Диссертация (1173104), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Основойметода является анализ быстропротекающего процесса ударного взаимодействиядеформируемого ТС с деформируемым ограждением, базирующийся на МКЭ.Решение осуществляется с помощью универсального программного комплексанелинейной динамики LS-DYNA [9, 10, 22, 72, 80, 87]. Этот программныйинструмент является достаточно универсальным, так как входит и во все основныеизвестные универсальные программные комплексы МКЭ (ANSYS, MSC.Software идр.)Использование симуляционного анализа МКЭ позволяет моделироватьнатурные испытания с соблюдением всех условий и для альтернативы введентермин – виртуальные испытания [45]. Виртуальные испытания даютвозможность расчетным путем определять все необходимые потребительскиехарактеристики.
Важно, что они являются более информативными, чем натурные40испытания. При виртуальных испытаниях можно определять не толькопотребительские характеристики, но и напряженно-деформированное состояние(НДС) всех элементов ДО, поведение и НДС дорожного покрытия, а также НДС вэлементах ТС при ударах [76, 77]. Возможность использования МКЭпредусмотрена нами при разработке ГОСТ 33128 и ГОСТ 33129 [9, 10].Виртуальные испытания дорожных ограждений могутбытьэффективноиспользованы при проектировании самих ограждений, а также при проектированиидороги и при устройстве ограждений.Представляется необходимым доказать, что часть натурных испытанийможно заменить виртуальными испытаниями.
Для этого необходима валидациямоделей и расчетных схем. Разработанная система обоснования выбора расчетныхсхем и моделей элементов БДО и общих схем наезда ТС на ДО рассмотрена вработе.Накопленный опыт и данные натурных и виртуальных испытаний позволилиразработатьприближенныйметодопределениявзаимосвязейиоценкипотребительских характеристик БДО, который рассмотрен в главе 3 настоящейработы.Разработанные методы и проведенные исследования БДО различныхизготовителей позволяют сформировать обоснованную программу сертификациикомплекса изделий одного изготовителя, включающую натурные, виртуальныеиспытания и эмпирический анализ.1.5 Выводы по главе 1Проведенный анализ показывает, что на протяжении более 20-летнейистории внедрения удерживающих барьерных ограждений на автомобильныхдорогах их конструкции существенно менялись, и в настоящее время имеетсябольшое разнообразие конструкций барьерных дорожных ограждений, которыеявляются наиболее распространенным видом дорожных ограждений.41Для каждой марки (конструкции) ограждения должны быть определены ихпотребительские характеристики, необходимые для оценки безопасности, переченькоторых сформулирован современными нормативными документами, в разработкекоторых автор принимал непосредственное участие.
Проведенное исследованиесуществующих отечественных и зарубежных стандартов показало необходимостьих доработки и проведения соответствующих расчетных и экспериментальныхисследований.Показано, что многообразие конструкций (марок) современных БДО, неговоря уже о транспортных средствах, делает невозможным такой анализ только наоснове натурных испытаний, которые, во-первых, недостаточно информативны иво-вторых, являются дорогостоящими и трудоемкими.
Проанализированыинженерные расчетные методики, которые до недавнего времени использовалисьпри проектировании ДО и были основаны на эмпирических данных и простыхинженерных решениях, в связи с чем, их применение для проектировочногоанализа разнообразных конструкций ограничено.Выбор надежного современного расчетного инструмента, использующеговозможности современного компьютерного анализа, нелинейной динамики имеханики деформируемых тел, и разработка на его основе метода универсальноговиртуального эксперимента, являющегося аналогом натурного, но существенноболее четким и информативным, является, таким образом, актуально задачей.Усовершенствование инженерных так называемых аналитических расчетов,на новой основе, с учетом накопленных данных виртуального эксперимента, такжепредставляетсяцелесообразнымдляпроведенияконструкций при небольшом варьировании параметров.сравнительногоанализа42ГЛАВА 2.
МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ВИРТУАЛЬНЫХ ИСПЫТАНИЙ2.1. Обоснование расчетной схемы и выбор программного продуктаВ соответствии с ГОСТ 33129 испытания осуществляют путем наезда наограждение транспортного средства (ТС) определенной массы с необходимойскоростью под углом в 20°. В соответствии с ГОСТ 33128 длина участка барьерногоограждения должна быть не менее 80 м. Удар наездом ТС производится на 1/3длины ограждения.Схема проведения натурных испытаний [10, 14] приведена на рисунке 2.1.Рисунок 2.1 – Схема испытания дорожного ограждения: 1 – БДО,2 – ТС, 3 – ось направления движения ТС, L – длина БДОТребуемый уровень удерживающей способности ограждения (У) совпадает сбоковой составляющей кинетической энергии (E, кДж) ТС (легкового автомобиля,автобуса, грузового автомобиля) под статистически оцененным углом (обычно,200) [10, 14] и определяется по формуле (1).Расчетная схема виртуальных испытаний также должна соответствоватьрисунку 2.1.Выбор метода решения задачи удара автобуса об ограждение зависит отфизических процессов, происходящих при ударе.
По виду конструкции после удара43можно сделать заключение о высокой степени геометрической и физическойнелинейности системы. Геометрическая нелинейность выражена в большихперемещениях балок и стоек ограждения: при длине взаимодействия 20 м прогибограждения может достигать 2-х м (рисунок 2, а). Физическая нелинейностьобусловлена работой материала балок, стоек и грунта в пластической области(рисунок 2, б). Пластические деформации в модели достигают 10-15%. Весьпроцесс удара происходит около одной секунды, поэтому из-за быстротечностипроцесса волны напряжения в материале будут играть существенную роль припереносе энергии и распространении нагрузки. Последним фактором являетсябольшая площадь контактного взаимодействия и сложный характер контакта:материал в области контакта в процессе удара переходит в пластическую область,наблюдается большое относительное перемещение контактных поверхностей.Сложная область контакта и нелинейность материала делают почти невозможнымрешение задачи неявными методами, так как при большом количественелинейностей становится проблематичным определение равновесия системы.абРисунок 2.2 – Вид БДО после наезда: а – деформация ограждения,б – деформация грунтаВ результате задача удара автомобиля об ограждение сводится к решениюзадачи динамики переходных процессов при больших перемещениях и конечныхдеформациях, происходящих за малый промежуток времени.
Для описания работы44конструкции необходимо не только описать пластические деформации материала стали, но и пластические деформации грунта со сложной поверхностью текучести.Граничными условиями являются ограничения на перемещение, а также сложныеконтактные условия. Перераспределение энергии в системе происходит за счетволн напряжения. Для решения описанной задачи используют совокупностьчисленных подходов, получивших общее название – гидрокод [60].Гидрокод разрабатывался и использовался с 1960-х гг. в США какинструмент решения военных задач: пробитий, взрывов, разрушений. Такая узостьприменения была обусловлена тем, что научные разработки в этой области былизакрыты и не публиковались, кроме того, использование гидрокода требовалобольшихвычислительныхмощностей.Первоеприменениегидрокодавпромышленности имело место в 1986 г. при моделировании краш-тестовавтомобилей. Модели Volkswagen Polo и BMW 300 были разработаны приподдержке министерства транспорта Германии и при расчете давали погрешностьв 23%, что для того времени считалось хорошим результатом.В настоящий момент гидрокод реализован во многих современныхпрограммных комплексах, из которых следует отметить: ABAQUS, PAM-CRASH,DYTRAN, LS-DYNA, RADIOS.
Первые модели дорожных ограждений былисозданы в Texаs Transportation University в 1996 г. с использованием LS-DYNA и вдальнейшем большинство исследователей дорожных ограждений использовалиименно этот программный комплекс [91]. Учитывая большой опыт применения LSDYNA в анализе ударных процессов дорожных конструкций, принято решение оего использовании в настоящей работе [23, 46, 47, 63].452.2 Основные уравнения LS-DYNAПрограммный комплекс LS-DYNA основан на гидрокоде – совокупностичисленных методов для решения уравнений механики сплошных сред с учетомволнового уравнения.
Решение системы уравнений происходит шаговымиметодами – положение системы в момент времени t+1 определяется из положенияв момент времени t. Шаговые методы делятся на явные, когда параметры системыопределяются из значений в момент времени t, и неявные, когда параметрысистемы представлены в виде уравнения, включающего компоненты на шаге t+1.Как отмечалось ранее, решение задачи удара ограждения неявными методамизатруднительноиз-забольшихнелинейностейсистемы.Интегрированиеуравнений происходит как по пространству, так и по времени.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
