公路三波形梁钢护栏尺寸的优化研究

摘要

公路用护栏从十九世纪二十年代开始投入使用。随着汽车种类的变化及高速公路的飞速发展，使护栏系统不断完善。本文首先研究分析了国内外护栏的种类、特点以及发展情况。 其次，介绍了进行汽车与护栏碰撞过程分析的动态显式有限元方法的基本原理，为后面的汽车与护栏碰撞提供了理论依据。再者，建立了汽车与护栏碰撞的有限元模型，仿真计算得出汽车质心的最大加速度，与采用静力法计算得到的结果相比较，表明有限元仿真分析方法是可行的。在此基础上对两波护栏和三波护栏分别建模并进行有限元分析，通过对加速度时间历程曲线的比较，表明三波护栏的性能优于两波护栏。同时证明了护栏系统中防阻块的作用。 最后，给出了汽车与护栏碰撞的评价指标，分析了构成护栏的参数对碰撞过程的影响，然后基于正交试验方法进行分组试验，并制定试验方案，从而得出最佳护栏尺寸，其性能优于标准护栏的性能。结果表明，本文所提出的正交试验方法为护栏的设计指出了一条新的道路，具有重要的工程实用意义和价值。

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第一章绪论

1.1工程背景

1.2护栏的目的和作用

1.2.1护栏的目的

1.2.2设计护栏要达到以下作用

1.2.3护栏的设计目标

1.3现有的护栏种类及特点

1.4国内外研究现状

1.5现有的护栏设计方法

1.6本文的目的和内容

第二章显示有限元方法

2.1基本原理

2.1.1增量运动方程的表述形式与有限元离散方程

2.1.2本构关系

2.1.3单元理论

2.1.4接触界面的处理

2.1.5增量运动方程求解应采用的积分格式

2.2中心差分法

2.3中心差分法的稳定性

2.4高斯求积法的应用

2.5网格密度、形状与位置

2.6单元公式的选择

2.7砂漏

2.7.1砂漏特征及控制途径

2.7.2前置参数法砂漏控制理论

2.8单元的质量矩阵

2.9应力更新方法

第三章 汽车与护栏碰撞的仿真模型建立

3.1按静力法计算冲击荷载

3.2有限元法

3.2.1有限元模型的验证

3.2.2轿车的有限元模型

3.2.3护栏的有限元模型

3.2.4螺栓连接的模拟

3.3两波护栏与三波护栏的比较

3.4防阻块在汽车与护栏碰撞中的作用

第四章正交试验设计法优化护栏尺寸

4.1正交试验设计法原理

4.2汽车碰撞的评价指标

4.3护栏尺寸的选择

4.3.1厚度对护栏板吸能的影响

4.3.2高度对吸能的影响

4.3.3小角度对吸能的影响

4.3.4大角度对吸能的影响

4.3.5小半径对吸能的影响

4.3.6大半径对吸能的影响

4.3.7防阻块、立柱厚度对吸能的影响

4.4制定试验方案

第五章结论与展望

5.1工作总结

5.2工作展望

致 谢

参考文献

附录A （攻读硕士学位期间发表的论文及参与的科研工作）

附录B 计算加速度的最大值、平均值、标准差和伤害指标

附录C标准护栏（1）

附录C标准护栏（2）

附录C标准护栏（3）

附录C标准护栏（4）

附录C标准护栏（5）

附录D不同护拦尺寸的加速度时间历程曲线