Автореферат (1173103), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Для нахождения внутренних сил используются определяющиеуравнения среды, которые для металлических материалов в упругой областиописывалаются законом Гука: = (2)где – тензор напряжений; – тензор деформаций; С – тензор упругих констант.Момента начала текучести наступает, когда напряжения достигаютповерхности текучести Мизеса:1(3) (2 ) = 2 − 2 = − 2 = 02где J2 = 0.5*sij* sij – второй инвариант девиатора напряжений; k – константаматериала, связанная с пределом текучести и скоростью деформирования.14Для вычисления изменения тензора деформаций при пластическом течениииспользуется теория Прандтля–Рейсса в соответствии с которой, направлениеприращений пластических деформаций перпендикулярно поверхности текучести.Поверхность текучести изменяется в зависимости от скорости пластическихдеформаций за счет изменения константы материала k.
В работе используетсямодель упрочнения Купера-Саймонда, учитывающая скорость деформаций ̇ :1̇ = 1+( )(4)где p, C – экспериментальные константы упрочения.Большинство элементов в модели учитывают возможность разрушения.Разрушениевматериаленаступает,когдаэквивалентныепластическиедеформации ̅ достигают деформаций разрушения :̅ = Деформации разрушения определяются экспериментальным путем. В случае,если эквивалентные деформации в элементе достигают деформаций разрушения,то элемент удаляется.Для моделирований грунта используется модель Крейга в соответствии скоторой материал в упругой области работает по закону Гука.
Возникновениепластических деформаций определяется соотношением: (1 , 2 ) = 2 − [0 + 1 + 2 2 ] = 0где p – гидростатическое давление; a0, a1, a2 – константы материала.Создание расчетных математических моделей наезда ТС на БДО включает всебя несколько последовательных этапов: разработку геометрических 3D моделейэлементов конструкций ТС и БДО; задание свойств материалов и выбор моделейматериалов элементов конструкций, включая дорожное покрытие; построениеконечно-элементных сеток; задание граничных условий.КонструктивныеэлементыБДОпредставляютсобойвосновномтонкостенные профили, толщина которых значительно меньше длины и высоты, всвязи с чем они моделируются оболочечными КЭ. Оболочку из 3D-модели прощевсего получать путем выделения срединной поверхности элемента конструкции –15балки, стойки.
Для построения равномерной сетки срединная поверхностьразделяется по линиям симметрии. На модифицированной геометрии строитсярегулярная сетка конечных элементов (пример построения КЭ-модели для балкиБДО показан на рисунке 2).ИсходнаягеометрияСрединнаяГеометрия дляповерхность построения сеткиКЭ-сеткаисходнойконструкцииКЭ-модельбалкиРисунок 2 – Построение КЭ-модели балки огражденияВ главе 2 подробно описаны разработанные принципы построения КЭмоделей узлов крепления элементов ограждения, приведены и обоснованы моделиматериалов дорожного покрытия, в частности грунта. Особое внимание уделеномоделированиюТС,таккакмодельдолжнабытьдеформируемойисоответствовать нормативным документам. В качестве моделей зарубежных ТСпринимались модели по данным Национального управления безопасностидорожного движения министерства транспорта США (NHTSA).
Для лучшегомоделирования условий контакта в местах соударения ТС с БДО уменьшалсяразмер сетки, в том числе в готовых моделях. Между всеми элементами моделиучитываются контактные взаимодействия, причем для учета жесткости в контактеучитываетсяметодштрафныхфункций.Учитываютсякакнормальныесоставляющие сил, так и касательные кулоновские силы трения.Положения в разных временных точках соударяющихся КЭ-моделейограждения с ТС сравниваются с аналогичными результатами натурных испытанийИЦ НАМИ (рисунок 3). На рисунке 3 также приведен график зависимостейперемещений лицевой поверхности балки БДО в районе стоек и график измененияиндекса тяжести травмирования И от времени.
Отметим, что эти результаты могутбыть получены только при виртуальных испытаниях, в то время как они важны дляпроектировочного анализа.160,3с0,9сГрафик перемещений лицевойповерхности балки в районе стоек №13-271,2с1,4 сСравнение резултатов натурных ивиртуальных испытанийГрафик изменения индекса тяжеститравмированияРисунок 3 – Результаты виртуальных испытаний ограждения21ДО/300-0,75x2,0Так, в этом примере различие в величинах максимального остаточногопрогиба составляет 6% (1,487 м при натурных и 1,402 м при виртуальныхиспытаниях).
Различие в величинах индекса тяжести травмирования И составляет7 %.В третьей главе рассмотрены современные конструкции БДО и с помощьювиртуального анализа проведены исследования влияния основных конструктивныхпараметров БДО на их потребительские характеристики, на основе которых данырекомендации для проектирования БДО.На рисунке 4 приведены современные конструкции БДО, которыеклассифицированы по их основным элементам.Наиболее широкое распространение получили ограждения с использованиемW- образной балки.
Для определения влияния сечения стойки и типа консоли напотребительскиехарактеристикиограждениябылопроведеноболее65виртуальных испытаний, а также 17 валидаций. Часть результатов этихисследований приведены на графиках (рисунок 5).17Типыбалок3-волновая (3N)W-образнаяТипыконсолейКонсольамортизатор(КА)ТипыстоекСДПКонсольжесткая(КЖ)СДССДЕC – образнаяКонсольжесткая новая(КЖН)Консольотрывная(КО)Консоль Побразная(КП)СДМшвеллердвутаврРисунок 4 –Основные конструктивные элементы существующих БДОаб- виртуальные испытанияв- валидацияРисунок 5 - Влияние шага стоек и энергии удара на динамический прогибограждения: а – с применением С-образных стоек (160х70х18х5) и КЖ;б – с применением стоек из швеллера №16 и КА; в – с применением стоек СДС иШ12Аналогичные исследования были проведены для БДО мостовой группы,моделировалась установка ограждения как на железобетонном цоколе, так и безцоколя (рисунок 6).Исследования позволили выявить основные закономерности: увеличениеэнергии удара на 50 кДж приводит к увеличению динамического прогиба до 20 %,и увеличение шага стоек на 0,5 м приводит к увеличению динамического прогибана 15-25 %, при установке ограждения на железобетонный цоколь высотой 0,15 мдинамический прогиб БДО уменьшается до 15 %.
Полученные зависимости могут18быть использованы для приближенного анализа как при проектировании БДО, таки при выборе конструкции для установки на дороге.абРисунок 6 – Установка БДО на мостовом сооружении:а – без железобетонного цоколя; б – на железобетонном цоколеАналогичные исследования были проведены для анализа преимуществиспользования разных типов консолей. Был выполнен анализ более 150 протоколовнатурных испытаний и проведено около 80 виртуальных испытаний. Анализиспытаний позволил сформировать основные причины отрицательных результатовиспытаний в процентах от общего числа испытаний. Результаты исследованияприведены в таблице 1.Таблица 1 – Преимущества и недостатки разных типов консолейТип консоли(по рис.4)КАКЖКЖНКОКПИспытание легковымавтомобилемОтрыв колеса легковогоавтомобиля, %9040502080ПолученныеданныепозволилиИспытания автобусом (грузовым ТС)Разрыв балки, %1050409010сформулироватьПереезд черезограждение, %9050601090рекомендациидляиспользования различных типов консолей при проектировании металлическихбарьерных ограждений: тип КА можно использовать для БДО при толщине балки2,5 мм; при использовании консолей КО необходимо применять балку толщиной 4мм, но с более слабыми стойками (например швеллер 12, или гнутый С-образныйпрофиль); консоли типа КЖ и КЖН позволяют собирать БДО практически любойконфигурации, но их металлоемкость выше по сравнению с БДО, имеющими КА и19КО.При наезде на БДО легкового автомобиля часто возникает отрыв колеса, чтоприводит к развороту автомобиля на 90°.
Применение балки с 3-волновымпрофилем обеспечивает более безопасную траекторию движения, как при наездегрузового автомобиля и автобуса, так и легкового автомобиля, однако при ихустановке необходимо проводить оценку снегозаносимости дороги. В настоящеевремя отмечена тенденция перехода на БДО с С-образными (коробчатыми)балками, особенно при установке на городских улицах. Виртуальный анализработы конструкции с С-образными балками показал, что из-за низкогорасположения нижней балки при наезде автобуса основная энергия удараприходится на верхнюю балку, в связи с чем рекомендуется поднять нижнюю балкуна 100 мм (рисунок 7).На рисунке 7 приведен вид деформированных ограждений с коробчатымибалками разной высоты (0,75 м и 0,85 м) и показан график перемещений балокограждения около разных стоек при виртуальных испытаниях.21ДО/300-0,75*2,021ДО/300-0,85*2,0Рисунок 7 – Вид дорожных ограждений разной высоты после наездаВ таблице 2 приведены значения динамического и остаточного прогибовБДО с коробчатыми балками.20Таблица 2 - Сравнение потребительских характеристик БДО с коробчатымибалкамиВысотаВиртуальные испытанияБДО, м ДинамическийОстаточныйпрогиб, мпрогиб, м0,850,750,750,750,950,6ПроведенныйанализконструкцийДинамический прогиб принатурных испытаниях, м0,78БДОсиспользованиемданныхвиртуальных испытаний позволил обосновать выводы по преимуществам иконструктивным характеристикам различных типов БДО и дать практическиерекомендации для проектирования, в том числе: основными критериями при классификации ограждений являются балка,консоль и стойка, при этом принцип работы ограждений зависит только от типабалки и консоли; при наезде легкового автомобиля на конструкцию ограждения с 3волновой балкой наиболее безопасными являются конструкции с применением КЖи КО; использование 3-волновой балки, по сравнению с W-образной, имеетпреимущество как при наезде легкового автомобиля, так и автобуса, но приводит кбольшей металлоемкости; использование БДО с 3-волновой балкой и балкой коробчатого сеченияравнозначны с точки зрения удерживающей способности, но балки коробчатогосечения имеют преимущества при снегозаносимости, а также обеспечиваютнаибольшую безопасность для легковых автомобилей по сравнению с W-образнойи 3-волновой балкой.В главе 4 рассмотрены и усовершенствованы технические требования иметодыиспытанийсформулированыдорожныхобоснованныеудерживающихпредложенияпобарьерныхихограждений,маркировке,даныпредложения по возможности использования виртуальных испытаний для анализапричин ДТП, связанных с наездами ТС на ограждения.21Значения потребительских характеристик БДО определяются натурными(виртуальными) испытаниями в соответствии с нормированными режимамииспытаний.
В нормативных документах указываются определенные допуски помассе и скорости наезда ТС на БДО. Проведенные на основании данныхвиртуальных испытаний исследования показали, что с учетом допусков, принятыхв нормативных документах, значения динамического прогиба БДО могутизменяться на величину 10-20 % от средних значений для разных конструкций, аэнергия удара до 40 кДж. Таким образом, при проведении натурных испытанийодной и той же конструкции фактические значения прогибов и энергии удара будутвсегда отличаться. Для устранения этого несоответствия предлагается заменить вмаркировке ограждения энергию удара на уровень удерживающей способности иввести понятия класса динамического прогиба и рабочей ширины ограждения сшагом 0,2 м.В главе 4 также рассмотрена возможность применения виртуальныхиспытаний для анализа причин ДТП, связанных с наездами ТС на дорожныеограждения.
В анализе возможных причин ДТП предлагается использоватьвариантные расчеты с учетом схемы (схем) ДТП.Предложенная схема сводится к последовательному (параллельному)решениюнесколькихзадач,причемколичество вариантовопределяетсяситуационным анализом. Для определения фактической энергии удара, а такжевосстановления полной картины ДТП необходимо разработать КЭ-модель участкадороги с учетом его расположения в плане, а также продольного и поперечногопрофиля, модель конкретного ТС – участника ДТП, определить (по возможности)дислокацию остальных участников движения на момент возникновения ДТП.Приведен пример реализации предложенной схемы при анализе причин ДТП стяжелыми последствиями, произошедшего 12 июня 2017 года на участке с крутымповоротом (км 702 дороги Р-258 «Байкал») при отсутствии БДО в связи с ремонтом.Анализ причин ДТП потребовал проведения 6 вариантов виртуальногомоделирования краш-ситуаций с наездом автобуса при наличии БДО и без БДО смоделированием профиля дороги (рисунок 8).22Рисунок 8 – КЭ-модель участка ДТППроведенные исследования позволили установить, что размещенное БДО судерживающий способностью У2 (190 кДж) не могло бы обеспечить удержаниеавтобуса, двигавшегося с нарушением режима движения, и причиной ДТПявлялось нарушение скоростного режима движения водителем автобуса.Предлагаемая схема анализа причин ДТП может быть использована и дляизучения механики работы БДО, установленных в нестандартных условиях, намалых радиусах, на горных дорогах, что будет способствовать разработке новыхконструкций барьерных ограждений и обоснованию внесения изменений в правилаприменения дорожных ограждений.ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ1.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
