0 引言

据中国国家统计局和美国国家公路交通安全管理局的统计数据显示，2010—2020年中、美两国道路交通事故的死亡人数并没有呈现明显的下降趋势^[1-2]，如图 1所示。在这些死亡事故中，由于车辆制动问题导致的车辆失控已成为引发严重碰撞事故的最关键影响因素。避险车道的出现，很大程度上缓解了此类事故的发生^[3-5]。美国联邦公路管理局(FHWA)最早发布了《紧急避险车道设计临时指南》，并以此为基础建立较为完备的坡道严重程度评级系统，为后续避险车道的设置提供了有力指导。之后，美国国家公路与运输协会(AASHTO)出版的《公路和街道几何设计政策》进一步明确失控车辆在避险车道内的拦停距离，为避险车道的引道长度设计奠定基础。

在事故频发的陡峭或长大下坡路段，设置避险车道引导失控车辆驶离原有车道，通过重力、沙石摩擦力等作用效果实现车辆的减速拦停^[6-7]。现有的避险车道形式主要包含重力式避险车道、砂堆型避险车道和制动床式避险车道这3类，能够在一定程度上实现车辆的减速。然而，上述避险车道均需要一定坡度的路面填充，最大坡度通常大于5%，且对设置的避险车道长度有较高的要求，对于实际长大下坡路段施工造成了较大的困扰。此外，采用缓冲式拦截无法有效控制失控车辆，在减速过程中的车辆轨迹存在太多不确定性，甚至会发生二次翻车或倒退事故，使得车内乘客受到二次伤害。

美国研制的拦阻索避险车道采用一次性拦阻索，拦阻索左右对称布置，但是由于拦阻索在拦截过程中并不能实现左右拉力平衡，经常造成车辆拦阻过程中方向跑偏、撞击左右护栏等情况，且每次发生避险拦截后，均需要重新更换一次性拉索，造成了经济和人员的浪费。

实际避险车辆种类繁多，不仅限于大型货车和中小型货车，甚至一些小型轿车也可能驶入，因此，针对不同车辆的不同拦截阻力控制显得尤为重要。如果拦阻力太小，对载重量大的客货车的拦截效果将显著降低，甚至可能发生避险车道长度不够从而无法有效拦停的现象；如果拦阻力过大，质量较小的客货车将产生瞬时过大的减速度，形成类似“撞墙”等不利状况。因此，如何通过可变拦索力控制，实现由轻到重逐级施加拦阻力的效果，便于人体对减速度的逐步适应，成为新型拦阻系统研制的关键。

不同于闫书明^[8]研制的网索吸能系统，本研究充分考虑拦索式避险车道应对不同车型失控车辆的复杂性、车辆拦截后的方向平衡、拦阻系统的固定及拦截后拦阻索的快速恢复等全方位控制能力，设计研发可变索力阻尼器及相应的拦截系统，建立有限元模型对阻拦网布置情况进行综合分析，并开展4组实车足尺碰撞试验对优化的拦阻系统进行验证。

1 拦阻系统总体设计

拦索式避险车道是在传统避险车道的基础上^[9]，增设了拦阻吸能系统，主要由阻尼器、防护网、传力索、定滑轮及同步轴组成。当失控车辆处于长大下坡路段无法实现有效制动时，可进入拦索式避险车道。车体下部车轮与路床作用产生滚动阻力，车辆前部撞击防护网，防护网带动传力索变形伸长，传力索拉动阻尼器转动，阻尼器通过驱动蜗杆对膨胀摩擦片施加压力，进而产生持续增大的拦截阻力。通过滚动阻力和拦截阻力的双重作用，实现失控车辆成功拦停，新型避险车道示意图如图 2所示。

1.1 阻尼器

为了实现可变索力控制，满足不同失控车辆拦截需求，蜗杆式可变索力阻尼器被研制应用^[10-12]。新型避险车道系统中，阻尼器的设计如图 3所示。当失控车辆撞击拦阻网时，行星齿轮带动蜗杆伸长，对膨胀式摩擦片施加压力，从而使鼓式绕线轮的转动阻力加大，拦索阻力逐渐增大。当摩擦片与绕线轮达到最大动摩擦力时，拦索阻力达到最大值，可通过调节蜗杆的初始位置设置拦阻索的初始阻力。

为了便于阻拦网的连接定位和悬挂，阻尼器采用立式双滚筒并联设计，上、下两根拦阻索能够同步出索，以保持拦阻网立面始终保持有效拦阻状态，同时形成较为强大的拦阻力。在避险车道两侧各设置一台双滚筒阻尼器，共4根拦阻索，其布置方式如图 4所示。在2组阻尼器之间，设置同步轴，以保证两侧阻尼器同步延伸拦阻索，实现左、右拉索索力平衡。

1.2 拦阻网

设计初期选取高强度柔性纤维材料作为阻拦网，在实际高速碰撞试验中，由于冲击力较大，经常造成纤维断裂，导致实际车辆阻拦试验失败。因此，在随后的实车撞击试验中，拦阻网均采用直径为50 mm的钢丝网。考虑到失控车辆的类型^[13]，小型客车车头宽度为1.6~1.8 m，大型客货车车头宽度为2.0~2.6 m，设置拦阻网的长度为4.8 m，能够充分形成对失控车辆的拦截包围。为保证试验结果不受阻拦网断裂的影响，每次试验后均更换拦阻网，拦阻网使用的钢丝与阻尼器绕线轮使用的钢丝相同。

1.3 重力塔及加速轨道

试验场地为某实车碰撞试验基地，是具有碰撞能量超过20 000 kJ的试验场地。在实车碰撞试验中，重力塔通过提升和释放重物箱为车辆提供加速能量。车辆被放置在位于加速轨道中心线的牵引轨道上，轨道上的牵引小车与试验车辆的底盘相连。当牵引小车行驶到轨道末端时，刹车片将钢丝绳和牵引小车分开，车辆在惯性作用下继续向前移动。在完成加速并进入短暂的自由运动状态后，车辆进入避险车道，实现碰撞拦截。刹车片将钢丝绳和牵引小车分离时，车辆的时速即为失控车辆的控制时速。

试验场地、加速轨道及拦阻系统布置如图 5所示。传力索一端与拦阻网端部连接，另一端绕过钢筋混凝土防撞墙内定滑轮后缠绕在阻尼器的绕线滚筒上。地面由素土、碎石土和三七灰土构成，加速轨道底部布设钢筋。

1.4 碰撞车辆

选用小型客车和大型货车作为试验碰撞车辆。小客车的总质量为1.48 t (不含货物质量)，长、宽、高分别为4.61，1.69，1.47 m。大型货车的总质量为49 t，长、宽、高分别为11.55，2.33，4.40 m。为了降低试验成本，使用二手车作为碰撞车辆，但2辆车的整体结构都很完整，仍可以在高速公路上行驶，满足公路交通安全评估标准要求。

在拦阻系统布置的过程中，由于不同车型车辆存在整车高度差异，最下部阻拦网的高度需要进行适当调整。当拦阻网布置过高时，车辆会发生“掀顶”现象，无法有效拦停失控车辆。当拦阻网布置过低时，车辆容易发生侧翻现象，严重损害乘客安全。此外，针对失控车辆不同车速和质量而产生的不同冲击动能，拦截网的数量也需要得到有效评估。因此，在实车撞击之前，需要进行拦阻系统结构优化分析。

2 有限元分析

最下部拦阻索距地面的距离和拦阻网的数量是实现成功拦停失控车辆且对车内乘客损伤较小条件的最关键因素^[14]。建立有限元模型，对小型客车和大型货车在低速(60 km/h)和高速(120 km/h) 下冲击不同高度拦阻索和不同数量拦阻网进行模拟，实现拦阻系统结构优化。

2.1 仿真建模 2.1.1 拦阻系统

考虑到实车碰撞试验的成本较高，随着计算机辅助工程技术的快速发展，数值模拟已逐步取代试验成为车辆损伤和应力分析的理想方法^[15]。采用前处理软件Hypermesh对拦阻网、防撞墙、拦阻索、定滑轮等建模，利用有限元模拟软件LS-DYNA对失控车辆撞击拦阻系统进行仿真分析，以验证设计参数的合理性。

防撞墙两侧的拦阻索采用rod单元，两排防撞墙之间拦阻索使用CABLE_ DISCRETE_ BEAM截面，拦阻索与防撞墙之间通过滑轮*ELEMENT_SEATBELT_ SLIPRING连接，如图 6所示。拦阻网的材料选用*MAT_ PIECEWISE_ LINEAR_ PLASTICITY(*MAT_ 024)，其密度、弹性模量和泊松比分别为7 850 kg/m³，210 MPa和0.30。同时，1D单元卷收器被用来实现拦截网伸长拦截作用，提供了限力功能，当拦截力达到规定的极限时，允许拦截网被拉伸至其最大值。模型建立初期，采用beam单元建模的拦阻网并未发生断裂，车辆直接通过拦截网，无法形成有效拦截。为了更好地模拟拦阻网和失控车辆之间的接触，在拦阻索外部，创建一层壳单元，采用*MAT_ NULL(*MAT_ 009)材料实现接触效果。此外，为了获得拦截过程中车辆的加速度，加速度传感器被设置在车辆的重心处。

2.1.2 车辆模型

选用与试验车辆近似的2种车型(Ford Taurus和F800)来实现拦阻系统结构优化，模型的精确性均已得到校正。通过调整车内货物质量使其与试验车型质量一致，小型客车与大型货车的质量分别为1.48 t和49.0 t。其中大货车车厢内用于调整货车质量的沙袋采用实体单元建模，材料选用*MAT_ MOHR_COULOMB。为了避免碰撞过程中出现不必要的沙漏能(hourglass)，使用完全集成的壳单元(ELFORM=16)代替Belytschko Tsay(ELFORM=2)。

2.1.3 碰撞模型

为了精确获得2种车辆在碰撞过程中的变形情况，使用有效塑性应变来定义车辆模型中部件的失效准则。通过*CONTACT_ AUTOMATIC_ SURFACE_ TO_ SURFACE设置车辆和拦阻系统之间的接触，地面和车体之间采用刚性墙接触。通过关键字*INITIAL_VELOCITY_ GENERATION设置2种车辆的撞击速度，使用关键字*LOAD_ BODY_ OPTION设置车辆本身重力作用。

2.2 结构优化 2.2.1 拦阻网高度

使用低速行驶下Ford Taurus模型获得最优拦阻网高度，拦阻网第1道索距地面高度分别设置为800，700，600，500 mm。当最下部拦阻索设置过高时，车辆保险杠无法接触拦阻网，拦阻系统无法形成最快速的拦截。不同拦阻索高度下的索张力和加速度变化如图 7所示。

当最下部拦阻索高度设置为800 mm时，拦阻索于0.022 s发挥作用，随后，接近0.040 s时产生较大的拦截加速度，拦阻系统正式发挥作用，拦截效果较差。当最下部拦阻索高度设置为500 mm时，拦阻索仅0.010 s产生索力峰值，在运行至0.015 s附近出现最大的拦截加速度，车辆迅速减速，拦截效果最佳，且最大的峰值加速度仍低于人体所能承受的最大加速度。

采用相同的分析方式对大型货车冲击拦阻网进行有限元模拟，得到最佳的最下部拦阻索高度为970 mm，即此时拦截系统能够最快速发挥作用，产生较大的拦截减速度，虽未能成功拦停车辆，但是对车内乘客损伤较小。2种车辆在低速拦截过程中均能保持车身直立，被拦截后仍按原轨道行进，满足车辆拦截后的方向平衡要求。

2.2.2 拦阻网数量

当拦阻网数量设置为1道时，高速行驶下小型客车Ford Taurus被成功拦截，冲击加速度满足规范要求，而大型客车F800在低速冲击下仍然无法被拦停，仍存在较大的失控速度。因此，通过重新布置拦阻网的数量以实现失控车辆的拦停。

不同数量拦阻网对大型货车的拦阻作用如图 8所示。如图可见，当采用1道和2道拦阻网对大货车低速冲击拦截时，无法有效拦停失控车辆，车辆仍存在很大的动能。采用3道拦阻网拦截大型货车时索张力与能量变化如图 9所示。由图可见，前2道拦阻网有效地消耗了车辆动能转化为自身内能，第3道拦阻网发挥关键作用成功拦停车辆，此时的加速度为417 m/s²，远超出适宜人体极限的最大加速度^[16]。因此，对于高速冲击下的大型货车，即使再增设几道拦阻网成功拦截，也会对人体造成不可恢复的损伤，冲击能量过大，拦阻系统无法发挥应有的作用，故不再进行后续的模拟试验。值得一提的是，本研究提出的拦阻系统对于低速冲击下的大型车辆仍能实现被撞后车身直立，被拦截后仍按原轨道行进，满足车辆拦截后的方向平衡要求。

根据以上分析，对于低速和高速行驶的小型失控客车，使用1道拦阻网足以拦截时，拦阻网最底部拦阻索距地面距离为500 mm，最顶部拦阻索距地面距离为1 850 mm，最大拦截加速度也满足规范要求。对于低速行驶的大型货车，尤其是包含货物总重接近50 t的载重货车，使用3道拦阻网方可成功拦截，拦阻网最底部拦阻索距地面距离为970 mm。通过有限元分析得到3道拦阻网间隔分别为10 m和5 m时拦截效果最佳，3道拦阻网先后通过变索力控制实现对车辆动能的耗散。由于车辆本身动能过大，拦截过程中产生较大的峰值加速度，超出人体极限承受范围^[17]，因此本研究提出的拦阻系统不适用于重型高速货车。

3 试验研究

在有限元分析的基础上，对拦截系统最终结构进行优化改良。针对2种不同车型，设置2种不同的拦截方式，拦阻网的高度和数量均参照2.2节相关内容。

3.1 试验准备

碰撞测试加速度计，即压阻式传感器，被放置在车辆的重心位置，使用INV3062-C6型号采集仪进行数据收集。3台高清相机分别位于与车辆撞击方向一致的防撞墙位置、牵引系统末端及拦阻系统的左侧，帧率均为1 000帧/s。同时，一台无人机盘旋上空，保证拦截过程无死角。试验前，通过雷达测速仪判定试验车辆是否达到撞击速度，保证此时刚好通过第1道拦截网。具体试验方案如表 1所示。

3.2 试验结果

拦阻系统最终拦截效果如表 2所示。I~III组试验均实现有效拦截，与仿真分析的结论基本一致，有效验证了有限元分析的可靠性。

对于小型客车低速和高速驶入拦阻式避险车道，采用1道拦阻网能够有效实施拦截，经由测距仪测出实际的拦停距离分别为12.1 m和18.2 m，远低于国际上避险车道实际拦停距离。拦截全过程乘员加速度均不超过20g，车身保持直立，拦截过程中车头发生一定程度偏移，能够最大限度保障车内乘客安全。同时通过采集仪输出的数据可知，在车辆被拦截过程中，车辆的速度并未呈现出骤降的趋势，能够较好地实现全过程中失控车辆的安全减速。拦阻装置(包括阻尼器、拦截网)未发生损害，固定良好，没有发生拦截后拦阻装备被拔起等二次事故，且拦截后阻尼器温度不高，能够迅速回收拦阻索，保障拦阻系统的快速恢复。

对于大型客车低速和高速驶入拦阻式避险车道，前者通过3道拦阻网实现拦截，拦截距离为19.9 m，后者并未被拦截成功，因此部分数据并未获得。低速拦阻试验中，车辆最大加速度为43.9g，与有限元模拟仅差3%，实现对有限元模型的进一步验证。在拦截过程中车身保持直立且未发生偏移，拦阻系统完好，虽然冲击加速度超出人体承受范围，但是由于车辆本身动能过大，在紧急情况下仍能作为有效措施拦停失控车辆。对于试验组Ⅳ提供的大型高速货车，由于实际的冲击能量过大，远超出现有规范要求，后续可与不同缓冲结构组合^[18]，对拦阻系统进行结构性优化。

4 结论

基于现有长大下坡路段事故频发及传统避险车道长度、坡度要求过高的现状，提出一种新型拦索式避险车道。通过拦阻系统总体设计结合有限元仿真分析，建立针对不同车型的车辆拦阻体系，采用实车碰撞试验验证拦阻方案的可行性。

(1) 新型拦阻系统提供可变索力控制且坚固耐用，易于更换，在车辆拦截过程中最大限度保持车辆平衡，对车内乘员损伤较小，能够实现大多数情况下(重型高速情况除外)失控车辆有效拦截。

(2) 建立的拦阻系统有限元仿真模型，为得到拦阻系统结构优化(适宜的拦阻网高度和数量)奠定了基础。实车撞击试验充分验证其有效性，为后续不同失控车型、不同拦阻网数量及结构优化提供了有力保障。

(3) 针对重型高速货车拦截失败情形，后续可在本研究拦索式避险车道基础上通过增设一定坡度，增加沙砾、碎石等土工材料实现失控车辆的拦截。