本文是一篇土木工程论文，本文以某款 1.5t 小轿车与京港澳高速某合同段双波型梁护栏为研究对象，以车辆与传统护栏碰撞模拟—分析缺点与不足—护栏优化设计—优化后再碰撞对比分析的思路对传统护栏进行具有工程应用价值的优化设计，最后通过正交试验的方法确定最优参数组合。
第 1 章 绪论
1.1 研究背景及意义
随着我国经济与科技迅猛发展，高速公路通车里程位居世界前列。截止至 2018年底，全国公路总里程数为 84.65 万公里，相比 2017 年增加了 7.31 万公里，高速公路里程数为 14.26 万公里，相比上年增加了 0.61 万公里[1]。汽车也成为现代社会中重要的交通工具，然而我国高速公路交通事故问题也日益突出，高速公路交通事故带来的伤害与严重程度日益严重。
虽然我国国民对于交通安全的意识逐步提高，由交通事故带来的伤亡人数逐渐减小，可是死亡总数仍然触目惊心。根据数据显示，我国有 14％的交通事故是由于车辆与护栏发生碰撞引起的，而发生在高速公路的事故 30％是由于护栏未对车辆起到良好的保护作用，导致车辆与护栏撞击时发生了骑跨、外翻等现象，而其中有 62％以上都是与护栏有关引起的重大交通事故[2-3]。尽管安全设施完全按照相关规范的规定进行设计，但仍有部分路段防护效果不好，严重影响了护栏的安全性，带来安全隐患[4-6]，图 1-1 所示为我国交通事故原因比例分布。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 国外研究现状及发展动态
国外对公路设施的研究要早于国内，因此对与护栏的研究也早于中国，发达国家研究护栏开始于高速公路的出现[7]，例如欧美国家自 1920 年代以来就已经制定了相关的使用标准，包括护栏的制造、运输和维护等。美国是结合理论和实践研究护栏的先驱者。1962 年，美国公路联合会与其他机构合作开发了与公路相关的项目，称为 NCHRP[8]。
美国国家研究所的运输研究所于 1981 年发布了评估公路栏杆性能的标准[9]，并在此之后的几年中对公路安全特征进行了深入研究。直到今日美国所有护栏设计，必须通过 Manual forAssessingSafety Hardware (MASH)进行评估，以符合安全要求[10]。
同时对护栏研究开展较早的国家还有日本，在 19 世纪 60 年代对其国家的护栏提出了较为详细的结构及安装设计要求和标准，在 20 世纪 50 年代开始有研究学者专门针对护栏做出分析及开发，并且制定出了一套适合其国家国情及道路情况的护栏标准规范，且形成了十分成熟并得以广泛应用的日式护栏[11]。
L.C.Bank 和 T.R.Entry[12]研究了一种新型复合材料护栏，不通过材料弹塑性来抵抗碰撞，而是通过材料的裂变来吸收车辆碰撞的能量。Elvik[13]通过碰撞仿真试验对护栏的各部件防撞性能进行了研究，并对刚性和半刚性护栏防撞垫的设计提供了一些参考价值。Itoh[14]对刚性混凝土护栏和卡车的碰撞仿真试验进行了分析研究，结果表明 F 型刚性混凝护栏在碰撞时可以对卡车起到阻挡作用，不会发生翻越现象，成员的安全性能可以得到保证。Marzougui[15]等人研究了道路转弯处曲率与混凝土护栏防撞性能之间的关系，分析了道路线形曲率和车辆碰撞角度对护栏安全性能的影响，结果表明在碰撞过程中车辆的碰撞角度对护栏安全性能影响更大。Vesenjak[16]等人主要利用有限元分析了护栏中的防阻块结构，对比分析各种不同形状和结构的防阻块，并得出结论六边形的防阻块对汽车与护栏碰撞过程影响最小，比其他形式的防阻块结构可以吸收更多的能量。Borovinsk[17]通过计算机软件数值分析的方式提出了三种针对半刚性波形梁做出的优化设计方案，首先在护栏立柱处增加钢板，其次在护栏防阻块增加钢板，最后在波形梁办的两个波峰分别增加钢条，最终结果表明最优的设计方案为在立柱处增加钢条，可以充分发挥护栏的导向功能且满足标准中要求的护栏最大横向变形和车辆最大加速度。
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第 2 章 车辆-护栏碰撞有限元理论及护栏评价标准
2.1 工程背景
本文以京港澳高速公路涿州（京冀界）至石家庄段改扩建项目为研究背景，路线自河北省与北京市交界处起始，止于石黄枢纽互通终点处，具体路段参数详见表 2-1。
另外该线除石家庄支线采用 6 车道（路基宽度 34.5m）标准建设外，其余路段均按 8 车道（路基宽度 42m）标准建设。该线主要技术指标详见表 2-2。
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2.2 非线性有限元基本理论
2.2.1 有限元仿真分析流程
本文通过 HyperMesh 对建立好的护栏及车辆三维模型进行网格划分等工作，将建立好的有限元模型导入 LS-DYNA 进行计算，计算完成后通过 LS-Prepost 对数据进行处理分析。
HyperMesh 软件可以自动生成网格，检查单元的质量并修改不合格的单元，还配备了与各种 CAD 软件的接口，例如 UG、Pro / E 和其他 CAD 软件。读入几何模型后可以快速处理不完美的几何模型，还配备了 ABAQUS，ANSYS 等各种有限元计算软件接口以及其他求解器接口，由此实现模型在不同软件之间的转换。
LS-DYNA 软件可以对 3D 非弹性结构的动态模拟过程进行精确的分析，比如车辆碰撞或爆炸模拟等非线性动态大变形问题就可以利用该软件有效解决，在碰撞模拟过程中可以精确地模拟每个组件的变形和能量变化。
本章首先介绍了京港澳高速公路某合同段工程概况以及该项目的半刚性双波形梁护栏设计图，为建立车辆-护栏碰撞系统奠定了基础；其次介绍了汽车与护栏碰撞时所涉及的非线性显式有限元控制方程、材料本构关系模型等非线性有限元理论，以及后文进行优化设计时必备的基本理论，为有限元仿真分析提供了理论基础；最后讨论了护栏的评价标准和护栏在汽车碰撞时的主要功能。综合分析后本文将从车辆合成加速度、护栏最大变形量、车辆速度变化等多个方面对护栏的防撞性能、缓冲性能和乘员的安全性能等指标进行评价，为下文对碰撞仿真结果的分析及评价提供了标准。
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第 3 章 传统波形梁护栏和车辆有限元建模及仿真分析........................17
3.1 小汽车有限元模型建立及其验证......................17
3.1.1 小汽车有限元模型建立..............................17
3.1.2 车辆模型有效性验证...........................18
第 4 章 半刚性双波形梁护栏优化设计....................37
4.1 绊阻问题分析...............................37
4.1.1 立柱变形图........................38
4.1.2 立柱偏移量.......................38
第 5 章 正交试验设计.........................57
5.1 正交试验设计..........................57
5.2 试验方案的制定............................57
第 5 章 正交试验设计
5.1 正交试验设计
由上文中的仿真结果已经知道，为了降低碰撞中车辆的合成加速度，改善车辆的立柱绊阻问题对护栏进行了改进，仅增加一道横梁或仅对立柱进行橡胶填充改变，其它结构参数并没有进行相应改变，优化方案便于施工，优化方案具有较好的应用前景，具有工程应用价值。本章研究在增加横梁或者填充材料的情况下，采用正交试验的方法对护栏各部件的尺寸参数进行研究，确定一组可以使护栏更好发挥其性能的组合参数并进行验证，且可以对两种优化方案进行深入的对比分析，确定更适合推广的护栏形式，为高速公路波形梁护栏的设计提供参考。
虽然仿真结果表明优化立柱可以提高车辆的安全性和护栏的防护性能，但不能确定哪种参数组合可以在改进后最佳地实现护栏的安全性能。
正交实验可以优化实验方案，快速准确地确定多因素分析实验中的影响因素，其基本特性是可以通过部分实验找到最佳的水平组合，正交试验主要是通过设置相关表进行的。可以用字母和数字表示，符号 L 代表正交表，a 为试验的总次数，q 为水平数，b 为列数，即最多可以测试的试验因素数量，例如， （）4L 93它表示需要 9 个组合的测试，并且可以观察到多达 4 个试验因素，每个测试因子都处于 3个水平级别上。最常用的正交表有 （）7L8 2， （）4L 93和 （）5L1 64，通过设计此实验，可以了解每个因素对测试指标的影响，并通过绘制趋势图可以知道指标变化的趋势，确定对护栏的结构形式进行优化后最好的参数组合。
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结论与展望
结论
本文以某款 1.5t 小轿车与京港澳高速某合同段双波型梁护栏为研究对象，以车辆与传统护栏碰撞模拟—分析缺点与不足—护栏优化设计—优化后再碰撞对比分析的思路对传统护栏进行具有工程应用价值的优化设计，最后通过正交试验的方法确定最优参数组合，为高速公路护栏设计提供了一些参考，主要研究成果有：
（1）针对本文选用的车辆模型进行了与刚性墙的正面碰撞试验，验证了其行驶过程参数和能量变化均满足试验标准；通过选取 3 个不同位置碰撞点进行碰撞分析并对比选择出了靠近立柱前侧为最不利的碰撞点，并依此建立了护栏与车辆的耦合模型，以保证后续碰撞仿真的准确性。
（2）根据碰撞试验条件，利用 1.5 t 小汽车在 80 km/h 和 100 k
