安全护栏及变化碰撞参数的影响——基于SUV与不同钢制安全护栏的仿真参数研究

欧洲的安全护栏依据DIN EN 1317通过标准化车辆碰撞试验进行测试，以确保安全性与可比性。然而，既往研究表明，当前测试策略已无法充分表征真实事故的发生情况，尤其是在车辆特征方面。

特别是，现代车辆车队中运动型多用途车（SUV）的比例持续增长，而这一车辆类型在现行碰撞试验中未得到充分代表，尤其体现在质量和车辆分级方面。

本研究通过数值模拟（numerical simulations）考察SUV对钢制安全护栏性能的影响，并将结果与DIN EN 1317规定的标准化测试策略进行比较。

结果显示，取决于护栏类型，由于车辆侵入增加，在较高碰撞角条件下，EDSP的工作宽度可增加最多60%，ESP的工作宽度可增加最多75%。相反，对于H4b钢制护栏，随着碰撞质量增加，加速度严重度指数（ASI）最高下降19%。研究未观察到系统失效；然而，识别出车辆侧翻趋势，尤其是在ESP和EDSP系统较高碰撞角条件下更为明显。

总体而言，结果表明，当前在标准中代表性不足的SUV车辆分段会显著影响关键性能指标。该结果为扩展现有试验参数的必要性提供了定量证据，并支持DIN EN 1317未来的修订。

本文发表于《Results in Engineering》，聚焦欧洲道路安全设施中钢制安全护栏的性能评估问题。研究背景在于，现行DIN EN 1317标准通过标准化车辆碰撞试验来评价护栏的拦截能力、碰撞严重度和工作宽度等核心性能，从而保证不同产品之间的可比性。然而，标准形成时所依据的车辆结构和交通环境已发生显著变化，尤其是运动型多用途车（SUV）在车辆保有量和新车注册中的占比持续增加，而该类车辆在质量、重心高度、车身形态及碰撞动力学方面均不同于标准试验所主要代表的传统乘用车。研究人员指出，现有试验边界条件，特别是TB 32工况下的车辆质量、碰撞速度和碰撞角，已不能充分覆盖现实事故场景，导致标准化评价结果与真实道路碰撞情况之间出现偏离。与此同时，既有研究还提示，加速度严重度指数（ASI）对乘员风险的表征存在局限，标准中使用的旧型试验车也难以反映现代车辆安全结构的变化。因此，有必要围绕SUV这一当前标准中代表性不足的车辆分段，重新审视钢制安全护栏的性能表现及测试参数设置的适宜性。

围绕这一问题，研究人员构建了以SUV与三类钢制安全护栏相互作用为核心的参数化数值研究体系，目标是定量评估SUV碰撞对护栏关键性能指标的影响，并分析标准工况外参数变化所引起的响应趋势。研究选取三种具有代表性的钢制护栏系统，即N2级的ESP 2.0、H1级的EDSP 2.0以及H4b级钢制护栏，以覆盖不同约束等级和系统刚度。通过与真实TB 32碰撞试验结果进行功能性对照，研究验证了整体仿真模型在ASI、理论头部碰撞速度（THIV）和归一化工作宽度（WN）等指标上的适用性。在此基础上，进一步分别改变车辆质量、碰撞速度和碰撞角，分析各参数相对于TB 32基准工况的偏离如何影响护栏变形、车辆侵入、乘员动力学严重度及潜在失效模式。研究结论表明，SUV的引入及碰撞参数变化会显著改变护栏性能评价结果，其中碰撞角的影响最为突出；尽管所有模拟工况均未出现护栏主导工作机理上的系统失效，但较低约束等级系统在高碰撞角下呈现出明显的车辆侧翻倾向。这一发现说明，当前标准测试体系对于SUV相关风险的覆盖不足，研究结果为DIN EN 1317未来修订提供了可量化依据，也为道路安全设施设计和布设安全距离的重新评估提供了工程参考。

研究人员主要采用有限元方法（FEM，有限元数值离散方法）在Ansys LS-DYNA R10.1环境中开展参数化仿真，使用已验证的2020 Nissan Rogue SUV模型以及3种由BASt提供的钢制护栏模型；并以两组真实TB 32碰撞试验作为ESP与H4b系统的功能性对照。核心评价指标包括加速度严重度指数（ASI）、理论头部碰撞速度（THIV）和归一化工作宽度（WN），后处理借助LS-PrePost与DIAdem完成；研究设计围绕车辆质量、碰撞速度和碰撞角三类变量展开，对比标准工况与偏离标准工况的响应差异。

2.1. Methodical investigation using simulations
研究首先从方法论层面论证仿真研究的必要性。由于DIN EN 1317标准之外的碰撞试验属于高成本、低可获得性的“灰色区域”，研究人员强调，采用数值仿真可以在可控且可重复的条件下系统改变碰撞参数，从而比实体试验更高效地评估护栏在非标准工况下的响应。文中指出，有限元方法（FEM）特别适用于描述车辆与护栏碰撞过程中复杂的非线性接触、塑性变形和能量吸收行为。通过这种方法，可以分析真实事故中常见但不在标准工况内的碰撞角、速度与车辆参数组合，并据此获得护栏性能变化趋势。

2.2. Experimental design and simulation environment
在试验设计方面，研究围绕DIN EN 1317中乘用车TB 32工况构建基准方案，并将其作为所有偏离工况比较的参照。标准工况采用1,500 kg、110 km/h和20°的参数组合。研究人员依据既有事故研究和车辆注册数据提出，SUV平均整备质量常高于标准质量上限，因此将SUV作为核心研究对象具有现实意义。为此，研究设置三类参数变化，即提高车辆质量、提高碰撞速度和提高碰撞角，并分别对三种护栏系统进行仿真。研究特别关注两个核心响应指标：一是反映车辆加速度严重程度的ASI，二是表征护栏横向动态变形能力的WN。研究逻辑认为，碰撞能量增加一般会导致护栏吸能与变形增强，因而WN扩大；而ASI则不一定与碰撞能量成比例变化，因为更深的车辆侵入可能对应更“柔和”的系统响应。通过这一设计，研究人员试图识别不同参数变化对护栏工作机理和安全性能的差异性影响。

2.3. Safety barrier, vehicle, and complete models
在模型构建方面，研究使用了1个SUV有限元模型和3个钢制护栏有限元模型。SUV模型为2020 Nissan Rogue，已有前期正面碰撞验证基础。护栏模型包括ESP 2.0、EDSP 2.0和H4b钢制护栏，分别代表不同约束等级与结构刚度。研究中对各模型进行了接触定义、数值稳定性和初始穿透检查，并采用刚性地面及近地表固定约束方式来模拟立柱—地基相互作用。研究人员指出，这一建模方式可能使系统呈现更偏刚的响应，但不会改变护栏的基本工作与失效机理，因此适合作为保守性的性能评估框架。

2.3.1. Used simulation models
该部分主要说明各模型来源及特征。研究强调，护栏系统在结构形式、纵向构件布置、立柱间距和能量吸收能力上存在明显差异，因此能够反映不同刚度系统对SUV碰撞的响应差别。ESP 2.0代表较低约束等级系统，EDSP 2.0在设计上与ESP相近但约束能力更高，H4b系统则具有更高结构刚度和更强能量吸收潜力。正因如此，三者的并行比较能够揭示SUV在不同护栏等级下造成的性能偏移范围。

2.3.2. Functionality check of the overall simulation models
在正式参数研究前，研究人员先进行了整体模型功能性检查。SUV模型本身已由原开发机构基于NHTSA正面碰撞试验进行了变形和动力学验证。护栏模型则来自BASt及相关研究项目，并已在不同DIN EN 1317试验类型下完成过验证。本文进一步以真实TB 32试验对ESP和H4b系统进行对照，比较ASI、THIV和WN等指标。结果显示，SUV仿真与真实试验在系统行为和关键评价量上具有较好一致性，尤其ESP与H4b系统满足基于DIN EN 16303思路的功能性要求。EDSP虽然缺少对应真实TB 32试验，但单体模型已验证，因此研究认为其可用于趋势分析。该部分结论为后续参数化仿真提供了方法学支撑，即本研究更侧重于识别相对变化趋势，而非替代法规层面的完整认证验证。

3. Results
结果部分集中呈现三类护栏在SUV碰撞及参数变化下的响应规律。总体上，所有偏离TB 32的工况几乎都导致WN增加，说明护栏在更高碰撞能量或更不利碰撞姿态下发生了更明显的横向变形。相较之下，ASI的变化模式更复杂：当质量或速度升高时，较柔性的护栏系统往往允许车辆更深侵入，从而降低车辆减速度峰值，表现为ASI下降；但当碰撞角增大时，系统重定向作用增强，车辆受到更大的横向动力学作用，导致ASI明显升高。

ESP部分表明，提高车辆质量或碰撞速度后，系统工作宽度分别扩大，且ASI略有下降，反映出车辆更深侵入护栏后的“柔化”效应；提高碰撞角则使碰撞能量超过TB 32约2倍，对WN和ASI均产生最显著不利影响，WN增加约75%，且出现SUV侧翻趋势。由此可见，对于N2级护栏，碰撞角是影响性能的主导变量。

EDSP部分表现出与ESP相似但略有差异的响应模式。提高质量或速度同样使ASI下降、WN小幅增加，说明系统在更高能量输入下仍维持了基本约束功能，但车辆侵入更深。提高碰撞角时，WN增加约60%，ASI增加约26%，并出现车辆侧翻。研究据此认为，尽管H1级EDSP相较ESP具有更高约束能力，但在SUV高角度碰撞条件下仍面临明显的动力学不利效应。

H4b钢制护栏的结果则显示出高刚度系统特征。其WN整体变化幅度较小，最高增幅约14%。当车辆质量增加时，由于车辆更深侵入系统，ASI反而下降约19%，呈现更柔和的响应；但速度和碰撞角增加时，ASI分别恶化，说明高刚度系统在不利工况下会更早、更强地对车辆产生减速和导向作用。值得注意的是，该系统在所有工况下均未表现出车辆侧翻现象，研究将其归因于更高的系统高度和更强的约束能力。

研究还结合时间历程曲线对车辆—护栏相互作用过程进行了分析。ESP与EDSP的ASI曲线持续时间较长，说明车辆与护栏接触过程更长、二次碰撞更为关键；H4b系统则表现为车辆更早被有效减速和导向，ASI峰值出现更早但接触过程更紧凑。进一步从能量角度比较可见，尽管部分工况已超出ESP或EDSP名义约束等级所对应的试验能量，但所有系统均未发生主纵向构件功能性失效，说明这些钢制护栏在标准框架之外仍具有一定剩余承载潜力。不过，研究同时强调，仅凭能量储备并不能直接推断护栏的实际性能表现，因为WN、ASI和侧翻趋势之间并非简单线性关系。

4. Discussion and conclusion
讨论部分指出，本研究首次以定量方式揭示了SUV及碰撞参数变化对钢制安全护栏性能的系统性影响，并将标准试验与真实事故条件之间的差距转化为可测量的性能偏移。总体而言，三类护栏均能够约束SUV碰撞，且即使部分工况的碰撞能量超出其认证等级对应试验能量，也未出现护栏主工作机理失效，这表明现有护栏在标准之外仍有剩余性能潜力。但另一方面，SUV这一当前标准未充分覆盖的车辆分段会显著改变关键性能指标，特别是提高碰撞角时，较低约束等级系统出现了明显侧翻倾向，提示仅依赖现有测试边界条件已不足以全面表征现实道路安全风险。

研究人员同时指出，本研究仍存在局限。其一，EDSP缺少对应的真实TB 32碰撞试验，因此其结果主要用于趋势参考。其二，真实试验所采用的车辆与仿真中的SUV并非同一车型，这会对局部动力学过程产生影响。其三，ASI仅反映车辆加速度严重程度，并不能全面代表乘员损伤风险，也不能涵盖结构侵入等伤害机制。因此，后续仍需开展不同SUV车型的实体碰撞试验，并拓展至更多现代护栏类型和真实事故数据，以验证本文所识别的趋势。

研究结论部分可概括翻译如下：仿真结果表明，尽管SUV未被DIN EN 1317现行测试体系覆盖，所测试的全部钢制安全护栏仍能有效约束SUV碰撞，且未出现与护栏工作机理相关的系统失效。与此同时，SUV车辆分段会显著影响护栏关键性能指标，尤其在较高碰撞角条件下，工作宽度明显增大，并在较低约束等级系统中表现出车辆侧翻趋势。研究结果为扩展现有标准测试参数、提高标准对现代车辆车队代表性的必要性提供了定量依据，并支持DIN EN 1317未来修订工作。