摘 要：【目的】為了滿足橋墩防撞裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求和質(zhì)量需求，提高其使用壽命和綜合性能，設(shè)計(jì)一種泡沫鋁夾芯板橋墩防撞裝置，并對其性能進(jìn)行分析研究?！痉椒ā扛鶕?jù)原有的橋墩防撞裝置，依據(jù)等質(zhì)量原則，設(shè)計(jì)泡沫鋁夾芯板防撞裝置。使用ANSYS Workbench進(jìn)行顯示動力學(xué)分析，模擬車輛與橋墩正碰撞過程，提取整個碰撞周期內(nèi)應(yīng)力和變形量的時間歷程曲線，得出動態(tài)過程中產(chǎn)生的最大應(yīng)力和變形量?！窘Y(jié)果】泡沫鋁夾芯板橋墩防撞裝置在碰撞沖擊載荷作用下，整體結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為491.02 MPa，最大變形量為280.31 mm?！窘Y(jié)論】經(jīng)過上述仿真分析可得出，該泡沫鋁夾芯板結(jié)構(gòu)在防撞性能方面的優(yōu)越性，為后續(xù)生產(chǎn)泡沫鋁夾芯板橋墩防撞裝置提供技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：泡沫鋁；防撞裝置；顯示動力學(xué)分析

中圖分類號：TH164 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1003-5168（2024）19-0030-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.19.006

Performance Analysis of Anti-Collision Device for Foam Aluminum Sandwich Plate Pier

LI Zhihui ZHENG Xiang XU Lei CUI Haoran SUN Haobo

（School of Mechanical Engineering， Chaohu University， Hefei 238024，China）

Abstract：[Purposes] In order to meet the structural design and quality requirements of bridge pier anti-collision devices， and improve its service life and comprehensive performance， a anti-collision device for foam aluminum sandwich panel was designed and its performance was analyzed. [Methods] According to the original bridge pier anti-collision device， the anti-collision device of foam aluminum sandwich panel is designed according to the principle of equal quality. By using ANSYS Workbench for display dynamics analysis， simulating the process of a vehicle colliding with a bridge pier， and extracting the time history curve of stress and deformation throughout the entire collision cycle， this paper determines the maximum stress and deformation generated during the dynamic process. [Findings] Under the impact load， the maximum stress of the overall structure is 491.02 MPa， and the maximum deformation is 280.31 mm. [Conclusions] After the above simulation analysis， it can be concluded that， the superiority of the foam aluminum sandwich panel structure in anti-collision performance provides technical support for the subsequent production of foam aluminum sandwich panel pier anti-collision device.

Keywords： foam aluminum; anti-collision device; display dynamic analysis

0 引言

隨著橋梁交通的快速發(fā)展，車輛與橋墩之間的碰撞事故時有發(fā)生，嚴(yán)重威脅著人員、車輛和橋梁的安全。橋墩作為橋梁的重要組成部分，其穩(wěn)定性和安全性直接關(guān)系到整個橋梁的承載能力和使用壽命。因此，橋墩防撞裝置的研究與應(yīng)用顯得尤為重要。

余葵等［1］在2022年為解決白果渡嘉陵江大橋的橋墩防撞安全問題，提出了一種自浮式復(fù)合材料防撞裝置，并運(yùn)用LS-DYNA軟件建立了船—橋墩—防撞裝置的三維分析模型，將有無防撞裝置的情況進(jìn)行對比。結(jié)果表明：安裝防撞裝置后，在最不利的正撞工況下，船舶撞擊力峰值降低55 %，最大等效應(yīng)力減少44 %，具有良好的防撞效果。王喬［2］為有效降低北方地區(qū)春季開江流動冰排對橋墩造成的損傷，設(shè)計(jì)了一種橋墩防冰撞裝置，并對其防冰撞效果進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。結(jié)果表明：橋墩頂部的最大位移和最大加速度可分別減小50 %和70 %以上，防撞裝置對橋墩起到了很好的保護(hù)作用。胡峰強(qiáng)等［3］針對汽車撞擊橋墩問題，設(shè)計(jì)了聚氨酯（PU）泡沫材料防撞裝置，利用有限元軟件建立車輛—橋墩撞擊模型。結(jié)果表明：PU材料具有良好的吸能能力，能有效地吸收沖擊力，減小橋墩撞擊力。張林凱等［4］提出泡沫鋁、橡膠混凝土和泡沫鋁外包橡膠混凝土三種材料的防撞裝置，運(yùn)用ANSYS/LS-DYNA軟件建立三種防撞裝置模型，從能量轉(zhuǎn)化、撞擊力和裝置撞深三部分進(jìn)行動力響應(yīng)分析。結(jié)果表明：泡沫鋁外包橡膠混凝土防撞裝置具有良好的緩沖吸能特性。郭錚等［5］針對現(xiàn)有橋墩防撞裝置存在緩沖效果差、不易安裝和修復(fù)等問題，提出采用具有優(yōu)良耗能緩沖性能的泡沫鋁和聚氨酯材料進(jìn)行多層組合的防撞裝置。結(jié)果表明：泡沫鋁和聚氨酯材料均具有穩(wěn)定的變形破壞模式和較長的應(yīng)力平臺區(qū)，可持續(xù)穩(wěn)定地吸收能量。

橋墩防撞裝置的研究已經(jīng)取得了一定成果，而泡沫鋁夾芯板作為一種新型防撞材料，因其優(yōu)良的緩沖吸能和較輕的質(zhì)量，也逐漸受到研究者的關(guān)注。泡沫鋁夾芯板防撞裝置通過其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料性能，能夠有效地吸收碰撞能量，降低對橋墩的沖擊，從而保護(hù)橋墩的安全與穩(wěn)定。

本研究基于既有的橋墩模型碰撞試驗(yàn)，建立簡化的車輛撞擊帶有泡沫鋁夾芯板防撞裝置的橋梁三維實(shí)體有限元模型，分析在車輛撞擊載荷下，防撞裝置所受的應(yīng)力和變形量。

1 碰撞模型設(shè)計(jì)

本研究設(shè)計(jì)的防撞裝置為三明治夾芯結(jié)構(gòu)，即鋼板—泡沫鋁—鋼板結(jié)構(gòu)［6］，中間為實(shí)體圓柱橋墩。防撞裝置與橋墩采用膠接的方式進(jìn)行連接，泡沫鋁材料密度為300 kg/m3，防撞裝置截面如圖1所示。防撞裝置的高度應(yīng)高于車輛撞擊點(diǎn)，因此，在本模型中取防撞裝置和橋墩的高度為0.8 m。由于防撞裝置粘結(jié)于直徑為1 000 mm的橋墩上，所以防撞裝置的內(nèi)徑選為1 000 mm。防撞裝置的厚度偏于保守地取為190 mm，其中內(nèi)外層鋼板厚度為20 mm，中間泡沫鋁厚度為150 mm。

2 碰撞分析理論

碰撞分析是一種廣泛應(yīng)用的技術(shù)，主要用于模擬物體在碰撞過程中的動態(tài)響應(yīng)，目的是通過模擬碰撞過程預(yù)測結(jié)構(gòu)的變形、應(yīng)力分布。碰撞時系統(tǒng)滿足的動力分析方程見式（1）。

[Mμ+Cμ+Kμ=Ft] （1）

式中：[M]為結(jié)構(gòu)質(zhì)量矩陣；[C]為結(jié)構(gòu)阻尼矩陣；[K]為結(jié)構(gòu)剛度矩陣；[μ]為節(jié)點(diǎn)加速度向量；[μ]為節(jié)點(diǎn)速度向量；[μ]為結(jié)點(diǎn)位移向量；[Ft ]為隨時間變化載荷向量。

在任意給定的時間t，式（1）可以看作是一系列考慮了慣性力[Mμ]和阻尼力[Cμ]的靜力平衡方程。在ANSYS軟件動力分析中，使用Newmark方法計(jì)算動力響應(yīng)的后局部誤差估計(jì)，在離散的時間點(diǎn)上求解這些平衡方程，兩個連續(xù)時間點(diǎn)之間的時間增量稱為積分時間步長（Integration time step）。這種算法可以自動調(diào)節(jié)至適合的步長，使誤差的估計(jì)逐漸趨于0，從而得到可靠的數(shù)值解［7］。

3 有限元分析

3.1 有限元模型

顯示動力學(xué)分析主要用于求解高度非線性的動力學(xué)問題，這些問題通常發(fā)生在極短的時間內(nèi)，如幾毫秒甚至更短。非常適合用來模擬汽車與橋墩之間碰撞過程中的動態(tài)響應(yīng)。

為方便計(jì)算，對汽車和防撞裝置進(jìn)行了簡化處理。假設(shè)汽車為剛性體，汽車與防撞裝置正向碰撞時最大水平速度為20 m/s、碰撞時間為0.01 s，內(nèi)外鋼板材料為STEEL 1006，泡沫鋁的參數(shù)見表1。其中：ρA為密度，EA為彈性模量，υA為泊松比，γ為材料在受壓縮或拉伸時的彈性響應(yīng)特性。

在ANSYS Workbench顯示動力學(xué)模塊設(shè)置各接觸區(qū)域?yàn)榻壎?，通過控制網(wǎng)格尺寸對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，使用四邊形為主的網(wǎng)格劃分，在可能產(chǎn)生形變和應(yīng)力的部位進(jìn)行細(xì)化，控制網(wǎng)格大小為30 mm，生成169 002個節(jié)點(diǎn)，134 334個單元。防撞裝置有限元模型如圖2所示。

3.2 結(jié)果分析

顯示動力學(xué)分析求解車與橋墩正碰撞的典型工況下的動態(tài)響應(yīng)。提取防撞裝置的應(yīng)力分析結(jié)果如圖3所示。碰撞過程中應(yīng)力時間歷程曲線如圖3（a）所示，從圖中可以看出，在0.009 s時防撞裝置應(yīng)力達(dá)到最大峰值，提取此時刻的防撞裝置應(yīng)力云圖如圖3（b）所示，防撞裝置的最大應(yīng)力為491.02 MPa。

提取防撞裝置的變形量分析結(jié)果如圖4所示。碰撞過程中變形量時間歷程曲線如圖4（a）所示。從圖中可以看出，在0.01時防撞裝置的位移達(dá)到最大峰值，提取此時刻的防撞裝置總變形云圖如圖4（b）所示，防撞裝置的最大變形量為280.31 mm。

4 結(jié)論

本研究以車輛—橋墩碰撞問題為背景，為減小車輛—橋墩撞擊過程中橋墩與車輛的損傷，在橋墩局部設(shè)計(jì)泡沫鋁夾芯板防撞裝置?；诩扔械能囕v—橋墩撞擊試驗(yàn)，建立車輛—橋墩撞擊三維實(shí)體有限元模型，研究了車與橋墩碰撞的動態(tài)響應(yīng)特征，得到以下結(jié)論。

①利用既有的橋墩防撞裝置根據(jù)等質(zhì)量原則設(shè)計(jì)一種新型泡沫鋁夾芯板防撞裝置，通過使用ANSYS Workbench進(jìn)行顯示動力學(xué)分析，使用四邊形為主的網(wǎng)格劃分，添加接觸面約束，設(shè)置碰撞速度和時長，模擬車輛與橋墩正碰撞過程。

②提取整個碰撞周期內(nèi)應(yīng)力和變形量的時間歷程曲線，得出動態(tài)過程中產(chǎn)生的最大應(yīng)力和變形量。結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為491.02 MPa，最大變形量為280.31 mm。

③由分析結(jié)果得知，該泡沫鋁夾芯板結(jié)構(gòu)在防撞性能方面表現(xiàn)出色，可為后續(xù)生產(chǎn)泡沫鋁夾芯板橋墩防撞裝置提供技術(shù)支持，以滿足橋墩防撞裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求和質(zhì)量需求，提高其使用壽命和綜合性能。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 余葵，程明，彭炳力，等.白果渡嘉陵江大橋防撞裝置的防撞性能研究［J］.水道港口，2022，43（6）：751-758.

［2］ 王喬.北方地區(qū)橋墩防冰撞裝置設(shè)計(jì)及效果評價(jià)［J］.山東交通科技，2023（2）：93-95.

［3］ 胡峰強(qiáng)，林嘉盛，熊鑫，等.聚氨酯泡沫防撞材料裹覆橋墩的車輛撞擊數(shù)值模擬［J］.南昌大學(xué)學(xué)報(bào)（理科版），2022，46（4）：423-427.

［4］ 張林凱，何見強(qiáng)，陳忠宇.基于LS-DYNA的橋墩防撞裝置性能研究［J］.工程與建設(shè)，2021，35（5）：873-875，881.

［5］ 郭錚，易雪斌，王斌，等.橋墩泡沫鋁基組合防撞裝置耗能機(jī)理及緩沖效果［J］.鐵道建筑，2023，63（5）：87-93.

［6］ 張均閃.鈦/泡沫鋁/鈦復(fù)合三明治結(jié)構(gòu)的制備及力學(xué)性能研究［D］.山東：山東理工大學(xué)，2023.

［7］ 馮領(lǐng)香，魏建國，王森林，等.一種可自調(diào)步長的改進(jìn)Newmark算法［J］.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004（3）：111-114.