雷正保, 茍明興, 李永漢, 侯石靜

(1.長沙理工大學(xué) 汽車與機械工程學(xué)院,湖南 長沙 410114; 2.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院,湖南 長沙 410008)

農(nóng)村公路生命防護工程低成本柔性護欄研究

雷正保1, 茍明興1, 李永漢2, 侯石靜1

(1.長沙理工大學(xué) 汽車與機械工程學(xué)院,湖南 長沙 410114; 2.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院,湖南 長沙 410008)

為設(shè)計出一種適用于中國農(nóng)村公路的低成本柔性護欄,文章針對農(nóng)村公路路側(cè)防撞設(shè)施安全隱患較多的現(xiàn)狀,以國家相關(guān)標準為設(shè)計依據(jù),運用有限元數(shù)值分析方法,建立汽車-護欄有限元碰撞分析模型;并利用正交試驗設(shè)計方法對纏繞掛接式柔性護欄進行尺寸優(yōu)化設(shè)計,得到柔性護欄的最優(yōu)尺寸組合為立柱間距3 500 mm、立柱截面尺寸95 mm×45 mm、立柱壁厚3 mm;對最優(yōu)尺寸進行安全性驗證和經(jīng)濟性分析得出:小型客車質(zhì)心最大加速度為11.4g,中型客車和中型貨車的橫向動態(tài)最大偏移量分別為910、814 mm,護欄安全性良好;優(yōu)化后的柔性護欄造價約100 元/m,經(jīng)濟性良好,適合在農(nóng)村公路生命防護工程中推廣應(yīng)用。

農(nóng)村公路;生命防護工程;柔性護欄;有限元仿真;正交試驗

0 引 言

《國務(wù)院辦公廳關(guān)于實施公路安全生命防護工程的意見》明確提出,2017年底前全面完成急彎陡坡、臨水臨崖等重點路段約6.5×104km農(nóng)村公路的安全隱患治理,以及2020年底前實現(xiàn)農(nóng)村公路交通安全基礎(chǔ)設(shè)施明顯改善、安全防護水平顯著提高的工作目標。農(nóng)村公路各類安全隱患的治理進入攻堅階段。不少學(xué)者對農(nóng)村公路進行過研究。文獻[1]從人、車、路和環(huán)境4個方面宏觀地分析了農(nóng)村公路交通安全的影響因素并提出對策,但未具體分析防撞設(shè)施;文獻[2]通過實地調(diào)查對農(nóng)村公路路側(cè)安全設(shè)施進行了研究,得出設(shè)置路側(cè)防護設(shè)施的必要性;文獻[3]提出就地取材設(shè)置堆土等簡易路側(cè)防撞設(shè)施,但是安全性能不符合法規(guī)要求;文獻[4]簡單地認為纜索護欄和波形梁護欄造價高而選用各類剛性防撞設(shè)施?！耙匀峥藙偂钡娜嵝宰o欄因其安全、美觀、可靠等優(yōu)點在國外得到了廣泛應(yīng)用[5-6],在國內(nèi)部分地區(qū)的應(yīng)用也收獲了喜人成效[7],但少有學(xué)者對柔性護欄在農(nóng)村公路上的運用進行單獨的研究。因此,本文以新法規(guī)[8]為設(shè)計依據(jù),對農(nóng)村公路運用柔性護欄進行探究,最終通過對纏繞掛接式柔性護欄進行尺寸優(yōu)化設(shè)計,使柔性護欄能夠滿足農(nóng)村公路安全性和經(jīng)濟性的要求。

1 有限元模型可靠性和護欄安全性

為了驗證車輛-護欄有限元模型的可靠性,本文以車輛運行狀態(tài)和車輛質(zhì)心加速度作為評價指標,與在長沙理工大學(xué)大型結(jié)構(gòu)碰撞試驗室開展的實車足尺碰撞試驗的數(shù)據(jù)相對比,對車輛-護欄有限元模型的可靠性進行定性和定量評價。同時通過上述實車足尺碰撞試驗的數(shù)據(jù)從車輛、護欄損傷情況和質(zhì)心加速度大小來評定交叉纏繞式柔性護欄的安全性能和可靠性。

1.1 車輛-護欄有限元模型的建立

因為客車在發(fā)生交通事故的時候碰撞能量大,對防護設(shè)施要求較高,能較好地反映護欄的性能,所以以上饒客車(SR6970H1)的實車尺寸、載荷分布和轉(zhuǎn)動慣量等參數(shù)為有限元建模初始依據(jù),建立10 t客車有限元模型來驗證有限元的可靠性?？蛙囉邢拊Ｐ腿鐖D1所示。

圖1 上饒客車和客車有限元模型

根據(jù)文獻[8]的要求,建立與實車試驗所用護欄一樣的交叉纏繞式柔性護欄有限元模型,如圖2所示。

圖2 柔性護欄有限元模型

1.2 仿真實驗和實車試驗數(shù)據(jù)對比

將建立好的車輛-護欄有限元模型運用LS-DYNA求解器進行有限元仿真實驗,其車輛運行狀態(tài)和車輛質(zhì)心加速度如圖3所示。

圖3 仿真試驗車輛運行狀態(tài)和質(zhì)心加速度曲線

在長沙理工大學(xué)大型結(jié)構(gòu)碰撞試驗室開展了上饒客車(SR6970H1)與柔性護欄的實車足尺碰撞試驗,從高速攝像中截取的車輛運行狀態(tài)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測出的質(zhì)心加速度曲線如圖4所示。

圖4 實車試驗車輛運行狀態(tài)和質(zhì)心加速度曲線

對圖3、圖4中車輛運行狀態(tài)和質(zhì)心加速度分別進行定性和定量評價。由仿真實驗和實車試驗中客車的運行狀態(tài)可以看出,2種情況的車輛運行狀態(tài)基本吻合;由車輛質(zhì)心加速度曲線對比得出,仿真實驗車輛質(zhì)心最大加速度為6.2g,實車試驗車輛質(zhì)心最大加速度為6.0g,仿真實驗和實車試驗的最大加速度偏差不超過5%。由此可以得出,車輛-護欄有限元模型是可靠的[9]。

1.3 柔性護欄安全性分析

根據(jù)實車試驗數(shù)據(jù)資料(見圖4)，從車輛、護欄損傷情況、質(zhì)心加速度大小3個方面來評定交叉纏繞式柔性護欄的安全性和可靠性。其中,車輛和護欄相撞前、后幾乎保持完好,損傷較小;護欄被撞前、后被撞段立柱均被撞倒,鋼絲繩被撞變形后幾乎恢復(fù)原狀;車輛質(zhì)心加速度最大為6.0g,遠小于文獻[8]規(guī)定的20.0g的碰撞加速度要求,即柔性護欄安全性能良好(安全性),對車輛和成員傷害較小(友善性),其立柱在被撞塌后更換立柱即可恢復(fù)防護功能(可靠性)。

2 正交試驗設(shè)計

表1 柔性護欄初始參數(shù) mm

2.1 碰撞條件及評價指標

將文獻[8]中防護等級為B級的護欄碰撞條件作為農(nóng)村公路柔性護欄優(yōu)化設(shè)計的碰撞條件,具體見表2所列。

表2 B級柔性護欄碰撞條件

優(yōu)化設(shè)計的安全性能評價指標嚴格按照文獻[8]的規(guī)定執(zhí)行。即護欄應(yīng)能阻擋車輛穿越、翻越和騎越;車輛在碰撞后不被絆阻而應(yīng)順利導(dǎo)向;車輛的最大加速度不得超過20g,護欄最大橫向動態(tài)偏移量不得超過1 200 mm。

2.2 確定因素和水平

通過選用均分試驗法[10]對各參數(shù)進行單因素試驗得出:立柱高度D對試驗結(jié)果的影響顯著程度較低,為非敏感因素,而A、B、C 3個因素為敏感因素,故剔除因素D。最終確定出正交試驗的因素和水平,見表3所列。

表3 正交試驗因素和水平 mm

2.3 試驗結(jié)果及分析

根據(jù)表3選用L16(43)的正交表,對上述文獻[8]規(guī)定的3種車型分別進行16次仿真實驗,評價指標為文獻[8]規(guī)定的小型客車質(zhì)心最大加速度和中型客車、貨車最大橫向動態(tài)偏移量,試驗數(shù)據(jù)見表4所列。

表4 仿真實驗數(shù)據(jù)

極差分析因運用方便、計算簡單、含義直觀等優(yōu)點而被廣泛使用,但是極差僅取決于2個極端值的水平,不能反映其間變量的分布情況,并易受極端值的影響。因此，對于正交試驗數(shù)據(jù)分析只采用極差分析是不完善的,需結(jié)合方差分析得出F值確定各因素顯著程度[11],最后綜合考慮得出最優(yōu)組合。以小型客車加速度為評價指標的正交試驗結(jié)果極差分析和方差分析分別見表5、表6所列。

表5 以小型客車加速度為評價指標的極差分析

由表5可知,以小型客車加速度為評價指標時的最優(yōu)組合為A3B2C2,以中型客車橫向動態(tài)偏移量為評價指標的最優(yōu)組合為A1B4C4,以中型貨車橫向動態(tài)偏移量為評價指標的最優(yōu)組合為A2B4C4。

表6 以小型客車加速度為評價指標的方差分析

對表6中F值的比較可以得出各因素對小型車輛加速度影響的顯著程度。立柱壁厚(C)對加速度影響高度顯著,立柱截面尺寸(B)對加速度有一定的影響,立柱間距(A)對加速度影響不顯著。

同理,對以中型客車、中型貨車偏移量為評價指標的F值進行比較得出,立柱壁厚(C)對最大偏移量影響高度顯著,立柱間距(A)對最大偏移量的影響較為顯著,立柱截面尺寸(B)對最大偏移量也有影響。

注：文獻[13]采用迭代算法進行DOA估計，該算法首先利用連續(xù)虛擬陣列部分進行來波方向的粗估計，然后利用粗估計的結(jié)果進行虛擬陣列的內(nèi)插，得到高維的連續(xù)虛擬陣列，雖然此時虛擬陣列維度與本文算法的虛擬陣列維度相同，但是在給定信源的情況下，該算法的陣列自由度受限于初始化估計信源數(shù)，本質(zhì)上并沒有提高陣列自由度.

基于上述極差和方差分析,已經(jīng)分別得出了不同評價指標下各因素影響的顯著性程度和最優(yōu)組合。綜合多目標優(yōu)化分析可知:由于因素C對小型客車加速度影響十分顯著,選擇C2優(yōu)于C4;而因素C對中型客車和貨車的橫向偏移量影響也十分顯著,但是選擇C4還是C2影響較小,因此應(yīng)選擇C2才滿足3種車型。因為因素A和B對其優(yōu)化目標的影響顯著性較低,所以以優(yōu)化加速度指標時的最優(yōu)組合A3B2即可。因此可得整個正交試驗的最優(yōu)組合為A3B2C2。

3 安全性驗證和經(jīng)濟性分析

3.1 安全性驗證

正交試驗的最優(yōu)組合A3B2C2及其參數(shù)見表7所列。由此建立車輛-護欄的有限元模型,對文獻[8]要求的3種車型進行有限元仿真分析,仿真結(jié)果如圖5、圖6所示。

表7 最優(yōu)組合參數(shù) mm

圖5 小型客車導(dǎo)向示意圖與質(zhì)心加速度曲線

圖6 中型客車和中型貨車的導(dǎo)向示意圖

由圖6可知,中型客車與護欄相撞的過程中,客車導(dǎo)向性良好,護欄的最大橫向動態(tài)偏移量為910 mm,滿足文獻[8]規(guī)定的最大橫向動態(tài)偏移量不超過1 200 mm的要求;中型貨車與護欄相撞的過程與中型客車類似,導(dǎo)向性能良好,護欄的最大橫向動態(tài)偏移量為814 mm,同樣滿足文獻[8]的要求。

以上3種車型的仿真結(jié)果表明,經(jīng)正交試驗設(shè)計的護欄能較好地平衡最大加速度最小化和最大偏移量最小化間的矛盾,并較好地滿足了文獻[8]中B級護欄所規(guī)定的各項評價指標。

3.2 經(jīng)濟性分析

我國農(nóng)村公路常用的座椅式護欄、桶裝集料式等護欄,不僅安全性能不符合文獻[8]要求,而且經(jīng)濟性能也不優(yōu)。其中,座椅式護欄造價約為110元/m;桶裝集料式護欄造價約為120元/m;栽石護欄造價一般為60元/m。而經(jīng)優(yōu)化設(shè)計后的纏繞掛接式柔性護欄結(jié)構(gòu)簡單、參數(shù)合理,僅包括開槽矩形鋼管和鋼絲繩2個部分,其示意圖和安裝效果如圖7所示。市面上矩形鋼管一般為15 000～18 000元/t,計算得每根立柱144元;鋼絲繩一般為25元/m;整個柔性護欄造價不到100元/m。相比于現(xiàn)有護欄,優(yōu)化后柔性護欄的經(jīng)濟性良好、安全性能良好、安裝維修方便,適用于我國農(nóng)村公路生命防護工程。

圖7 立柱結(jié)構(gòu)示意圖和安裝效果圖

4 結(jié) 論

(1) 本文通過有限元仿真實驗和實車試驗中的定性指標車輛運行狀態(tài)以及定量指標車輛質(zhì)心加速度的對比,確定了基于計算機仿真的有限元模型的可靠性。

(2) 經(jīng)正交試驗設(shè)計得到滿足文獻[8]中B級柔性護欄要求的最優(yōu)護欄參數(shù)組合A3B2C2,立柱間距為3 500 mm,立柱截面尺寸為95 mm×45 mm,立柱壁厚為3 mm。

(3) 結(jié)合公路安全生命防護工程,綜合安全性和經(jīng)濟性分析得出,柔性護欄既能在路側(cè)有效地防止車輛翻越護欄,又能順利地對車輛進行導(dǎo)向,還可以很好地保護乘員和車輛,具有一定的社會效益和經(jīng)濟效益。

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Studyoflowcostflexiblebarrieroflifeprotectionprojectofruralhighway

LEI Zhengbao1, GOU Mingxing1, LI Yonghan2, HOU Shijing1

(1.School of Automotive and Mechanical Engineering, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410114, China; 2.Hunan Provincial Communications Planning， Survey and Design Institute, Changsha 410008, China)

In order to design a low cost flexible barrier which is suitable for life protection project of rural highway in China, in view of the security risks in rural highway roadside anti-collision facilities, and based on the relevant national standards, the finite element analysis model of vehicle-barrier is established using finite element numerical analysis method. Then the size of the winding hanging type flexible barrier is optimized using orthogonal test design method. The optimal size combination of flexible barrier is that the column spacing is 3 500 mm, the column section size is 95 mm×45 mm and the column wall thickness is 3 mm. Finally, the security verification and economic analysis of the optimal results are done, and it is found that the maximum acceleration of small bus is 11.4g, and the transverse dynamic maximum offset of medium-sized bus and truck is 910 mm and 814 mm, respectively, showing that the safety of the barrier is good. The cost of optimized flexible barrier is about 100 yuan/m, so the barrier is economic and suitable for the life protection project of rural highway.

rural highway; life protection project; flexible barrier; finite element simulation; orthogonal test

2016-06-21；

2016-10-21

國家自然科學(xué)基金資助項目(51675059)

雷正保(1964-),男,湖南武岡人,博士,長沙理工大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.12.003

U417.12

A

1003-5060(2017)12-1594-05

(責(zé)任編輯胡亞敏)