集装箱汽车列车与桥梁护栏碰撞分析 - 文章

集装箱汽车列车与桥梁护栏碰撞分析

作者：同济大学高云凯彭和东张荣荣

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摘要：采用PAM-CRASH软件，模拟集装箱汽车列车与桥梁护栏的碰撞过程。讨论了集装箱汽车列车鞍座结构的处理，评估了护栏的耐撞性。
关键词：集装箱汽车列车；桥梁护栏；碰撞；鞍座

在没有针对性规范的情况下，为了评估桥梁护栏的安全性和可修复性，有必要在设计初期用数值方法模拟分析桥梁护栏受重型汽车撞击的过程，以在护栏设计阶段预估护栏的耐撞性能和提出护栏结构优化方案。同时，车辆在撞击护栏后的运行状况，尤其是重型集装箱货车列车在事故发生后能否从护栏安全导出，对于车辆行驶的安全性有很大的意义。本分析，针对某正在开发设计中的跨海大桥护栏，应用专门有限元程序PAM-CRASH，进行桥梁护栏受集装箱汽车列车碰撞的模拟。模拟程序的应用使得在护栏的设计过程中能较方便的改变模型的各种结构参数，反复计算对比，从而得出最优性能结构。文中首次对集装箱汽车列车的碰撞运行状态进行了模拟。

1 计算模型

1. 1 护栏模型

主要包括3组栏杆及间距为3000mm通过水泥基座固定在桥面挑出部分上的立柱。为同时考虑桥面挑出部分的弹性，模型中包括桥面挑出部分。根据以往工程经验[1]，在这类碰撞中，在6个立柱范围内的护栏结构及桥面挑出部分有响应；在以下模型中取8个立柱范围内的护栏结构及桥面挑出部分。在建立护栏模型时，准确反映了护栏立柱柱距、立柱与栏杆截面尺寸等；忽略护栏内部的连接结构及孔；简化立柱与桥面的连接，用刚性焊接单元模拟水泥墩的连接。计算中，护栏用弹塑性单元模拟，桥面用弹性单元模拟。计算中全约束桥面挑出部分与桥墩相接边各结点的6个自由度。由于主要分析护栏的受力和变形，本次计算将模型中的护栏进行较精确网格化。又由于车辆撞击护栏后，沿护栏运行距离较长，即车辆护栏的接触界面较长，所以整个护栏单元网格都较密，单元标准边长取15mm。分析模型如图1所示，包括30946个单元和33248个结点。为便于护栏碰撞力和变形的分析，碰撞模型整体坐标系以护栏为基准定义。

图1 桥面及护栏碰撞模拟分析模型

1.2 集装箱汽车列车模型

汽车列车模型包括5轴重型集装箱汽车的牵引车、半挂车及载货集装箱。列车主要尺寸参数见表1。通过对运行中的大型5轴集装箱货车的调研，取表中参数有较好的代表性。在建立汽车简化模型时，准确反映对车辆碰撞过程有较大影响的保险杠尺寸及位置、牵引车车头及行驶系轮廓尺寸与形状、挂车及集装箱的尺寸与鞍座高度位置等尺寸参数和结构。刚性化处理列车车轮，但模型中以铰单元考虑车轮的滚动效果。

表1：车辆主要尺寸参数

该集装箱货车为牵引车连接挂车的列车形式，牵引车和挂车之间通过鞍座连接。在实际行驶中，由于鞍座的作用，集装箱列车的运动特性与其他车辆不同。鞍座用动力铰单元（Kinematic Joint Element）模拟；该单元用两个结点（node）连接两个有相对运动的部分(body)。这两个结点为铰单元的两端点(extremity)，它们在空间的位置可以相同也可以不同，其初始时刻的方位（orientations）由各自的局部坐标系（local frame）决定。在铰单元定义后，可以对其释放的自由度在材料230中定义阻力和阻力矩响应曲线(response curve)。在此次模拟中，根据鞍座特性选用转动铰（Revolute），采用阻力矩—转角曲线。牵引车的摆头和集装箱车的转向都与阻力矩—转角曲线有关。在模拟计算中，此阻力矩响应曲线的定义对仿真效果的好坏有决定性作用。此曲线的准确参数可由试验获得。本次计算中，重点考虑牵引车撞击护栏后，地面对其摆头形成的阻力矩。该阻力矩由牵引车各轮载m、车轮和地面的摩擦系数f，以及牵引车各轮到鞍座的距离l确定。

M=Σmi*g*f*li (1)

考虑到牵引车及集装箱车都与护栏发生碰撞，整车模型网格尺寸较均匀，单元尺寸取100到200mm。分析模型如图2所示，包括 13854个单元和11016个结点。

图2 车辆碰撞模拟分析模型

2. 分析工具

PAM-CRASH是由法国ESI-GROUP公司开发的用于数值模拟的专业仿真软件。主要用于汽车安全性仿真（Automotive Application）、道路防护装置安全性设计（Roadside Safety Feature Design）等。通过边界条件等的定义，可以其分析汽车及其碰撞对象撞后的结构变形等情况。对于汽车与护栏碰撞的中低速撞击问题，PAM-CRASH是一个相当不错的软件。

低速撞击问题的碰撞结构仅局部发生变形、凹陷与穿入，材料反应时间以0.001s为单位即比较合适。经试算，各工况总计算时间在1.3s~1.7s之间。

3．各工况碰撞模拟结果分析

在不同的车辆质量、初始碰撞位置以及集装箱挂车可能碰到的上护栏的直径下，可以全面地对比分析集装箱列车对护栏的碰撞过程。列车初始速度为60km/h，列车与护栏的初始碰撞角为15deg；其它分析工况参数见表2。

表2：分析工况表

3.1车辆碰撞过程模拟分析

图3为工况一车辆撞击护栏过程模拟分析图。可见，车辆和护栏在整个碰撞过程中出现两次撞击：在0.6s以前，牵引车头碰撞护栏；在1.0s－1.2s之间，集装箱车摆尾后撞击护栏；之后车辆导出。

图3 工况一车辆撞击护栏过程

通过对以上五个工况的碰撞过程进行对比分可知：车辆运行状态受护栏栏杆尺寸影响较大，受车辆吨位和初试碰撞位置的影响则较小。图4为工况三车辆撞击护栏过程。车辆在撞上护栏后，牵引车车头与护栏发生反复碰撞；集装箱甩尾与护栏发生碰撞后，并不明显被护栏弹开，集装箱车一直贴合护栏行驶，直到车辆导出护栏。这是由于护栏上栏杆直径与壁厚都较小；则栏杆刚度较小，受碰撞时的反力小。

本分析模拟了碰撞过程中汽车列车的倾覆现象。由图4可以清楚看出，在碰撞过程中，集装箱挂车产生了较小的侧倾角，但很快就恢复了正位；因此，碰撞过程中不会产生列车倾翻现象。

图4 工况三车辆撞击护栏过程

3.2. 碰撞力分析

碰撞力大小对桥梁护栏的可修复性和汽车乘员的安全性都有很大的影响。工况一Y向碰撞力曲线如图5所示。

图5 工况一Y向碰撞力曲线图

在车辆碰撞过程中，碰撞力出现了两个峰值，分别对应牵引车头、挂车尾对护栏发生的碰撞。牵引车与护栏的最大碰撞力发生在0.1s，最大碰撞力约为490000N。牵引车与护栏的碰撞出现的不止一个峰值，也说明了牵引车车头与护栏发生的反复碰撞。集装箱挂车摆尾撞击护栏的力也较大，约为480000N。

各工况下Y向最大碰撞力如表3所示。

表3 各工况Y向最大碰撞力

可见，在上栏杆直径和壁厚较大的工况一和工况二下Y向碰撞力较大，说明这种情况下护栏对列车的反力较大。而初始碰撞位置及挂车吨位对碰撞力的影响并不明显。

3.3 护栏变形分析

碰撞后护栏的变形直接影响护栏的可修复性。工况一Y向护栏变形如图6所示。各工况下Y向护栏变形如表4所示。其中，工况一最大变形发生在中栏杆上，是牵引车头碰撞产生的，最大变形值为209mm。工况二、四和五的大变形位置也在中栏杆上，也是由牵引车头碰撞产生的。而工况三护栏的最大变形则发生在上栏杆上，是挂车甩尾碰撞产生的。尤其值得注意的是：工况五的车辆吨位较大，但并未产生护栏较大变形；这主要是受牵引车摆头效应的影响。

图6 工况一Y向护栏变形图

表4 各工况下Y向最大护栏变形

相对一般高速公路护栏变形[2]，本分析的桥梁护栏的变形较小。护栏变形小，便于其碰撞后的维护。
以上各工况中护栏均没有发生破坏，车辆均能顺利导出。

3.4 碰撞速度分析

工况一挂车质心的X及Y向速度曲线如图7和8所示。在1.1s左右挂车的平均横向速度降为零，其后向反方向运动。到模拟计算结束的1.3s时，挂车前进方向的平均速度由约16100mm/s降为14100mm/s，下降了约10%。各工况下，车辆速度变化差别不大。

图7 工况一车辆X向速度曲线图图8 工况一车辆Y向速度曲线图

3.5. 护栏应变分析

工况一护栏应变如图9和10。在牵引车初始碰撞立柱与其后两个立柱上产生了大应变。最大应变发生在受碰撞立柱处栏杆的上支架上，应变值为0.18。各工况下最大应变均发生在受撞位置附近立柱的栏杆上支架上，而且除工况三外大应变值均为约0.18。在工况三中，集装箱挂车甩尾产生的护栏应变较大，为0.23；也小于护栏材料延伸率0.33。

图9 工况一护栏整体应变云图图10 工况一护栏大应变位置

4 结语

（1）本分析模型，考虑了集装箱汽车的整车高度和鞍座高度等尺寸的分布范围，以及常见桥梁护栏受汽车碰撞的响应范围，有较高的代表性。车辆在撞击护栏后发生摆头，并能顺利导出；护栏也不会断裂。

（2）在集装箱货车与桥梁护栏等发生的这类碰撞中，牵引车撞到护栏后摆头，必然引导集装箱挂车转向。不考虑这一引导作用，分析结果误差会很大。

参考文献：
[1] 交通部公路科学研究所，高速公路交通安全设施设计及施工技术规范，1994，人民交通出版社
[2] 谢新龙，等，电脑模拟分析在撞击问题上之应用，Proceedings of China PAM, Nov. 18th and 19th, 2002, Beijing, CHINA(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (4/8/2006)


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