开口薄壁长杆结构碰撞车窗玻璃穿透研究

摘要

随着我国城市机动车保有量的不断增加和城市道路中央隔离护栏在全国范围内广泛应用，车辆与护栏的碰撞事故呈明显上升趋势。在车辆与城市道路中央隔离护栏的碰撞事故中，护栏受损形成的开口薄壁长杆结构是造成车辆风窗玻璃穿透的重要因素。目前国内外针对车辆与城市道路中央隔离护栏碰撞的研究较少，缺少开口薄壁长杆结构的碰撞形成机制和对车辆风窗玻璃的穿透机制研究，相关评价方式与评价体系尚未建立。 本文采用基于更新Lagrangre式的有限元算法，分析了三种不同连接形式的矩形管护栏碰撞过程，得出了开口薄壁长杆结构形成机制和不同连接形式对开口薄壁长杆结构开口形式的影响；对两种不同开口形式的开口薄壁长杆结构冲击轿车前风挡及侧窗的过程进行了仿真实验，得到开口薄壁长杆结构穿透轿车风挡玻璃的发生机制；对不同开口形式、不同碰撞速度和角度的开口薄壁长杆结构与轿车前风挡玻璃碰撞过程进行了仿真实验，指出碰撞速度与角度对穿透情况的影响，并据此提出开口薄壁长杆结构对轿车风挡玻璃穿透情况的评价方式。 通过对仿真实验结果分析得到以下结论： （1）开口薄壁长杆结构形成的机制：护栏横梁与立柱的连接在碰撞中失效，立柱在碰撞作用下其上端与横梁前端分离造成横梁前端头暴露，进而形成开口薄壁长杆结构。横梁与立柱的连接形式造成了开口形式的不同。 （2）开口薄壁长杆结构穿透轿车风挡玻璃的机制是：开口端头尖角冲击玻璃时产生的应力集中，以及由此带来的破碎和裂缝。开口形状越尖锐应力集中处应力越大，越容易发生穿透。 （3）碰撞速度对开口形式的开口薄壁长杆结构穿透影响具有明显规律，随着碰撞速度的提高开口薄壁长杆结构对轿车风挡玻璃的穿透时间缩短，开口薄壁长杆结构形变量越小，穿透越严重；碰撞角度对开口形式的开口薄壁长杆结构穿透影响未表现出明显规律，当接触形式为点接触时更容易发生穿透，接触位置越尖锐，碰撞应力越集中，穿透情况越严重。选取开口薄壁长杆最大形变量随时间变化响应关系和接触-穿透时刻作为开口薄壁长杆结构对轿车风挡玻璃穿透评价方式。接触-穿透时间越短、开口薄壁长杆结构最大形变量越小，则认为轿车风挡玻璃穿透情况越严重。 最后对城市道路中央隔离护栏进行结构优化设计和性能进行评估。评估结果表明优化设计后的城市道路中央隔离护栏能够碰撞中有效防止开口薄壁长杆结构的形成。 研究结果揭示了护栏开口薄壁长杆结构形成机制和护栏穿透轿车风挡玻璃机制，为后续护栏结构的改进以及相关国家标准和法规的制定提供参考，为轿车风挡玻璃的仿真模型建立和仿真研究提供新的思路，为车辆风挡玻璃的穿透、损伤评价指标提供参考依据。

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