本文是一篇土木工程論文，本文以某款 1.5t 小轎車與京港澳高速某合同段雙波型梁護欄為研究對象，以車輛與傳統護欄碰撞模擬—分析缺點與不足—護欄優化設計—優化后再碰撞對比分析的思路對傳統護欄進行具有工程應用價值的優化設計，最后通過正交試驗的方法確定最優參數組合。
第 1 章 緒論
1.1 研究背景及意義
隨著我國經濟與科技迅猛發展，高速公路通車里程位居世界前列。截止至 2018年底，全國公路總里程數為 84.65 萬公里，相比 2017 年增加了 7.31 萬公里，高速公路里程數為 14.26 萬公里，相比上年增加了 0.61 萬公里[1]。汽車也成為現代社會中重要的交通工具，然而我國高速公路交通事故問題也日益突出，高速公路交通事故帶來的傷害與嚴重程度日益嚴重。
雖然我國國民對于交通安全的意識逐步提高，由交通事故帶來的傷亡人數逐漸減小，可是死亡總數仍然觸目驚心。根據數據顯示，我國有 14％的交通事故是由于車輛與護欄發生碰撞引起的，而發生在高速公路的事故 30％是由于護欄未對車輛起到良好的保護作用，導致車輛與護欄撞擊時發生了騎跨、外翻等現象，而其中有 62％以上都是與護欄有關引起的重大交通事故[2-3]。盡管安全設施完全按照相關規范的規定進行設計，但仍有部分路段防護效果不好，嚴重影響了護欄的安全性，帶來安全隱患[4-6]，圖 1-1 所示為我國交通事故原因比例分布。
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1.2 國內外研究現狀
1.2.1 國外研究現狀及發展動態
國外對公路設施的研究要早于國內，因此對與護欄的研究也早于中國，發達國家研究護欄開始于高速公路的出現[7]，例如歐美國家自 1920 年代以來就已經制定了相關的使用標準，包括護欄的制造、運輸和維護等。美國是結合理論和實踐研究護欄的先驅者。1962 年，美國公路聯合會與其他機構合作開發了與公路相關的項目，稱為 NCHRP[8]。
美國國家研究所的運輸研究所于 1981 年發布了評估公路欄桿性能的標準[9]，并在此之后的幾年中對公路安全特征進行了深入研究。直到今日美國所有護欄設計，必須通過 Manual forAssessingSafety Hardware (MASH)進行評估，以符合安全要求[10]。
同時對護欄研究開展較早的國家還有日本，在 19 世紀 60 年代對其國家的護欄提出了較為詳細的結構及安裝設計要求和標準，在 20 世紀 50 年代開始有研究學者專門針對護欄做出分析及開發，并且制定出了一套適合其國家國情及道路情況的護欄標準規范，且形成了十分成熟并得以廣泛應用的日式護欄[11]。
L.C.Bank 和 T.R.Entry[12]研究了一種新型復合材料護欄，不通過材料彈塑性來抵抗碰撞，而是通過材料的裂變來吸收車輛碰撞的能量。Elvik[13]通過碰撞仿真試驗對護欄的各部件防撞性能進行了研究，并對剛性和半剛性護欄防撞墊的設計提供了一些參考價值。Itoh[14]對剛性混凝土護欄和卡車的碰撞仿真試驗進行了分析研究，結果表明 F 型剛性混凝護欄在碰撞時可以對卡車起到阻擋作用，不會發生翻越現象，成員的安全性能可以得到保證。Marzougui[15]等人研究了道路轉彎處曲率與混凝土護欄防撞性能之間的關系，分析了道路線形曲率和車輛碰撞角度對護欄安全性能的影響，結果表明在碰撞過程中車輛的碰撞角度對護欄安全性能影響更大。Vesenjak[16]等人主要利用有限元分析了護欄中的防阻塊結構，對比分析各種不同形狀和結構的防阻塊，并得出結論六邊形的防阻塊對汽車與護欄碰撞過程影響最小，比其他形式的防阻塊結構可以吸收更多的能量。Borovinsk[17]通過計算機軟件數值分析的方式提出了三種針對半剛性波形梁做出的優化設計方案，首先在護欄立柱處增加鋼板，其次在護欄防阻塊增加鋼板，最后在波形梁辦的兩個波峰分別增加鋼條，最終結果表明最優的設計方案為在立柱處增加鋼條，可以充分發揮護欄的導向功能且滿足標準中要求的護欄最大橫向變形和車輛最大加速度。
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第 2 章 車輛-護欄碰撞有限元理論及護欄評價標準
2.1 工程背景
本文以京港澳高速公路涿州（京冀界）至石家莊段改擴建項目為研究背景，路線自河北省與北京市交界處起始，止于石黃樞紐互通終點處，具體路段參數詳見表 2-1。
另外該線除石家莊支線采用 6 車道（路基寬度 34.5m）標準建設外，其余路段均按 8 車道（路基寬度 42m）標準建設。該線主要技術指標詳見表 2-2。
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2.2 非線性有限元基本理論
2.2.1 有限元仿真分析流程
本文通過 HyperMesh 對建立好的護欄及車輛三維模型進行網格劃分等工作，將建立好的有限元模型導入 LS-DYNA 進行計算，計算完成后通過 LS-Prepost 對數據進行處理分析。
HyperMesh 軟件可以自動生成網格，檢查單元的質量并修改不合格的單元，還配備了與各種 CAD 軟件的接口，例如 UG、Pro / E 和其他 CAD 軟件。讀入幾何模型后可以快速處理不完美的幾何模型，還配備了 ABAQUS，ANSYS 等各種有限元計算軟件接口以及其他求解器接口，由此實現模型在不同軟件之間的轉換。
LS-DYNA 軟件可以對 3D 非彈性結構的動態模擬過程進行精確的分析，比如車輛碰撞或爆炸模擬等非線性動態大變形問題就可以利用該軟件有效解決，在碰撞模擬過程中可以精確地模擬每個組件的變形和能量變化。
本章首先介紹了京港澳高速公路某合同段工程概況以及該項目的半剛性雙波形梁護欄設計圖，為建立車輛-護欄碰撞系統奠定了基礎；其次介紹了汽車與護欄碰撞時所涉及的非線性顯式有限元控制方程、材料本構關系模型等非線性有限元理論，以及后文進行優化設計時必備的基本理論，為有限元仿真分析提供了理論基礎；最后討論了護欄的評價標準和護欄在汽車碰撞時的主要功能。綜合分析后本文將從車輛合成加速度、護欄最大變形量、車輛速度變化等多個方面對護欄的防撞性能、緩沖性能和乘員的安全性能等指標進行評價，為下文對碰撞仿真結果的分析及評價提供了標準。
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第 3 章 傳統波形梁護欄和車輛有限元建模及仿真分析........................17
3.1 小汽車有限元模型建立及其驗證......................17
3.1.1 小汽車有限元模型建立..............................17
3.1.2 車輛模型有效性驗證...........................18
第 4 章 半剛性雙波形梁護欄優化設計....................37
4.1 絆阻問題分析...............................37
4.1.1 立柱變形圖........................38
4.1.2 立柱偏移量.......................38
第 5 章 正交試驗設計.........................57
5.1 正交試驗設計..........................57
5.2 試驗方案的制定............................57
第 5 章 正交試驗設計
5.1 正交試驗設計
由上文中的仿真結果已經知道，為了降低碰撞中車輛的合成加速度，改善車輛的立柱絆阻問題對護欄進行了改進，僅增加一道橫梁或僅對立柱進行橡膠填充改變，其它結構參數并沒有進行相應改變，優化方案便于施工，優化方案具有較好的應用前景，具有工程應用價值。本章研究在增加橫梁或者填充材料的情況下，采用正交試驗的方法對護欄各部件的尺寸參數進行研究，確定一組可以使護欄更好發揮其性能的組合參數并進行驗證，且可以對兩種優化方案進行深入的對比分析，確定更適合推廣的護欄形式，為高速公路波形梁護欄的設計提供參考。
雖然仿真結果表明優化立柱可以提高車輛的安全性和護欄的防護性能，但不能確定哪種參數組合可以在改進后最佳地實現護欄的安全性能。
正交實驗可以優化實驗方案，快速準確地確定多因素分析實驗中的影響因素，其基本特性是可以通過部分實驗找到最佳的水平組合，正交試驗主要是通過設置相關表進行的?？梢杂米帜负蛿底直硎?，符號 L 代表正交表，a 為試驗的總次數，q 為水平數，b 為列數，即最多可以測試的試驗因素數量，例如， （）4L 93它表示需要 9 個組合的測試，并且可以觀察到多達 4 個試驗因素，每個測試因子都處于 3個水平級別上。最常用的正交表有 （）7L8 2， （）4L 93和 （）5L1 64，通過設計此實驗，可以了解每個因素對測試指標的影響，并通過繪制趨勢圖可以知道指標變化的趨勢，確定對護欄的結構形式進行優化后最好的參數組合。
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結論與展望
結論
本文以某款 1.5t 小轎車與京港澳高速某合同段雙波型梁護欄為研究對象，以車輛與傳統護欄碰撞模擬—分析缺點與不足—護欄優化設計—優化后再碰撞對比分析的思路對傳統護欄進行具有工程應用價值的優化設計，最后通過正交試驗的方法確定最優參數組合，為高速公路護欄設計提供了一些參考，主要研究成果有：
（1）針對本文選用的車輛模型進行了與剛性墻的正面碰撞試驗，驗證了其行駛過程參數和能量變化均滿足試驗標準；通過選取 3 個不同位置碰撞點進行碰撞分析并對比選擇出了靠近立柱前側為最不利的碰撞點，并依此建立了護欄與車輛的耦合模型，以保證后續碰撞仿真的準確性。
（2）根據碰撞試驗條件，利用 1.5 t 小汽車在 80 km/h 和 100 k
