4索交叉纏繞式A級柔性護欄優化設計*（交通）

                          雷正保  廖  卓  劉助春

              （長沙理工大學汽車與機械工程學院  長沙410004）

摘要為提高我國A級柔性護欄的安全、經濟及實用性能，使其具有廣泛推廣使用價值，對護欄立柱及鋼索布局形式進行設計。結合正交試驗方法，對設計的柔性護欄整體尺寸進行優化設計，通過對試驗結果進行極差與方差分析研究，得到柔性護欄最優尺寸結果。通過建立基于有限元方法的柔性護欄碰撞模型對最優結果進行分析驗證，得出該柔性護欄能夠滿足碰撞安全性標準要求的結論。

關鍵詞  交叉纏繞式柔性護欄  有限元  優化設計  碰撞模型  正交試驗

    柔性護欄價格便宜、容易修理、施工和維修方便，能提高高速公路路側安全性和透視效果，合理使用柔性纜索護欄具有一定的社會效益、經濟效益和環境利益。國外的柔性護欄發展經歷了很長的歷史過程，以英國布瑞芬公司的安全鋼索護欄為代表的產品，很好地體現出了柔性護欄的優越性。但目前我國自主研發設計的柔性護欄還不成熟，導致其推廣困難。

    本文以確保柔性護欄安全性能滿足法規要求的同時使其成本最低為設計原則，對4索交叉纏繞式柔性護欄進行優化設計。采用矩形鋼管直接開槽的立柱設計，簡化了護欄的安裝過程，降低了護欄使用成本。在充分考慮我國的道路車輛組成情況后，針對鋼索布局進行了研究，進而確定了合理的鋼索布局形式及高度，能夠很好地防止小車的下鉆、騎跨，以及貨車的側翻。最后利用正交試驗方法對護欄整體進行了優化設計，得到護欄的最優尺寸組合，并通過建立基于有限元方法的柔性護欄碰撞分析模型，對優化結果進行驗證分析。

1  立柱外形及鋼索布局形式

    復雜的立柱外形會增加加工成本和安裝難度，同時不合理的鋼索布局會降低柔性護欄的安全性能，因此有必要從提高安全性能、降低成本等方面重新設計立柱與鋼索布局。

    本文采用在矩形鋼上直接開鋼索卡槽的方法得到立柱的初步構型（見圖1），該立柱加工安裝方便、節省材料，安裝時只需將鋼索放置于卡槽中即可，不需要其他的連接結構。

    目前國內安裝的大多是鋼索直拉式的柔性護欄（見圖2），其鋼索之間協同工作能力差，本文參考英國的Brifen護欄鋼索交叉纏繞的局部方式（見圖3），能夠有效地通過阻止車輛穿越護欄或使車輛偏轉回正常行駛方向的方式，來牽制和導向碰撞車輛。

    最上面1根鋼索的主要作用是防止大車碰撞時發生側翻，最下面1根鋼索則主要是用來防止小車碰撞時下鉆。中間2根鋼索則與上下2根協同受力，達到有效防護碰撞車輛的目的。通過仿真試驗分析，當鋼索正好在小車的前防撞梁位置范圍內時，才能有效地使小車完成導向，我國小車前防撞梁高度在410～500 mm之間，并且主要集中在490 mm左右，因此最下面鋼索高度定位在490 mm。

    我國道路通行車輛中貨車所占比重較大，當貨車滿載時其重心升高，為防止車輛側翻護欄，最上方的鋼索不宜過低，綜合護欄總體高度等因素考慮，確定最上方的鋼索高度為990 mm，4根鋼索之間的間距按1:1:2進行分配，得到4根鋼索的總體布局高度為490 - 615 - 740 - 990 mm。經過仿真試驗驗證，該纏繞形式，以及高度布局能夠很好地完成車輛導向，防止車輛絆阻和側翻。

2正交優化設計

2.1  試驗條件及評價標準

    根據《高速公路護欄安全性能評價指標》(JTG／TF83 - 01 - 2013)對柔性護欄的設計要求，A級柔性護欄的試驗條件見表1。

    護欄安全性能評價標準要求護欄能夠有效地阻擋車輛并對車輛進行導向，禁止車輛任何形式的穿越、翻越、騎跨護欄，車輛縱橫向最大加速度小于等于20 g，最大橫向偏移量小于等于1 200 mm。

2.2試驗因素及水平選取

    首先依據基于黃金分割法的單因素試驗，對可能的影響因素進行敏感度分析，最終確定的敏感因素為B（矩形鋼厚度）、C（護欄立柱間距）、A（矩形鋼型號）。對每個因素取3個水平進行研究，因素水平見表2。

2.3試驗結果及分析

    根據表2所列的各因素優化區間值，選用L₁₆(3⁴)的正交表分別對2種車型進行16組仿真試驗，試驗結果見表3。

    首先采用極差分析法對試驗數據進行分析，極差也稱為變異幅，反映一組數據的最大離散程度。極差值越大表明該因素對結果的影響越大，其計算公式如下。

    由表4分析得到因素影響程度的主次順序是：B>C>A，以及各因素、水平的最優組合為：A(3)B(3)C(2)，即矩形鋼管截面選用100 mm×80mm，立柱厚為4 mm，立柱間距3 000 mm。

    另外，考慮到極差分析不能估計試驗中以及試驗結果測定中必然存在的誤差大小，為了分析試驗結果影響的重要程度，驗證極差分析結果的可靠性，繼續對試驗結果進行方差分析，檢驗各因素水平對結果的顯著性。利用式(2)求得所有水平下的全部試驗數據的平均值，然后利用式(3)求得全部試驗數據對總平均值的偏差的平方和ST，最后通過式(3)、式(4)得到F值，再通過查詢F分布表確定各因素的顯著性。取顯著性水平a=0.5，方差分析結果見表5。

3最優結果驗證及分析

    為驗證正交優化結果的可靠性，根據最優尺寸組合，建立基于有限元方法的交叉纏繞式柔性護欄碰撞分析模型，進行有限元驗證分析。結果表明3種車型都能很好的完成導向，小車最大加速度15.4 g，客車最大偏移量991 mm，貨車最大偏移量872 mm，均滿足法規要求。圖4、圖5為小車運動情況及最大加速度，圖6、圖7為客車運動情況及最大偏移量，圖8、圖9為貨車運動情況及最大偏移量。

4結語

    針對我國現階段柔性護欄推廣困難的問題，對4索交叉纏繞式A級柔性護欄從立柱、鋼索布局以及整體尺寸方面進行了優化設計，得到了一種適合我國公路柔性護欄的立柱及鋼索布局形式，并通過正交試驗方法得到了護欄整體最優尺寸組合。通過建立基于有限元方法的柔性護欄碰撞分析模型，對優化結果進行驗證分析，表明該柔性護欄能夠滿足碰撞安全性標準要求。同時其在安全、經濟、實用性能等方面都有一定程度的提高，為柔性護欄在我國的推廣提供了更大的可能性。