新型路测柔性护栏耐撞性拓扑优化设计

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1、新型路测柔性护栏耐撞性拓扑优化设计雷正保,许敏(1.长沙理工大学汽车与机械工程学院,湖南长沙,410004)摘要：为了研发出一套符合我国国情的新型级路测柔性护栏，本文章根据国内护栏设计法规，首先通过建立汽车-护栏有限元模型并与实车试验对比验证汽车-护栏有限元模型的准确性，其次利用元胞自动机拓扑优化方法对路测柔性护栏立柱进行了多工况优化，通过对比两种材料优化结果提取出“U型”立柱拓扑结构。最后利用正交优化方法对“U型”立柱进行正交试验分析，得到路测柔性护栏立柱最优尺寸，并对最优尺寸进行了仿真验证分析。分析结果表

2、明：参照法规条要求，客车、轿车和货车与护栏碰撞仿真试验中，车体X、Y、Z轴的最大加速度均小于20g，护栏最大横向偏移量均小于1.2米，满足碰撞安全性标准要求。关键字：路测柔性护栏，耐撞性拓扑优化；元胞自动机；正交优化护栏是最重要的交通基础设施，其防撞机理是通过护栏和车辆之间的摩擦、护栏的变形、微损和车辆的车身变形、零部件损坏来吸收碰撞车辆冲击动量，并将碰撞车辆导向回行驶车道，以达到保护碰撞车辆和乘员安全的目的。我国现有刚性护栏和半刚性护栏，设计时偏重考虑防撞性能，导致交通事故发生时，护栏刚性大易侵入驾驶室，乘

3、员安全性无法保障。而柔性护栏为具有较大缓冲能力的韧性结构，主要依靠钢丝绳拉应力抵抗车辆碰撞，并具有良好导向作用，因此柔性护栏是新型护栏发展趋势之一[1-2]。在国外研究最为成功的柔性护栏为英国的布瑞芬护栏[3]，该护栏能很好的保护乘员的安全，能引导失控车辆进行导向，但护栏横向偏移量较大，不符合我国道路条件和国内护栏碰撞安全法规，因此非常需要根据我国国情和国内碰撞安全法规[4-5]设计出一套新型路测柔性护栏。1车辆有限元模型可靠性分析为了使仿真结果与实际碰撞情况更加接近，车辆模型的几何尺寸以碰撞试验所用的客车的

4、实际尺寸相同，结合目前护栏安全性评价标准着重考虑车辆-护栏碰撞试验中护栏的最大偏移量及车辆运动轨迹，因而车辆建模过程中细节部分可以简化处理。根据实车外形尺寸、质心高度、转动惯量等参数建立了某品牌10t客车的有限元模型（如图1所示）[6-7]。图1客车和客车有限元模型Fig.1RealvehiclemodelandFEAmodel车辆模型将采用材料模型*MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY模拟，材料参数设置如表1所示。表1车辆的材料参数Tab.1Materialparameterofv

5、ehicle弹性模量密度泊松比200GPa7870kg/m30.27在对路测柔性护栏立柱优化过程中，设计者只需提供立柱粗略设计区域，因而客车模型的可靠性直接影响立柱耐撞性拓扑优化结果。为了验证客车模型可靠性，本文根据长沙理工大学足尺碰撞试验数据从车辆运行轨迹和加速度大小两方面来验证车辆模型的可靠性。（1）车辆在碰撞过程中的运行轨迹图2仿真试验车辆运行状态Fig.2Themotionconditionofsimulationvehicle图3实车试验车辆运行状态Fig.3Themotionconditionof

6、realvehicle由图可知:车辆没有穿越、骑跨或下穿护栏；没有发生横转、掉头、翻车状况；驶出护栏后恢复到正常行驶姿态。车辆行驶姿态。仿真结果与试验结果一致。（2）车辆在碰撞过程中，车体三个方向的加速度曲线图4实车试验质心三方向加速度曲线Fig.4Therealvehicleaccelerationinthreeaxes图5仿真试验质心三方向加速度曲线Fig.5Thesimulatedvehicleaccelerationinthreeaxes图4为实车试验质心三方向加速度曲线，分别为：ax=6.0g，ay

7、=3.9g，az=1.9g。图5为仿真试验车辆三方向加速度曲线，分别为为ax=6.2g，ay=3.8g，az=1.45g，实车和仿真试验车车辆得到的三方向最大加速度误差在百分之3内。从车辆运行轨迹和碰撞过程中车体三方向加速度对比分析表明，建立的客车仿真模型与实车碰撞仿真结果一致，验证了客车仿真模型的准确与可靠。2新型路测护栏立柱拓扑优化护栏碰撞试验是瞬时大变形的非线性过程，为解决该非线性优化问题，混合元胞自动机理论被证明是一种非常可靠的方法[9]。混合元胞自动机拓扑优化方法把设计目标转化为了材料单元的相对密度

8、，单元的相对密度在0到1直接取值，若某一单元的单元相对密度为0，则说明该单元材料为空，即无材料。若单元相对密度为1.则表示该单元为完全密度材料[8]。单元以一致内能密度作为优化目标，在给定的约束条件和一定质量比的情况下可得出所需的拓扑构型。新型路测护栏立柱优化由优化区域立柱和非优化区域钢丝绳两部分，钢丝绳采用4根国标直径19mm，分别位于离地高度410mm-630mm-780mm-930mm处[10