基于有限元分析方法的山区高速公路路侧护栏设计

发布时间：2020-04-22 01:20

【摘要】：山区高速公路地形复杂，长大下坡路段、小半径曲线路段、视距不良路段较多。因此车辆在山区高速公路上行驶时，驾驶员操作困难，路侧事故常有发生，从而导致车辆与护栏发生碰撞。由于山区高速公路所处地形复杂，路侧环境较差，行驶中的车辆一旦冲出路面，往往导致车毁人亡的严重后果。现状山区高速公路路侧护栏存在一定的缺陷，车辆冲出路面现象时有发生，所以对现状山区高速公路路侧护栏进行较大力撞击分析，从而对现状护栏进行改善设计以保障山区高速公路行车安全。 本文的主要内容为：1）依据有限元分析方法基础理论运用有限元分析软件ANSYS对一矩形物体进行了受力分析依据有限元分析方法基础理论，包括弹性力学中常用的胡克定律，以及弹性力学中求解物体应力、应变和位移需要的平衡方程、几何方程和物理方程及边界条件。并引出弹性力学求解复杂物体应力、应变和位移的困难及有限元分析方法的可行性。借助有限元分析软件ANSYS对一矩形物体进行了受力分析。2）分析了常用护栏的种类、特性及规范对护栏的要求，并建立三维山区高速公路路侧护栏有限元模型常用护栏类型有三种为柔性护栏、刚性护栏和半刚性护栏。柔性护栏的主要表现形式为绳索护栏，其设置与环境协调但防御能力有限；刚性护栏主要表现形式为水泥混凝土护栏，其强度较大，能够有效防御车辆冲出路面，，然而车辆与其发生碰撞时往往导致车辆严重破坏，甚至导致驾乘人员伤亡；半刚性护栏介于柔性护栏与刚性护栏之间比较常用，是本文的重点研究对象。本文依据规范中对不同碰撞等级护栏的要求，并结合山区高速公路井睦高速路侧主要波形梁护栏Gr-SB-2E建立了三维有限元模型，并对模型进行了网格划分。3）分析了山区高速公路道路坡度、坡长对车辆与路侧护栏碰撞速度的影响、平曲线半径对碰撞角度的影响、车辆故障对碰撞角度的影响、车辆质量尺寸对碰撞力的影响，并把不同情况转化成碰撞力施加到已建立的有限元模型上结合山区高速公路的设计要求，分析计算了道路不同坡度、不同坡长、不同滚动摩擦系数对失控不同初始速度车辆的速度影响情况；分析了山区高速公路平曲线半径大小对车辆与路侧护栏碰撞角度的影响，知理论上车辆可能与护栏以0~90度之间的任一角度发生碰撞；分析了车辆爆胎事件发生后，车辆轮胎尺寸以及车辆与路侧护栏之间距离对碰撞角度的影响，可知车辆爆胎后可能与护栏以0~90度之间的任一角度发生碰撞。并把不同车辆尺寸、车辆质量及碰撞速度、碰撞角度转化成碰撞力，并把碰撞力施加到已经建立的护栏三维有限元模型上。4）现状山区高速公路路侧护栏受较大力（大型车、大角度、高速碰撞）撞击时位移应力分析及改善设计现状山区高速公路路侧护栏有限元模型施加载荷后，进行求解计算，并显示护栏位移及应力图，可知护栏在较大力（大型车、大角度、高速碰撞）撞击时发生较大位移并且内部应力较大，护栏有发生断裂的可能性。 最后，本文提出相应的改善设计：①护栏立柱间距由原来的2米变为1米，②护栏波形梁由原来的三波变为四波。并且对改善后的护栏进行再次建立有限元模型、网格划分、施加载荷、求解计算等过程，并对比了改善后护栏的位移计内部应力情况，可知其位移和应力都有了明显的较小，验证了本文提出的关于山区高速公路路侧护栏的改善设计。
【图文】：

第二章 有限元分析方法基础理论及软件操作简介划分成有限个多边形单元，假定弹性物体内应力和应变都是经过各个单元节点进行传递的，整个弹性物体分析就是在各个离散化的单元上进行的。2.3 有限元分析软件 ANSYS对于结构复杂的弹性物体进行有限元分析，采用手工计算或者借助非专业计算机软件，其工作量会非常大。因此，对于不对称、不均匀等复杂结构的弹性物体采用专门的有限元分析软件将大大降低工作量，提高计算效率，从而缩短设计护栏周期，从而便于尽快投入到实践中，在众多有限元分析软件中，ANSYS 软件作为一款专门进行有限元分析的软件，其拥有操作方便、简单易学、界面友好等优点，ANSYS 软件分析结果可以直观地以图形形式表现出来，具有较好的视觉效果，其界面如图 2.3 所示。

图 2.4 有限元分析软件 ANSYS 建立模型A○6EA网格划分，点击“ANSYS Main Menu”→“Preprocessor”→“Meshing”→“Meool”，弹出“Mesh Tool”对话框，在该对话框“Size Controls：”下点击“Global”Set”命令，弹出“Global Element Sizes”对话框，在“SIZE Element edge length”本框内填入“0.5”，点击“OK”后返回“Mesh Tool” 对话框，点击“Mesh”命令出“Mesh Areas”对话框，点击“Pick All”，点击“OK”，对模型进行网格划分，划分如图 2.5 所示，至此，有限元分析前处理过程完毕，进入载荷加载过程，进入A○7EA；
【学位授予单位】：长安大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：U417.12

【参考文献】

相关期刊论文 前10条

1 徐学军;郑玉峰;;口腔生物力学问题有限元分析的研究进展[J];北京大学学报(自然科学版);2006年03期

2 闫伟天;罗明强;刘虎;武哲;;基于自动有限元建模的民机机翼结构布局优化[J];北京航空航天大学学报;2013年04期

3 关振群 ,宋超 ,顾元宪 ,隋晓峰;有限元网格生成方法研究的新进展[J];计算机辅助设计与图形学学报;2003年01期

4 张晓晴;黄小清;汤立群;;高速公路护栏的冲击动力学分析有限元模型[J];计算机仿真;2007年03期

5 马迅,盛勇生;车架刚度及模态的有限元分析与优化[J];客车技术与研究;2004年04期

6 方岱宁,周储伟;有限元计算细观力学对复合材料力学行为的数值分析[J];力学进展;1998年02期

7 唐良兵;王伟;;基于ANSYS的汽车传动轴的有限元分析[J];机械;2013年01期

8 张冬芳;张玉芬;赵均海;朱倩;;复式钢管混凝土外钢管不连通环梁节点有限元分析[J];建筑结构;2013年05期

9 赵昌国;李登中;;高速公路防撞护栏简介[J];黑龙江交通科技;2007年02期

10 郑颖人,赵尚毅,邓卫东;岩质边坡破坏机制有限元数值模拟分析[J];岩石力学与工程学报;2003年12期

本文编号：2635963