车辆与新型柔性限高架碰撞简化模型研究.pdf

Open Journal of Transportation Technologies 交通技术交通技术,2023,12(4),354-363 Published Online July 2023 in Hans.https:/www.hanspub.org/journal/ojtt https:/doi.org/10.12677/ojtt.2023.124039 文章引用文章引用:陶江峰.车辆与新型柔性限高架碰撞简化模型研究J.交通技术,2023,12(4):354-363.DOI:10.12677/ojtt.2023.124039 车辆与新型柔性限高架碰撞简化模型研究车辆与新型柔性限高架碰撞简化模型研究 陶江峰陶江峰 平顶山市公路工程公司，河南 平顶山 收稿日期：2023年5月23日；录用日期：2023年7月21日；发布日期：2023年7月31日 摘摘 要要 本文提出了可供车辆与刚性、柔性两类限高架碰撞简化计算的本文提出了可供车辆与刚性、柔性两类限高架碰撞简化计算的三自由度质量三自由度质量弹簧模型弹簧模型，并，并从撞击力、从撞击力、位移等方面对比简化模型与位移等方面对比简化模型与两类限高架两类限高架有限元模型的计算结果有限元模型的计算结果。结果表明：柔性限高架撞击过程中的撞。结果表明：柔性限高架撞击过程中的撞击力、累积撞击冲量、撞击力峰值、车辆位移、限高架横梁与立柱位移的计算较为准确，刚性限高架撞击力、累积撞击冲量、撞击力峰值、车辆位移、限高架横梁与立柱位移的计算较为准确，刚性限高架撞击过程中的动力响应计算误差相对更大，但在可接受范围内，说明质量击过程中的动力响应计算误差相对更大，但在可接受范围内，说明质量弹簧模型对于车辆与限高架碰弹簧模型对于车辆与限高架碰撞问题有较高适用性和准确性。撞问题有较高适用性和准确性。关键词关键词 限高架，质量限高架，质量弹簧模型，有限元分析，碰撞弹簧模型，有限元分析，碰撞 Research on Simplified Model for Collision between Vehicles and New Flexible Height Restriction Barrier Jiangfeng Tao Pingdingshan Highway Engineering Company,Pingdingshan Henan Received:May 23rd,2023;accepted:Jul.21st,2023;published:Jul.31st,2023 Abstract This paper presents a three degree of freedom mass-spring model for simplified calculation of ve-hicle impact with rigid and flexible height restriction barriers,and compares the calculation re-sults of the simplified model with the finite element models of the two types of height restriction barriers in terms of impact force,displacement,and other aspects.The results show that the cal-culation of the impact force,cumulative impact impulse,peak impact force,vehicle displacement,and displacement of the overhead beam and column in the flexible height restriction barrier is 陶江峰 DOI:10.12677/ojtt.2023.124039 355 交通技术 more accurate.The calculation error in the rigid height restriction barriers is relatively larger,but within an acceptable range,indicating that the mass-spring model has high applicability and ac-curacy for the impact problem between vehicle and height restriction barrier.Keywords Height Restriction Barrier,Mass-Spring Model,Finite Element Analysis,Collision Copyright 2023 by author(s)and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License(CC BY 4.0).http:/creativecommons.org/licenses/by/4.0/1.引言引言 车辆与结构的碰撞问题通常采用精细化的有限元数值模拟技术进行计算，但因其建模复杂，计算时间长，在实际工程中难以大量推广应用。为推广研究成果在工程中的应用，一些关于冲击碰撞问题的简化力学模型和动力学分析方法也被提出来。Bischoff 1将冲击问题分为软冲击和硬冲击，软冲击指撞击体变形远远大于被撞结构物，硬冲击指撞击体变形较小或与被撞结构物变形大小相当，分别推荐采用单自由度和双自由度质量弹簧模型对其进行分析。Vrouwenvelder 2提出了单自由度的质量弹簧和等效弹性杆撞击刚性墙模型，模拟车辆碰撞问题，并经过了试验数据的校正参数。刘少源3根据实车碰撞试验结果提出了柔性梁法，来计算汽车与半刚性护栏碰撞问题。张誉、赵鸣、姚启明4 5 6等对车辆护栏碰撞问题进行了简化，根据刚体运动原理建立了车辆与护栏的质量弹簧简化力学模型，研究了汽车与护栏碰撞后的运动轨迹和撞击力。Cao 7利用大量有限元模拟结果，提出了车辆撞击时程曲线模型；Chen 等8采用质量弹簧阻尼模型对中型卡车的碰撞问题进行简化；方乐9进一步地采用粒子群优化算法，对中型卡车力学模型进行了参数优化。本文针对限高架与车辆的碰撞问题，提出可简化计算的三自由度质量弹簧模型。建立动力微分方程，通过准静态加载有限元模拟试验得到车辆、刚性限高架、新型柔性限高架的变形刚度参数，从撞击力、位移等方面对比简化模型与两类限高架有限元模型的计算结果，研究该模型在限高架碰撞问题中的适用性，从而大大减少分析时间，更适用于实际工程设计。2.质量质量弹簧模型弹簧模型 文献10对车辆与新型柔性限高架的碰撞分析过程可以发现，撞击力以水平方向的分量为主，力学模型中可以仅考虑水平方向的平动自由度。新型柔性限高架横梁与立柱使用弹簧铰支座连接，横梁表现出多段变形刚度的特征，可以将限高架分为 2 个部分建立力学模型。车辆前围框架在变形过程中以塑性变形为主，并有玻璃、蒙皮的破坏、框架断裂，在速度降为 0 m/s 之后的阶段的恢复变形刚度的测量很困难，限高架的恢复变形刚度受变形程度、构件变形耦合、重力作用等因素的影响，难以建立简化力学模型，且车辆与限高架的塑性变形在此之后基本停止，因此以车辆速度降为 0 m/s 时刻作为简化力学模型的终止时间，此时刻之前的数据为有效数据，与有限元模型结果对比。根据以上分析，将车辆与限高架的撞击问题简化为三自由度的质量弹簧力学模型，并作出以下四点基本假设：Open AccessOpen Access陶江峰 DOI:10.12677/ojtt.2023.124039 356 交通技术 1)忽略车辆与地面、车辆与限高架的摩擦力；2)忽略结构阻尼，结构阻尼较小，在短时间的撞击过程中对结构位移和撞击力影响较小；3)车辆简化为单自由度质量块，考虑车辆在碰撞过程中前部的局部变形，以弹簧系数1k的无质量弹簧表示；4)限高架的横梁和立柱分别简化为单自由度质量块，以弹簧系数2k和3k的无质量弹簧表示其变形刚度，不考虑薄弱点螺栓断开。车辆与限高架碰撞问题的质量弹簧模型如图 1 所示，对应的振动微分方程如公式 1 所示。Figure 1.Mass-spring model 图图 1.质量弹簧模型 ()()()()1 11123122112312232332232333000m xkxxxbm xkxxxbkxxbm xkxxbk xb+=+=+=(1)式中：123,m m m车辆质量、限高架横梁和立柱的质量；123,x x x车辆位移、限高架横梁位移、立柱位移；123,k k k车辆、限高架横梁和立柱的变形刚度；123,b b b弹性力iik xb+的截距。车辆的初始速度为 10 m/s，初始位移为 0 m，限高架横梁和立柱的初始位移和速度均为 0 m/s，上述方程初始条件为()()()1230000 xxx=，()1010 x=，()()23000 xx=。撞击力根据车辆的变形刚度和变形量计算，如公式 2 所示。()11231Fkxxxb=+(2)3.计算计算参数参数确定确定 3.1.车辆参数车辆参数确定确定 车辆为从 NCAC 模型数据库中选取一辆半承载式客车，质量为 13.74 t。在与限高架的撞击过程中，车辆多个构件的耦合作用和蒙皮玻璃等单元的失效使车辆变形刚度的测量和计算成为难点。本文通过对有限元模型10中的车辆进行准静态加载试验，得到车辆的变形刚度，虽然车辆的静态与动态力学性能有所差别，但对于简化的质量弹簧力学模型有一定适用性。静态位移加载时，将车辆固定，对撞击高度的刚性梁施加位移边界条件，以 0.01 m/s 的速度向车辆移动，刚性梁的位移即为车辆前部的变形量，根据有限元计算结果，提取位移边界的边界力，与刚性梁的位移组成边界力位移曲线，曲线的斜率即为车辆的变形刚度，如图 2 所示。从图 2、图 3 中可以看出，准静态的位移加载虽然速度较低，仍然会使结构产生惯性力，引起曲线波动，但波动幅度不大，边界力与位移有明显的分段线性正相关性，因此将曲线简化为 2 段直线，简化后边界力与位移的关系如公式 3 所示。陶江峰 DOI:10.12677/ojtt.2023.124039 357 交通技术 Figure 2.Quasi-static displacement loading of vehicle 图图 2.车辆准静态位移加载 (a)原始边界力跨中位移曲线 (b)等效边界力跨中位移曲线 Figure 3.Vehicle boundary force-displacement curve 图图 3.车辆边界力位移曲线 328.6,(1)0.9568.7246.9,(2)0.95xxyxx=+(3)3.2.刚性限高架刚性限高架参数确定参数确定 根据刚性限高架的体积和密度计算得到，横梁的质量为 1232 kg，立柱的质量为 556 kg。采用准静态位移加载来计算刚性限高架横梁和立柱的变形刚度。横梁在准静态位移加载时，梁端设置为固定支座，根据车辆前围框架与限高架横梁的撞击位置，在横梁距离跨中 1.2 m 处的截面设置 2 个位移边界条件，以 0.01 m/s 的速度移动。立柱的准静态位移加载时，位移边界条件设置在柱顶截面，边界位移即为构件的变形量，如图 4 所示。提取位移边界的边界力，得到边界力跨中位移曲线，如图 5、图 6 所示。从图 5 中可以看出，刚性限高架横梁的原始边界力位移可简化为 3 段直线，变形量达到 0.17 m 后变形刚度开始减小，这是材料的弹塑性特征引起构件的弹塑性变化；变形量达到 0.6 m 后变形刚度又开始增大。但是，实际撞击过程中，立柱对横梁端部的约束相当于