CN114444316B - 一种汽车与刚性加高护栏碰撞的仿真测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种汽车与刚性加高护栏碰撞的仿真测试方法，包括步骤一、建立多样化的汽车有限元模型，包括小型轿车模型、中型客车模型和大型货车模型；二、建立刚性加高护栏的有限元模型；三、建立汽车与刚性加高护栏碰撞的力学模型；四、设置仿真碰撞过程中的条件；五、分析仿真测试结果。本发明方法步骤简单，实现方便，建立了多样化的汽车有限元模型和刚性加高护栏的有限元模型，以及汽车与刚性加高护栏碰撞的力学模型，通过设置仿真碰撞过程中的条件进行汽车与刚性加高护栏的仿真碰撞测试，测试结果能够支撑后续“安全生命防护工程”中加高护栏后技术使用依据，为全面实施公路安全生命防护工程奠定坚实的理论和技术基础。
Description
技术领域
本发明属于护栏安全性能测试技术领域，具体涉及一种汽车与刚性加高护栏碰撞的仿真测试方法。
背景技术
国民经济的健康发展，推动我国公路建设规模和等级上了一个新台阶，随之而来大量公路逐渐进入大中修养护和改扩建阶段。对于公路大中修工程，普遍做法是根据路面使用功能状况，在原有路面上直接铺筑一层或多层面层，导致原有路面标高提高，而路侧护栏等交通安全设施高度却越来越低，已经达不到相关规范标准要求，存在严重安全隐患。针对这种情况，目前较为普遍的改造方法是拆除原有旧护栏、安装新护栏，或直接在其上加高到符合规范高度要求。对于前者，拆除旧护栏会造成资源浪费，甚至严重损坏原有公路结构，带来新的安全隐患；而对于后者，护栏加高再利用后能否达到新规范和指南要求的防护等级，都无依据确定。一旦发生与安全防护设施相关的恶性交通事故，公路交通部门将面临巨大的社会经济负面影响和严厉重大的法律责任追究。如何保证国省干线公路大中修工程后公路“安全生命防护工程”防护能力不减弱，并在改造后能满足现行国家关于公路安全生命防护工程的要求，成为迫切需要解决的技术难题。因此，直接加高护栏后，其各项性能是否满足相关规范标准，是否达到交通安全设施所起作用，一直缺乏行之有效的测试方法。
现有技术中，关于车辆与护栏碰撞仿真的研究尚存在局限性，且多集中于车辆有限元建模、护栏拓扑优化、护栏与路基藕合建模等方面，对应用于交通安全设施改造中的刚性加高护栏评价体系研究不足。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种汽车与刚性加高护栏碰撞的仿真测试方法，其方法步骤简单，设计合理，实现方便，采用ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件，建立了包括小型轿车模型、中型客车模型和大型货车模型的多样化的汽车有限元模型，以及刚性加高护栏的有限元模型；并建立汽车与刚性加高护栏碰撞的力学模型，通过设置仿真碰撞过程中的条件进行汽车与刚性加高护栏的仿真碰撞测试；最后，对仿真测试结果进行分析，评价刚性加高护栏的安全性能。测试结果能够支撑后续“安全生命防护工程”中加高护栏后技术使用依据，为全面实施公路安全生命防护工程奠定坚实的理论和技术基础。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种汽车与刚性加高护栏碰撞的仿真测试方法，包括以下步骤：
步骤一、建立多样化的汽车有限元模型，所述多样化的汽车有限元模型包括小型轿车模型、中型客车模型和大型货车模型；
步骤二、建立刚性加高护栏的有限元模型；
步骤三、建立汽车与刚性加高护栏碰撞的力学模型；
步骤四、设置仿真碰撞过程中的条件；
步骤五、分析仿真测试结果。
上述的一种汽车与刚性加高护栏碰撞的仿真测试方法，建立汽车有限元模型的具体过程包括：
略去非承载构件和装饰件；
车身中的微曲梁进行直化处理；
设置节点；
采用刚度补偿降低线单元误差；
车身骨架单元采用LS-DYNA软件中的Beam161梁单元进行模拟；
零部件之间的相互作用采用Automatic_Single_Surface的接触方式进行模拟；
采用Cowper-Symons模拟材料的应变率效应。
上述的一种汽车与刚性加高护栏碰撞的仿真测试方法，所述设置节点的具体过程包括：
纵梁和横梁的交叉联接处按照主承载性能等效原则简化为一个节点；对于两个靠近而又不重合的交叉联接构件，简化为一个节点；
空间叠交的两焊接梁的中心线不相交时，平移其中一个梁中心线，使两焊接梁的中心线相交，且其中连接点、集中载荷作用点、支撑点和构件的拐点均作为模型的节点；
根据载荷与约束的施加问题，将单元节点位置与实际载荷的作用点相对应，根据需要增设节点或虚节点。
上述的一种汽车与刚性加高护栏碰撞的仿真测试方法，所述建立刚性加高护栏的有限元模型的具体过程包括：
所述刚性加高护栏采用刚体材料模型；
采用厚度为1mm、法向方向2点积分的Belytschko-Tsay壳单元模拟；
所述刚性加高护栏与汽车的接触面划分为7200个四边形壳单元，7224个节点；
所述刚性加高护栏设置为四面体单元，密度为2.5t/m3，泊松比为0.3，弹性模量为30GPa。
上述的一种汽车与刚性加高护栏碰撞的仿真测试方法，所述建立汽车与刚性加高护栏碰撞的力学模型的具体过程包括：
步骤301、计算汽车在刚性加高护栏垂直方向上的位移ΔSY；
ΔSY＝Csinθ-b(1-cosθ)+Y
其中，C为汽车质心位置到汽车最前端的距离，θ为汽车与刚性加高护栏的碰撞角度，b为汽车宽度，Y为碰撞处刚性加高护栏的位移量；
步骤302、计算汽车与刚性加高护栏的碰撞时间Δt；
其中，v为汽车与刚性加高护栏的碰撞速度；
步骤303、计算汽车在刚性加高护栏垂直方向上的加速度aY；
步骤304、计算刚性加高护栏垂直方向上受汽车碰撞的作用力FY；
上述的一种汽车与刚性加高护栏碰撞的仿真测试方法，所述设置仿真碰撞过程中的条件包括：
碰撞速度；
碰撞角度；
约束条件；包括地面与刚性加高护栏底部约束，刚性加高护栏两端约束；
沙漏控制；塑性沙漏控制PAM_CRASH，ISHG设置为1；
求解时间与时间步长；在RUNEND中设置求解时间为300ms，在SHELL_TIMESTEP中设置时间步长为SMALL；
接触面；汽车与刚性加高护栏的接触部分设置为slave面，刚性加高护栏设置为master面，摩擦系数为0.15，IREMOV开关设置为2，摩擦系数FRICT设置为0.15，IREMOV开关设置为1；
重力加速度；设置Acceleration Field；
输出控制；在OCTRL中设置time history plot时间间隔为0.1ms；设置mesh plot时间间隔为2ms。
上述的一种汽车与刚性加高护栏碰撞的仿真测试方法，所述仿真测试结果包括刚性加高护栏的阻挡功能、缓冲功能和导向功能，所述阻挡功能通过判断汽车是否穿越、翻越和骑跨刚性加高护栏，以及刚性加高护栏的加高构件是否侵入汽车乘员舱进行分析；所述缓冲功能通过计算汽车与刚性加高护栏碰撞后的速度进行分析；所述导向功能通过汽车与刚性加高护栏碰撞后的移动轨迹进行分析。
本发明与现有技术相比具有以下优点：本发明方法步骤简单，设计合理，实现方便，采用ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件，建立了包括小型轿车模型、中型客车模型和大型货车模型的多样化的汽车有限元模型，以及刚性加高护栏的有限元模型；并建立汽车与刚性加高护栏碰撞的力学模型，通过设置仿真碰撞过程中的条件进行汽车与刚性加高护栏的仿真碰撞测试；最后，对仿真测试结果进行分析，评价刚性加高护栏的安全性能。测试结果能够支撑后续“安全生命防护工程”中加高护栏后技术使用依据，为全面实施公路安全生命防护工程奠定坚实的理论和技术基础。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明的方法流程图；
图2为本发明小型轿车的有限元模型图；
图3为本发明中型客车的有限元模型图；
图4为本发明大型货车的有限元模型图；
图5为本发明刚性加高护栏的有限元模型图；
图6为本发明汽车与刚性加高护栏碰撞的力学模型图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的汽车与刚性加高护栏碰撞的仿真测试方法，包括以下步骤：
步骤一、建立多样化的汽车有限元模型，所述多样化的汽车有限元模型包括小型轿车模型、中型客车模型和大型货车模型；
步骤二、建立刚性加高护栏的有限元模型；
步骤三、建立汽车与刚性加高护栏碰撞的力学模型；
步骤四、设置仿真碰撞过程中的条件；
步骤五、分析仿真测试结果。
本实施例中，建立汽车有限元模型的具体过程包括：
略去非承载构件和装饰件；
车身中的微曲梁进行直化处理；
设置节点；
采用刚度补偿降低线单元误差；
车身骨架单元采用LS-DYNA软件中的Beam161梁单元进行模拟；
零部件之间的相互作用采用Automatic_Single_Surface的接触方式进行模拟；
采用Cowper-Symons模拟材料的应变率效应。
在建立汽车有限元模型过程中，一方面确保车身主要框架完整，尽可能反映汽车的实际物理力学性能；另一方面则适当地简化车身骨架模型，不考虑骨架结构在焊接过程中出现的变形和残余应力等，以求形成较少的单元数量和简洁的单元形态，从而简化运算。车身作为主要承载构件，可省略一些非承载用的辅助构件，同时简化截面形状，将部分曲杆简化为直杆，忽略车身蒙皮对汽车强度的加成作用，忽略汽车承载结构上的工艺孔、安装孔、凸台和翻边等工艺特征，建立汽车车身的几何模型。建立的小型轿车模型、中型客车模型和大型货车模型中的其他参数如表1所示，小型轿车模型如图2所示，中型客车模型如图3所示，大型货车模型如图4所示。
表1模型其他参数
本实施例中，所述设置节点的具体过程包括：
纵梁和横梁的交叉联接处按照主承载性能等效原则简化为一个节点；对于两个靠近而又不重合的交叉联接构件，简化为一个节点；
空间叠交的两焊接梁的中心线不相交时，平移其中一个梁中心线，使两焊接梁的中心线相交，且其中连接点、集中载荷作用点、支撑点和构件的拐点均作为模型的节点；
根据载荷与约束的施加问题，将单元节点位置与实际载荷的作用点相对应，根据需要增设节点或虚节点。
本实施例中，所述建立刚性加高护栏的有限元模型的具体过程包括：
所述刚性加高护栏采用刚体材料模型；
采用厚度为1mm、法向方向2点积分的Belytschko-Tsay壳单元模拟；
所述刚性加高护栏与汽车的接触面划分为7200个四边形壳单元，7224个节点；
所述刚性加高护栏设置为四面体单元，密度为2.5t/m3，泊松比为0.3，弹性模量为30GPa。
刚性加高护栏为实体结构，建立有限元模型时，采用实体单元。根据汽车与刚性加高护栏碰撞时接触位置不同，将刚性加高护栏按不同区域分割，并划分不同的网格，实际中刚性加高护栏长度为2m间隔，中间以钢筋和混凝土块连接，由于碰撞仿真试验中刚性加高护栏长度较短，各单个刚性加高护栏之间的连接认为是刚性的。因此，建立刚性加高护栏有限元模型时，直接建立一个整体刚性加高护栏。建立的刚性加高护栏模型如图5所示。
本实施例中，所述建立汽车与刚性加高护栏碰撞的力学模型的具体过程包括：
步骤301、计算汽车在刚性加高护栏垂直方向上的位移ΔSY；
ΔSY＝Csinθ-b(1-cosθ)+Y
其中，C为汽车质心位置到汽车最前端的距离，θ为汽车与刚性加高护栏的碰撞角度，b为汽车宽度，Y为碰撞处刚性加高护栏的位移量；
步骤302、计算汽车与刚性加高护栏的碰撞时间Δt；
其中，v为汽车与刚性加高护栏的碰撞速度；
步骤303、计算汽车在刚性加高护栏垂直方向上的加速度aY；
步骤304、计算刚性加高护栏垂直方向上受汽车碰撞的作用力FY；
在汽车与刚性加高护栏碰撞过程中，首先，汽车与刚性加高护栏成一定的角度接触；然后，汽车与刚性加高护栏发生碰撞，汽车在刚性加高护栏的阻挡作用下开始慢慢的转向，沿着刚性加高护栏滑行，汽车与刚性加高护栏碰撞的力学模型如图6表示。
本实施例中，所述设置仿真碰撞过程中的条件包括：
碰撞速度；
碰撞速度和汽车质量是影响碰撞的重要因素，碰撞速度指失控汽车与刚性加高护栏接触时一瞬间的速度。具体实施时，取小型轿车模型的碰撞速度为100km/h，取中型客车模型和大型货车模型的碰撞速度为60km/h。
碰撞角度；
碰撞角度是指汽车冲撞刚性加高护栏时，汽车纵轴线与刚性加高护栏纵面之间的夹角(取锐角值)，碰撞角度与公路等级、汽车的种类、行驶速度和汽车在车道上的行驶位置有关，小型车的碰撞角度为15°～30°之间，中型车的碰撞角度一般为10°～25°之间。具体实施时，取小型轿车模型的碰撞角度为20°，取中型客车模型和大型货车模型的碰撞角度15°。
约束条件；包括地面与刚性加高护栏底部约束，刚性加高护栏两端约束；
由于碰撞的影响范围主要局限在局部护栏体系之中，对于地面及刚性加高护栏立柱底部计算没有实质性的影响，因此，选取地面除顶面的其余5个面及刚性加高护栏立柱底部上的节点，施加6个方向上的约束；刚性加高护栏两端也设置固定约束。
沙漏控制；塑性沙漏控制PAM_CRASH，ISHG设置为1；
求解时间与时间步长；在RUNEND中设置求解时间为300ms，在SHELL_TIMESTEP中设置时间步长为SMALL；
接触面；汽车与刚性加高护栏的接触部分设置为slave面，刚性加高护栏设置为master面，摩擦系数为0.15，IREMOV开关设置为2，摩擦系数FRICT设置为0.15，IREMOV开关设置为1；
重力加速度；设置Acceleration Field；
在碰撞过程中考虑重力作用，需要对系统施加重力加速度，为避免碰撞系统出现与实际情况不符的下落现象，建立一个刚性墙模拟地面对车辆的约束效果，轮胎与地面接触产生摩擦力，仿真模型更接近实际碰撞过程。
输出控制；在OCTRL中设置time history plot时间间隔为0.1ms；设置mesh plot时间间隔为2ms。
在output选项中，设置所需要的碰撞过程中相关节点及单元输出数据，数据以Time history file(THP)以及Mesh plot file(DSY)的型式进行记录。
本实施例中，所述仿真测试结果包括刚性加高护栏的阻挡功能、缓冲功能和导向功能，所述阻挡功能通过判断汽车是否穿越、翻越和骑跨刚性加高护栏，以及刚性加高护栏的加高构件是否侵入汽车乘员舱进行分析；所述缓冲功能通过计算汽车与刚性加高护栏碰撞后的速度进行分析；所述导向功能通过汽车与刚性加高护栏碰撞后的移动轨迹进行分析。
仿真分析评价结果如表2所示。
表2仿真分析评价结果
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (1)
1.一种汽车与刚性加高护栏碰撞的仿真测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、建立多样化的汽车有限元模型，所述多样化的汽车有限元模型包括小型轿车模型、中型客车模型和大型货车模型；
建立汽车有限元模型的具体过程包括：
略去非承载构件和装饰件；
车身中的微曲梁进行直化处理；
设置节点；
具体过程包括：
纵梁和横梁的交叉联接处按照主承载性能等效原则简化为一个节点；对于两个靠近而又不重合的交叉联接构件，简化为一个节点；
空间叠交的两焊接梁的中心线不相交时，平移其中一个梁中心线，使两焊接梁的中心线相交，且其中连接点、集中载荷作用点、支撑点和构件的拐点均作为模型的节点；
根据载荷与约束的施加问题，将单元节点位置与实际载荷的作用点相对应，根据需要增设节点或虚节点；
采用刚度补偿降低线单元误差；
车身骨架单元采用LS-DYNA软件中的Beam161梁单元进行模拟；
零部件之间的相互作用采用Automatic_Single_Surface的接触方式进行模拟；
采用Cowper-Symons模拟材料的应变率效应；
步骤二、建立刚性加高护栏的有限元模型；
具体过程包括：
所述刚性加高护栏采用刚体材料模型；
采用厚度为1mm、法向方向2点积分的Belytschko-Tsay壳单元模拟；
所述刚性加高护栏与汽车的接触面划分为7200个四边形壳单元，7224个节点；
所述刚性加高护栏设置为四面体单元，密度为2.5t/m3，泊松比为0.3，弹性模量为30GPa；
步骤三、建立汽车与刚性加高护栏碰撞的力学模型；
具体过程包括：
步骤301、计算汽车在刚性加高护栏垂直方向上的位移ΔSY；
ΔSY＝Csinθ-b(1-cosθ)+Y
其中，C为汽车质心位置到汽车最前端的距离，θ为汽车与刚性加高护栏的碰撞角度，b为汽车宽度，Y为碰撞处刚性加高护栏的位移量；
步骤302、计算汽车与刚性加高护栏的碰撞时间Δt；
其中，v为汽车与刚性加高护栏的碰撞速度；
步骤303、计算汽车在刚性加高护栏垂直方向上的加速度aY；
步骤304、计算刚性加高护栏垂直方向上受汽车碰撞的作用力FY；
步骤四、设置仿真碰撞过程中的条件；
所述条件包括：
碰撞速度；
碰撞角度；
约束条件；包括地面与刚性加高护栏底部约束，刚性加高护栏两端约束；
沙漏控制；塑性沙漏控制PAM_CRASH，ISHG设置为1；
求解时间与时间步长；在RUNEND中设置求解时间为300ms，在SHELL_TIMESTEP中设置时间步长为SMALL；
接触面；汽车与刚性加高护栏的接触部分设置为slave面，刚性加高护栏设置为master面，摩擦系数为0.15，IREMOV开关设置为2，摩擦系数FRICT设置为0.15，IREMOV开关设置为1；
重力加速度；设置Acceleration Field；
输出控制；在OCTRL中设置time history plot时间间隔为0.1ms；设置mesh plot时间间隔为2ms；
步骤五、分析仿真测试结果；
所述仿真测试结果包括刚性加高护栏的阻挡功能、缓冲功能和导向功能，所述阻挡功能通过判断汽车是否穿越、翻越和骑跨刚性加高护栏，以及刚性加高护栏的加高构件是否侵入汽车乘员舱进行分析；所述缓冲功能通过计算汽车与刚性加高护栏碰撞后的速度进行分析；所述导向功能通过汽车与刚性加高护栏碰撞后的移动轨迹进行分析。
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2022
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