材料，其质量密度ρ＝7800kg·m-3，弹性模量E＝2.078*1011Pa，泊松比λ＝0.3；车辆模型的高度为1.5m，宽度为1.5m，长度为2.5m，材料选用刚性材料。
6.根据权利要求5所述的一种基于ABAQUS的消能式滚筒的仿真分析方法，其特征在于：所述步骤(3)中，碰撞前车辆模型的速度设定为54Km/h～160Km/h中的任意值，分析步时间设定为4*10-5s。
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