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F一7 玻璃钢学会第十六届玻璃钢／复合材料学术年会论文集 2壁堕± 拉挤成型复合材料高速公路护栏的研究进展 陈红霞，王继辉 (武汉理工大学材料科学与工程学院，武汉430070) 摘要：纤维增强聚合物基复合材料*-l-斥1于生产高速公路的附属设施，如标杆、照明杆和护栏。与传统的 金属、混凝土、木材构件相比，复合材料护栏更容易满足吸能、轻质、寿命长和成本低的要求。本文主要叙述 了复合材料护栏样品的制备、传统钢护栏和复合材料护栏样品的静态和碰撞试验、用LS-DYNA软件建立有限 元模型的模拟技术。 关键词：玻璃钢；静态试验；碰撞试验；有限元模型 l 引 言 在交通业中纤维增强聚合物基复合材料(FRP)已广泛应用于路侧构件，主要包括标杆、照 明杆和护栏系统。因为车辆撞到路侧的构件后有可能冲出高速公路，所以要求这些构件有较 好的撞击性能。与传统的金属、混凝土、木材构件相比，复合材料构件更容易满足吸能、轻质、 寿命长和成本低的要求。本文的目标是开发一种更加安全，耐撞击性能更好，更易吸收能量， 更轻质，更容易安装，寿命更长和成本更低的耐撞击复合材料护栏系统。路侧和中分带的护栏 是用于保护开车的人免受人为的或自然的危险和引导失控车辆重回正常车道的。在全世界范 围内所用的护栏主要分柔性系统，半刚性系统和刚性系统。柔性系统要求偏离正常车道的车 辆在系统内产生的应力足以限制或使其重回正常车道之前的横向变位为4m，半刚性系统的横 向变位为1m，而刚性系统不允许有横向变位，只是对车辆具有导向功能。今天使用最广泛的 是一种半刚性具有钢或木的宽翼缘立杆和防阻块的波形梁护栏系统。美国联邦高速公路管理 局将此系统称为G4护栏系统。此系统有较大的变形，对于驾驶员来说，可以较快的减速。它 具有足够大的刚性和能量吸收能力，使其将横向变位控制在1m左右，通过护栏的塑性弯曲、 立杆和防阻块的变形来吸收能量。 本文主要叙述结构设计研究，包括复合材料护栏的样品的制备、传统钢护栏和复合材料护 栏样品的静态试验、用LS—DYNA软件建立有限元模型的模拟技术，具体介绍了第一代护栏样 品的静态试验及发展和第二代样品的碰撞稳定性试验及发展，还讨论了用LS—DYNA软件模拟 第二代样品的碰撞试验以及碰撞试验和数值模拟的结果。 2 复合材料护栏样品的静态试验 为了研究护栏形状、结构和材料性能的影响，对第一代样品进行了一系列的静态试验。图 成型方法制备的复合材料薄片。半刚性护栏系统在碰撞中会产生比较大的位移，所以用于静 态试验的设备也要求能有比较大的位移。一般选择的测试设备是最大负载为600N，最大位移 为2m的TiniusOlsen。 对第一代拉挤成型复合材料护栏一系列设计参数进行了研究，包括很多小单元格和较少 的大单元格的运用、厚度、粘结和涂层的运用、多网格膜的理念(样品CGR6)。根据加载端部 290 还有位移，这是由铰链处的转动和防阻块的屈服造成的；③位移大于300ram，到测试结束时， l t 盖t 口王丑妇 衄cGR4 多网格的复合材料护栏样品如CGRl～CGR4的 力学行为是很类似的。这4个样品在加载端部下面被 挤压的表面会产生弯曲损坏。多网格护栏样品初始失 效的位移为25—50ram，弯曲损坏会继续扩展至整个样 品，直到与加载部分相接触的样品厚度减小到几个em 为止。弯曲损坏扩展的过程中，加载端部位移达到 200mm时，4个样品的弯曲损坏达到完全。图2所示 的是样品CGR3的数据曲线，此曲线对CGRl一CGR4 同样适用。样品CGR5的力学行为不同于前面所描述图2第一代样品的位移-负载曲线 的样品。在开始加载时，样品的纵断面完全屈服，此时 样品所受的负载会急剧地减小。当十字头移动到应力区域时，样品的L结点产生小的裂纹。 应力集中，而且还需承受薄膜力，所以不能承受高的弯曲形变。为了可以更直接地比较传统的 钢波形梁和复合材料护栏，SGRl(钢波形梁护栏)也进行了静态试验。其位移与负载的关系数 据如图2所示，两种护栏吸收的能量(即位移一负载曲线下方所围的面积)是类似的，因为钢 护栏有一平稳期，而复合材料护栏随着不同部分的失效会逐渐失效。 希望得到的行为特征是厚度小于4ram的样品沿着网格结点方向的纵向渐进断裂，保持护栏纵