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原文传递新型铝合金防撞护栏的防撞性能研究

论文题名：	新型铝合金防撞护栏的防撞性能研究
关键词：	6061铝合金;防撞护栏;防撞性能;正交试验;控制变量
摘要：	防撞护栏作为一种安全设施，在道路交通安全中起到了巨大的作用。波形梁防撞护栏具有良好的缓冲性和阻挡性，在高速公路中应用广泛。现役波形梁防撞护栏所用的材料主要是Q235，但是目前由于Q235材料的大量使用产生了材料的回收利用问题、材料防腐处理问题以及养护费用高的巨大问题。铝合金材料作为一种极具潜质的材料，与钢材料相比，密度小、低温性能好、抗腐蚀，特别是无需防腐处理，回收利用率高，基本不需要养护，非常符合现阶段的可持续发展理念。本次研究拟将6xxx系中强度最高的6061-T6铝合金为研究对象，作为Q235钢护栏的替代材料，并对该铝合金护栏的防撞性能进行系统研究。本次研究基于LS-DYNA动力显式有限元分析软件，选用《公路交通安全设施设计细则》中的A级波形梁护栏作为研究对象，采用基于高应变率下的铝合金J-C动态本构模型，建立了铝合金防撞护栏的有限元模型，其中包括单元类型、网格划分、部件连接、地面作用等；随后为了保证模拟的精确性，参考并使用NCAC在20世纪末、21世纪初采用的小型汽车有限元模型和中型汽车的有限元模型作为碰撞仿真的车型，并以《公路护栏安全性能评价标准》为参考进行碰撞参数的选择，主要包括碰撞速度、碰撞角度的设置等。　　首先，采用LS-DYNA程序对相同尺寸下的Q235钢护栏和6061铝合金护栏进行全过程碰撞仿真分析。结果表明，相同尺寸下的铝合金护栏吸能将近钢护栏的两倍，说明铝合金吸能优于钢护栏；虽然铝合金护栏因为刚度过小而无法满足阻挡性能要求，但是可以预测铝合金护栏可通过微调尺寸达到相应的性能要求，使材料性能得以充分发挥。　　其次，通过正交试验的方法，设置了三水平三因素下九组正交试验对铝合金防撞护栏进行尺寸调整。试验结果表明，波形梁板的厚度是影响护栏最大动态变形量和护栏吸能最主要因素，防阻块在碰撞过程中吸能作用很小。并得出了满足导向、阻挡和缓冲性能且材料使用量合适的铝合金护栏尺寸，该尺寸相对于钢护栏来说厚度有所增加，但是材料使用量却减少了31.7%。　　然后，考虑到实际车辆碰撞的普遍性，对铝合金防撞护栏进行参数分析。仍然通过LS-DYNA程序的计算，得到碰撞点、碰撞速度、碰撞角度、碰撞车型对铝合金防撞护栏的防撞性能的影响。结果表明，在控制变量的情况下，护栏的最大动态变形量跟碰撞速度、碰撞角度、碰撞车重基本成线性关系，护栏的最终吸能跟碰撞速度、碰撞角度、碰撞车重成非线性关系。　　再者，将铝合金防撞护栏和钢防撞护栏在经济效益上对比分析。结果表明，铝合金防撞护栏拥有更好的经济效益和应用前景。　　最后针对纯铝合金价格稍微的问题，提出钢-铝合金组合防撞护栏的思路。结果表明，该防撞护栏能满足防撞护栏的防撞性能，且能达到从纯钢护栏到纯铝护栏的过渡效果，成本比纯铝护栏降低了35%。
作者：	雷清江
专业：	建筑与土木工程
导师：	孙航
授予学位：	硕士
授予学位单位：	哈尔滨工业大学
学位年度：	2021