Механика конструкций тросовых дорожных ограждений при ударном взаимодействии с транспортным средством и разработка математических моделей расчета
Введение
Глава 1. Тросовые ограждения. История, описание конструкции…………..18
1.1 Обзор конструкций ТДО
1.2 Основные элементы тросовых ограждений и их классификация……..24
1.2.1 Основные элементы тросовых ограждений
1.2.2 Классификация ТДО по конструктивным элементам
1.3 Принципы работы тросовых ограждений
1.3.1 Поведение транспортного средства при ударном наезде на ТДО
1.3.2 Механика работы тросов
1.3.3 Поведение стоек
1.4 Выводы по главе 1
Глава 2. Методы исследования задачи динамики тросовых ограждений при ударе
2.1 Обзор работ по исследованию тросовых дорожных ограждений
2.2 Аналитические модели ТДО…………………………………………………………42
2.2.1 Общая модель ограждения М. Грэма
2.2.2 Модель рабочих областей М.Б. Бэйтмена
2.2.3 Аналитические исследования по механике тросов и нитей
2.3 Разработка решения задачи соударения материальной точки и тросового ограждения с использованием Wolfram Mathematica
2.3.1 Постановка задачи и алгоритм решения
2.3.2 Проверка работы модели
2.3.3 Влияние учета волновых процессов на результаты моделирования
2.4 История использования программных комплексов КЭ анализа и их
3
применения в задачах соударения с дорожными ограждениями
2.5 Особенности построение общей модели ТДО с использованием программы LS-DYNA
2.5.1 История и формулировка моделей тросов
2.5.2 Модели стойки и гильзы
2.5.3 Особенности разработка модели основания
2.5.4 Модели транспортного средства
2.5.5 Моделирование стяжных устройств (талрепов) и концевых участков ТДО
2.5.6 Граничные условия и контакты………………………………………………..77
2.5.7 Общая КЭ модель ТДО
2.6 Выводы по главе 2
Глава3. Верификация и валидация моделей элементов конструкции ограждения. Валидация полной модели ограждения
3.1. Исследование характеристик отечественной конструкции троса для построения цифровой модели и разработки усиленного троса………………………82
3.1.1 Получение механических характеристик тросов при испытаниях на растяжение
3.1.2 Динамические испытания тросов
3.1.3 Валидация моделей тросов
3.2 Исследования модели стойки. Валидация стойки
3.2.1 Размеры элементов и их влияние на динамический отклик
3.2.2 Разработка методики моделирования прогнозируемого разрушения в моделях стоек
3.2.3 Валидация стойки
3.3 Валидация общей КЭ модели тросового ограждения
3.3.1 Исследования механики и цифровое моделирование ТДО с
открытыми стойками
3.3.2 Исследования механики и цифровое моделирование ТДО с закрытыми стойками
3.4 Выводы по Главе 3
Глава 4. Многовариантные исследования динамического поведения тросового ограждения
4.1 Постановка задачи и цели исследования
4.2 Влияние конструктивных параметров ограждения на рабочие характеристики
4.2.1 Влияние дины ограждения на прогиб ограждения
4.2.2 Влияние модуля упругости троса и жесткости стоек
4.2.3 Исследование влияния начального натяжения в тросах
4.3 Влияние параметров транспортного средства
4.3.1 Место удара
4.3.2 Влияние трения
4.3.3 Влияние высоты центра тяжести и распределения масс по осям автомобиля
4.4 Практическое применение моделей виртуального анализа ТДО
4.4.1 Исследование трехтросовых конструкций ограждений
4.6 Выводы по Главе 4
Заключение
Список литературы
Во введении показана актуальность задачи разработки методов проектного виртуального
цифрового анализа и моделирования механики поведения тросовых дорожных ограждений для российских дорог, дан подробный анализ всех основных известных исследований, как зарубежных, так и отечественных.
Сформулированы задачи работы, основной целью которых являлось решение малоисследованных проблем для создания единой методики виртуального проектного анализа и испытаний тросовых дорожных ограждений на ударные нагрузки для отечественного дорожного строительства.
В первой главе работы приведен исторический обзор конструкций тросовых дорожных ограждений (ТДО), описана базовая механика работы современных конструкций ТДО, виды тросовых систем, а также проведена классификация современных конструкций по типу стоек.
Современное тросовое ограждение состоит из 4-х основных элементов: тросов, стоек, гильз, анкерного блока (см. Рисунок 1). Тросы – основной рабочий элемент ограждений, воспринимающий большую часть усилий в процессе удара ТС.
Стойки поддерживают рабочую конфигурацию ограждения в состоянии покоя, а в процессе удара ограничивают рабочую область ограждения (участок троса всего ограждения, испытывающий поперечные перемещения в процессе удара). Гильзы и анкеры фиксируют положение ограждения относительно дороги.
Рисунок 1 – Вид и схема устройства тросового дорожного ограждения
Процесс удара ТС (далее, автомобиля) в тросовое ограждение состоит из 3-х последовательных этапов. 1-ы этап – автомобиль, покидающий по каким-то причинам свою полосу движения, ударяет по тросам (см. Рисунок 2), и в тросах возникают усилия, Tf и Tr, соответственно.
Далее возрастают внутренние силы в тросах, и момент этих сил вызывает вращение автомобиля. Процессу вращения препятствуют силы трения (Ffw и Frw) и силы инерции автомобиля. Автомобиль выравнивается вдоль ограждения и начинается 2-ой этап, характеризующийся контактом ТС и ТДО по всей боковой поверхности. Силы инерции
продолжают вращать автомобиль, в результате чего происходит удар задней частью автомобиля
и начинается этап возврата автомобиля на свою полосу движения.
Характерной особенностью этого этапа является контакт только задней части автомобиля,
а потенциальная энергия троса преобразуется в усилия, выталкивающие его из ограждения. Показано, что одним из основных является механизм освобождения тросов от связей со стойками. По механизму освобождения тросов стойки ограждения были разделены на открытые и закрытые. В открытых стойках, трос может свободно скользить по ее поверхности и после достижения границы стойки, ограничения на движение троса снимаются.
Рисунок 2 – Этапы взаимодействия автомобиля и ограждения
Для закрытых стоек были выделены конструкции, работающие на: случайном разрушении, преднамеренном разрушении, без разрушения.
Во второй главе рассмотрены известные методы исследования тросовых систем и ТДО. Разрабатываемая математическая модель тросового ограждения должна: с высокой точностью описывать поведение элементов тросового ограждения: тросов, стоек, автомобиля в процессе удара, а также поведение всего ограждения; позволять учитывать в качестве входных параметров основные характеристики тросовых ограждений в процессе удара; позволять получать в качестве выходных параметров все динамические характеристики системы. Рассмотрены модели, применявшиеся при изучении тросовых ограждений до настоящего времени.
Отмечено, что существующие аналитические модели не учитывают динамику троса и конечность скорости деформации, а конечно-элементные (КЭ) модели ограждений не учитывают возможность разрушения стоек. Для исследования влияния первого явления в диссертации предложена упрощенная плоская модель с учетом динамики троса. В основу модели были положены уравнения сохранения импульса среды в вариационной постановке, решаемые методом конечных элементов по пространству и методом конечных разностей по времени, была получена упрощенная цифровая модель, позволяющая исследовать волновую картину в тросе на плоскости, реализованная в решателе Wolfram Mathematica:
̇ ( , )+ ( , )= ( , ) ∀( , )∉Г (1)
где i, j – степени свободы узлов, I, J – номера узлов, M – сосредоточенная матрица масс, v –
скорость узла, fint – внутренняя сила в узле, fext – внешняя сила в узле.
На первом шаге из известных граничных и начальных условий, методом конечных
разностей вычислялись скорости и перемещения узлов на шаге n+0.5 и n+1, соответственно. Значение шага интегрирования по времени выбиралось в соответствии с условием Куранта- Фридрисхса-Леви, который для одномерного случая имеет вид ∆t<∆tкр=l/c, где l – линейный размер конечного элемента, с – скорость распространения волны в среде.
После получения геометрии в следующий момент времени вычислялись внутренние силы. Для всех оболочечных и объемных элементов использовалась одна точка квадратуры по Гауссу. После чего определялся градиент деформации. Из градиента деформаций, определялся тензор деформаций и через уравнение материала находились напряжения в системе. После чего внутренние усилия определялись выражением:
= ∫ Ω, (2)
Ω
где N – функции формы элемента, x – Эйлерова координаты, – тензор напряжений Коши.
Внешние силы – объемные силы b и векторы напряжений на поверхности t:
(3)
̅
= ∫ Ω + ∫ Г,
После нахождения всех сил в узлах происходит расчет конфигурации геометрии конструкции на следующем шаге времени и все процедуры цикла повторяются.
Для верификации модели использовалось аналитическое решение удара по нити бесконечной длины, полученное Х.А. Рахматуллиным. В тестовых задачах использовались параметры троса. Показано, что значение деформаций и перемещений для точной аналитической и конечно-элементной модели сходятся с точностью до 1 %. После чего на полученной модели было проведено сравнение решений, полученных с учетом и без учета динамики троса. Из анализа работы всего ограждения, сделан вывод, что учет в явном виде динамики тросов при длинах ТДО, не превышающих 1 км, не приводит к существенным изменениям поведения ограждения, а основным параметром троса, определяющим его работу, является жесткость на растяжение.
Дальнейшая разработка полномасштабной подробной модели всего ограждения осуществлялась на основании того же подхода, но с применением коммерческого программного продукта LS-DYNA, основанного методе конечных элементов (МКЭ).
Рассмотрены и сформулированы физико-математические модели механики поведения отдельных составляющих конструктивных элементов ТДО, с учетом моделей, входящих в комплекс LS-DYNA. Разработаны процедура построения общей КЭ модели ТДО, позволяющая обеспечивать высокую точность решений, а также общая последовательность построения этой модели. Выбраны и обоснованы физико-механические модели материалов и типы конечных
Ω Г
элементов (КЭ элементов) для основных элементов ограждения: тросов, стоек, крючков, болтов,
гильз, грунта, стяжек и бетонных фундаментов на основе экспериментальных валидационных исследований, приведенных в третьей главе работы.
В третьей главе различные КЭ модели всех рассмотренных выше основных критических конструктивных элементов ТДО: тросов и стоек, а также модель всего ограждения подвергались разработанным автором процедурам верификации и валидации. Автор принимал участие или самостоятельно проводил все описанные в работе валидационные испытания и соответствующий расчетный анализ. Для тросов были исследованы 3 модели: балочная, балочно-оболочечная и балочно-твердотельная.
(а) (б) (в)
Рисунок 3 – Модели тросов: (а) балочная, (б) балочно-оболочечная, (в) балочно- твердотельная
Исследованы статические и динамические характеристики тросов путем проведения соответствующих испытаний и моделирования. Динамические испытания тросов проведены на ударном стенде (см. Рисунок 4), результаты сравнивались с результатами работы моделей.
(а) (б)
Рисунок 4 –Трос, установленный на ударном стенде (а), и КЭ модель (б) испытаний для исследования динамики троса
Анализ графиков прогибов троса (см. Рисунок 5) показал, что все модели дают близкие результаты по амплитуде перемещений и достаточно точно описывают процесс удара. Балочная модель была выбрана как основная.
(а)
(б)
Рисунок 5 – Сравнение результатов работы различных КЭ моделей троса с экспериментом: (а) перемещения, (б) усилия в тросе
Для проверки КЭ моделей стоек также были проведены ряд статических испытаний на специальном экспериментальном участке. В процессе эксперимента определялись значения силы и изменения геометрии гильзы и стойки (Рисунок 6).
(а) (б)
Рисунок 6 – Визуальное сравнение работы стойки при статических испытаниях, слева – натурный эксперимент, справа – КЭ модель
Для исследования образования трещины и разрушения стоек, в том числе, имеющих концентраторы напряжений рассмотрен выбор размера КЭ и предложено использовать когезивные элементы.
(а) (б) (в)
Рисунок 7 – Модель с стойки с разрушением с использованием когезионных элементов: (а) раскрытие трещины на сетке размером 10 мм, (б) разрушение стойки КЭ модель, (в) разрушение стойки при натурных испытаниях
С этой целью были проведены исследования по моделированию раскрытия трещины с
использованием КЭ сетки высокой плотности, результаты которых которые далее перенесены на когезионную модель для всей стойки ТДО с рекомендуемым размером сетки КЭ (Рисунок 7). Валидация моделей для всех типов стоек ТДО проводилась путем сравнения полученных цифровых результатов с экспериментальными данными натурных полноразмерных испытаний ТДО, проведенных в ИЦ ГНЦ НАМИ при наезде ТС – автобуса (Рисунок 8).
(а) (б) Рисунок 8 – КЭ модель: (а) стойки, (б) общая модель
С целью валидации моделей проведены сравнения с данными натурных испытаний по параметрам перемещений, курсовому углу транспортного средства и значениям индекса тяжести травмирования для трех моделей. На Рисунке 9 и 10 показаны результаты сравнительного визуального анализа для одной из моделей. Разница между амплитудными значениями прогибов составляет не более 10%.
t=0.6 c
t=1.0 c
t=1.4 c
Рисунок 9 – Визуальное сравнение работы модели и натурного ТДО
(а) (б)
Рисунок 10 – Курсовой угол автобуса (а), прогиб ограждения по времени (б): КЭ модель (красным), натурные испытания (синим)
Графики всех параметров для всех исследованных моделей близки по виду и амплитудным значениям. Верификация моделей исследована как путем оценки паразитной энергии деформации, так и с помощью оценки погрешностей масс на всем протяжении расчета, и даны соответствующие рекомендации, которые были учтены в новой редакции стандарта (ГОСТ 33 129).
В четвертой главе валидированная общая виртуальная симуляционная цифровая модель типового ТДО использована для исследования влияния параметров ТДО и ТС на механику поведения ТДО. Это, как показано, необходимо для проектирования новых конструкций, а также изучения требований нормативных документов.
Исследования влияния длины ограждения на прогиб и усилия в тросе. Нормативная длина испытательного участка ТДО составляет 183 метра. Были рассмотрены 5 длин ограждений: от 40 м до 640 м. Причиной увеличения прогиба при увеличении длины является уменьшение
плотности энергии в тросе, и, как следствие, силы, действующей на автомобиль, что приводит к
увеличению времени контакта и к большему количеству поврежденных стоек (см. Рисунок 11 «а»).
(а) (б)
Рисунок 11 – Прогибы торсов в зависимости от длины ТДО - (а) и изменение усилий в тросах разной длины (б)
Исследование проводилось для тросов с модулями упругости от 100 ГПа до 150 ГПа. При увеличении длины ограждения (Рисунок 11 б), усилие в тросе стремиться к начальному значению, поэтому поддержание эксплуатационного натяжения является необходимым. Стандартная длина ограждения в 183 метра не является предельной для оценки максимального значения прогиба, прогиб продолжает увеличиваться при увеличении длины, что следует учитывать при установке реальных конструкций на дорогах.
Исследование влияния модуля упругости и жесткости стоек на динамический прогиб ограждения. Рассматривались тросы с 4-мя значениями модуля упругости от 75 ГПа до 150 ГПа (Рисунок 12 а). Виртуальный анализ показал, что при малых жесткостях стоек, наиболее оптимальным способом уменьшения прогиба является увеличение их жесткости, а при больших жесткостях - повышение модуля упругости троса (см. Рисунок 12 а).
(а) (б)
Рисунок 12 – Прогиб ограждения: (а) модуль упругости, (б) начальное натяжение троса
Коэффициент сцепления колес с дорогой оказывает наибольшее влияние на прогиб и
поведение автомобиля при ударе. Увеличение коэффициента трения (сцепления) значительно снижает удар задней частью автобуса, но приводит к возрастанию усилия удара передней частью.
(а) (б)
Рисунок 13 – Усилие в тросах при различном коэффициенте трения
Исследование влияния начального натяжения в тросах было проведено путем 4-х ударов с различным натяжением в тросах: от 0 кН до 40 кН. Результаты проведенных исследований приведены на рисунке (см. Рисунок 14).
Рисунок 14 – Прогибы ТДО, натяжение: (А) 0 кН, (В) 10 кН, (С) 20, (D) 40 кН
Применение виртуальных испытаний для создания нового типа усиленной конструкции 3- х тросового ТДО проводилось совместно с АО «Точинвест» и ООО «Энергоссервис». Рассматривалась возможность уменьшить количества тросов в ограждении с 4-х до 3-х (Рисунок 14 а). Совместно с ООО «Энергосервис» и ОАО «Северсталь-метиз» было предложено дополнить технологию стандартного обтягиваниия троса технологией пластического обжатия после свивки (Рисунок 14 б), экспериментально были получены характеристики усиленного троса и проведен виртуальный анализ конструкции. В результате работ ограждение успешно прошло натурные испытания.
Основные выводы и результаты.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Проведен подробный анализ конструкций тросовых дорожных ограждений (зарубежных и отечественных) и показана важность и актуальность сформулированных задач исследований диссертации. Анализ основных работ по теме диссертации выявил ряд малоисследованных проблем расчета динамики тросовых дорожных ограждений на ударную нагрузку, в том числе, возможность разрушения стоек, что характерно для российских конструкций.
2. На основании уравнений сохранения импульса среды в вариационной постановке, решаемых методом конечных элементов по пространству и методом конечных разностей по времени была получена упрощенная плоская цифровая модель, позволяющая исследовать волновую картину в тросе, реализованная в Wolfram Mathematica. Для построения полномасштабной трехмерной модели ограждения был использован лицензионный программный комплексе LS-DYNA. Для проверки базовых алгоритмов решения, было проведено сравнение результатов работы LS-DYNA с результатами работы авторского кода для плоского случая. Сформулирована основная методика расчета элементов ТДО, выбраны и обоснованы физико-математические модели материалов и КЭ модели элементов конструкций.
3. Проведена серия экспериментов по определению основных механических характеристик отечественных тросов производства ООО «Энергосервис» и ОАО «Северсталь- метиз», а также проведены динамические испытания тросов на поперечный удар, стоек на статическое нагружение, в проведении которых и обработке данных автор принимал непосредственное участие. Проведенные эксперименты были использованы для валидации цифровых моделей тросов и стоек ТДО.
4. Впервые решена задача разрушения для стоек с концентраторами напряжений, и предложена методика расчета раскрытия трещины при ударе с оценкой характерного размера сеток КЭ. На основании моделей компонентов разработаны методика расчета полномасштабных моделей ограждения Разработана процедура верификации для цифровых моделей, что позволяет обеспечить стабильность и точность численных решений.
5. На основе проведенных расчётов были исследованы требования ГОСТ 33129-2014 по методам испытаний дорожных ограждений, а также исследованы зависимости между различными параметрами ограждений и их рабочими характеристиками, даны рекомендации в нормативные документы по ТДО. Разработанные методики эффективно использованы в решении практических задач, в частности, при создании инновационной конструкции 3-х тросового ТДО с увеличенным уровнем удерживающей способности, а также новых конструкций тросовых ограждений для Предприятия «ПИК».
Рекомендации и перспективы дальнейшей разработки темы.
Исследование механики конструкций тросовых дорожных ограждений при ударном взаимодействии в рамках предложенных в диссертации методик может быть продолжено при рассмотрении других видов закрытых стоек ограждений, особенно при моделировании больших градиентов нагрузок от стоек без разрушения, а также методик прогнозирования мест разрушения в стойках без концентраторов. Перспективным является вопрос исследования устойчивости работы конструкций в зависимости от параметров ограждения и транспортного средства. С экономической точки зрения перспективными являются ТДО без натяжения, при работе которых наблюдаются большие поперечные колебания тросов. Исследованию этого вида ограждений может способствовать модель, приведенная в главе 2.
Актуальность темы исследования. Безопасность дорог является одним из приоритетных направлений в развитии России. Для оценки безопасности на дорогах традиционно используют показатель – количество смертных случаев в результате в дорожно-транспортных происшествиях (ДТП) на 100 тыс. человек. Например, в результате ДТП в России за 2018 год погибло 12.6 чел. из 100 тыс., в США 11.18, в Японии 4.1, в Германии 3.9 [86]. Исследования показывают, что для оценки эффективности дорожных программ, в частности БКАД (национальный проект «Безопасные качественные дороги»), лучше использовать другой показатель – смертность на 1 млрд. км пробега автомобилей [56], который учитывает также количество автомобилей в стране и как часто ими пользуются. В соответствии с этим показателем, в России в 2018 году погибло 15.7 человек на 1 млрд. км пробега автомобилей, в США 7.0, в Японии 6.7, Германии 6.8 [86]. Контрольные цифры БКАД указывают на необходимость существенного снижения этих цифр в России. Очевидно, что у России существует большой потенциал мероприятий для повышения безопасности дорожного движения.
Одним из наиболее действенных мероприятий по снижению тяжести дорожно-транспортных происшествий (ДТП) является установка дорожных удерживающих ограждений (ДО), которые удерживают транспортное средство (ТС) при отклонении его по каким-либо причинам от курса с проникновением на полосу встречного движения или съездов с дороги. Многолетний опыт зарубежного и, позднее, отечественного мониторинга ДТП показывает, что наибольший эффект по снижению травмоопасности для пассажиров при наездах на ограждения разных типов, обеспечивают тросовые дорожные ограждения (ТДО), в которых основными рабочими элементами являются тросы (в некоторых источниках называемые канатами). Такие ограждения широко применялись в России с 60х годов, однако у первых конструкций был недостаток в виде крепления тросов без натяжения на жестких бетонных стойках, что приводило травмам от столкновения со стойками и существенному повреждению автомобилей. Идея установки тросовых ограждений вернулась в Россию в 2011 году, когда
оказалось, что на существующих дорогах потребовалось повысить безопасность без увеличения ширины дороги. Это оказалось возможным при разработке конструкций ТДО со слабыми, легко деформируемыми стойками и предварительно натянутыми тросами, устанавливаемыми по центру дороги.
Сейчас такие конструкции широко применяются в России, что в первую очередь определяется их преимуществами, по сравнению с барьерными и парапетными ограждениями – малая ширина, относительно низкие показатели травмируемости, более низкая стоимость и материалоемкость. Внедрение тросовых ограждений за рубежом начато раньше, чем в России, особенно, в США, Швеции, позднее в странах восточной Европы.
Поведение конструкций тросовых удерживающих систем при ударном наезде автомобиля существенно отличается от привычного поведения боковых барьерных и парапетных ограждений, где ударные нагрузки вызывают, в основном, изгибные деформации балок или блоков в то время, как тросовые системы работают, в основном, на растяжение.
На Рисунке 0.1 показаны некоторые наиболее распространенные современные конструкции металлических барьерных (а), парапетных (железобетонных) (б) и тросовых (в) удерживающих дорожных ограждений.
(а) (б) (в) Рисунок 0.1 – Различные конструкции удерживающих дорожных ограждений
Однако практическая необходимость разработки отечественных конструкций ТДО с учетом отечественных дорожных условий и материалов, требований к оценке прочности и надежности конструкций, не представляется
возможным без глубокого изучения механики поведения конструкций ТДО. В
результате чего, возникла необходимость создания отечественных инструментов расчетно-проектировочного анализа ТДО (методик и моделей расчета), учитывающего современные представления о нагрузках, современные методы расчета, разработки соответствующих физико-математических моделей элементов конструкций ТДО.
Очевидно, что эти задачи должны были уже на современном этапе решаться в рамках применения подходов виртуальных цифровых испытаний конструкций, позволяющих производить симуляционное моделирование ударных наездов различных ТС на ТДО, валидацию моделей с использованием современных численных и экспериментальных методов строительной механики и соответствующий сравнительный анализ. Учитывая, что от конструкции ТДО существенным образом зависит безопасность на дорогах, необходимо было на основе исследований сформулировать обоснованные требования к отечественным конструкциям ТДО, которые должны быть учтены в нормативных материалах.
Таким образом, направление представленной работы «Исследования механики конструкций тросовых дорожных ограждений при ударном взаимодействии с транспортным средством и разработка математических моделей расчета» является актуальным.
Степень разработанности темы диссертации. В конце 19-х- начале 20-х годов механикой боковых (барьерных и парапетных) дорожных ограждений в России занимались, в основном, в ФАУ «РОСДОРНИИ» и в ФБГУ ВО МАДИ (работы В.И. Шестерикова и В.А. Астрова). В.И. Шестериковым совместно с Центром испытаний ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ» проведено множество экспериментов, на основе которых, предложен ряд эмпирических коэффициентов подобия [50, 51]. В.А. Астров исследовал работу ограждений с точки зрения уравнения баланса энергии [2], а также предложил методику расчета на ЭВМ [1]. Методику расчета ограждений, устанавливаемых на мостовых сооружениях, предложил Е.Е. Гибшман [4]. Исследованием ДО в эксплуатации занимались В.П. Залуга [25] и В.А. Каро-Маде [30]. Известны работы СоюзДорНИИ [46], также
8 посвященные старым конструкциям ТДО.
Все предложенные методики оценки работы ДО содержали ряд допущений, которые не применимы при исследовании механики тросовых дорожных ограждений. Первое и наиболее существенное допущение, что автомобиль не влияет на процесс наезда, и его можно представить, как жесткое целое. Такое предположение было во многом справедливо, для парапетных и барьерных ограждений.
Отличительной особенностью столкновений с тросовыми ограждениями является небольшая площадь контакта автомобиля и ограждения, с суммарной площадь перекрытия не превышающей 20%. В этом случае локальные процессы, например, взаимодействие стойки и подвески ТС, начинают определять поведение системы в целом. Вторым допущением разработанных методик является использованные модели материала: бетонные блоки рассматривались как абсолютное жесткие, а для балки применялась модель идеальной текучести с единственным пластическим шарниром. В отличие от балки, трос работает при больших перемещениях со сложной геометрией в каждый момент времени. Большие перемещения троса и пластические деформации стоек ограждений делают задачу существенно нелинейной. Поэтому описанные выше подходы не могут быть применимы для исследования современных ТДО.
В настоящее время основными инструментами при решении задач нелинейной строительной механики являются численные методы, которые позволяют производить диагностику, предсказывать теоретические значения удерживающей способности ограждений, и определять, как меняются характеристики ограждений в зависимости различных от событий, произошедших с ограждением, например, наезд автомобиля с частичной потерей удерживающей способности.
За рубежом исследования ДО проводятся в научных центрах США (George Washington University, University of Nebraska–Lincoln), близкие исследования проводятся в Department of Mechanical Engineering, The University of Sheffield в ряде других научных центров, где впервые начали применять численные методы в том числе, метод конечных элементов (МКЭ) для исследования работы различных
конструкций ДО.
Работы различных авторов, в основном, зарубежных, по вопросам механики
поведения различных элементов конструкций ТДО (тросов, стоек и т.д.) и их анализ, а также сравнения с разработками настоящего исследования будут подробнее рассмотрены в следующих главах.
Однако здесь следует сказать, что представленные исследования, начатые автором практически 10 лет назад и базирующиеся на работах МАДИ (рук. проф. И.В. Демьянушко), начатых в 2010 г., основываются уже на новых современных представлениях о симуляционном цифровом моделировании динамических процессов деформирования конструкций при ударе. Разработка теоретических основ механики поведения конструкций ТДО и разработка физико-математических моделей с учетом отечественной практики (дорожных условий, материалов, нагрузок), методы валидации и верификации моделей, разработка современных требований к конструкциям и их испытаниям, потребовали дальнейшего развития. Без проведения этих исследований интенсивное внедрение новых конструкций ТДО, обеспечивающих безопасность на дорогах при увеличивающейся интенсивности движения и нагруженности, не представляется возможным.
Целью диссертационной работы является разработка обоснованных методов проектировочного расчета и виртуальных цифровых испытаний тросовых дорожных ограждений (ТДО) с использованием современных математических методов конечно-элементного моделирования нелинейных динамических процессов соударения деформируемых конструкций на основе анализа механики работы элементов с построением физико-математических моделей элементов ТДО, учетом поведения материалов в комплексной системе «транспортное средство- дорога-ограждение», разработка методик валидации и верификации этих моделей с использованием аналитических и экспериментальных решений, применение полученных моделей для исследования влияния параметров ТДО на их потребительские характеристики, разработка рекомендаций и требований к конструкциям. Задачи диссертационного исследования. Для выполнения поставленной
цели потребовалось решение следующих задач:
− проведения анализа существующих зарубежных и отечественных
конструкций ТДО, их элементов, условий работы, материалов, выявление особенностей работы различных элементов при ударном наезде ТС, требований, предъявляемых к этим конструкциям;
− проведение критического анализа существующих аналитических и численных моделей ударного взаимодействия автомобилей с тросовыми системами, методов решений, рассмотрение численных схем и алгоритмов решения, анализа обоснованности применения методов механики и МКЭ к решению задачи удара по различным элементам ТДО, в том числе, удара по тросам;
− разработка собственной программы расчета удара материальной точки по тросовому дорожному ограждению конечной длины с использованием расчетной системы Wolfram Mathematica, для оценки основных характеристик механики ТДО для некоторых случаев удара с учетом динамики троса и для обоснования правильности выбора программного комплекса для полного решения задачи;
− разработки и обоснования цифровых моделей основных элементов ТДО (тросов, стоек) для конструкций ТДО различной конфигурации на основе расчетно- экспериментального КЭ анализа и обобщения данных экспериментальных исследований, в разработке, проведении и валидации которых участвовал автор;
− разработки окончательной методики типовых виртуальных цифровых испытаний конструкций ТДО с анализом всех характеристик конструкций и сравнением с данными натурных испытаний, что позволяет оценить точность разработанных моделей ТДО, их окончательную валидацию, разработать методику верификацию решений и провести исследования поведения некоторых типовых конструкций ТДО при ударе ТС;
− установление влияния различных геометрических характеристик элементов ТДО, материалов и конструктивов, усилий натяжения в тросах на основные рабочие параметры и удерживающую способность, путем сравнительного параметрического анализа на основе разработанной методики виртуальных испытаний для формулировки рекомендаций по требованиям к конструкциям,
необходимым для проектирования, устройства, обеспечения безопасности и соответствия нормативной документации.
Объектом исследования являются конструкции тросовых дорожных ограждений, предназначенных для удержания транспортных средств, которые по каким-либо причинам отклоняются от курса и наезжают со значительным ударным воздействием на конструкцию ТДО.
Предметом исследования являются: механика поведения конструкций тросовых дорожных ограждений при ударном взаимодействии с транспортным средством и математические модели расчета параметров ТДО, а также и виртуальные цифровые симуляционные испытания и модели испытаний ТДО и их элементов с учетом материалов в системе ТС -дорога -ТДО, зависимости рабочих характеристик ТДО от конструктивно-технологических параметров, выявленные путем расчетного анализа.
Научная новизна работы. Основным результатом работы является развитие методик и алгоритмов оценки динамического поведения тросовых дорожных ограждений при ударном взаимодействии с транспортным средством:
− впервые проведена классификация российских конструкций тросовых ограждений с описанием механики работы с учетом специфики отечественных конструкций, материалов и дорожных условий;
− впервые в отечественной инженерной практике разработана современная типовая цифровая динамическая виртуальная валидированная модель тросового дорожного ограждения, которая, благодаря высокой степени адекватности, позволяет изучать параметры безопасности и динамические характеристики ограждения. Учтены особенности российских конструкций работы стоек ограждения до разрушения;
− с участием автора проведены оригинальные экспериментальные исследования, примененные для валидации созданных и использованных математических моделей элементов системы наезда ТС на ТДО;
− изучена структура энергопоглощения в системе наезда ТС на ТДО, позволяющая сформулировать условия верификации расчетов, и с помощью
многовариантного исследования впервые обоснованно изучены зависимости характеристик работы и безопасности конструкции в зависимости от параметров ТС (коэффициентов трения, и т. д.) и параметров ТДО (удерживающей способности, динамических прогибов и т.д.).
Теоретическая значимость работы. Заключается в развитии методов решения задач ударного взаимодействия ТС с ТДО с учетом особенностей российских конструкций, исследований и формулировки требований к физико- математическим моделям элементов конструкций ТДО в том числе с учетом разрушения стоек, а также системы ТС-ДОРОГА-ТДО, формулировке и проверке требований к валидации численных моделей конструкций и материалов в системе, обоснование всех моделей и методов, демонстрация рационального валидированного использования программных комплексов нелинейной динамики для решения задачи.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
− на основании диссертационной работы был составлен и утвержден стандарт – ОДМ 218.6.016–2015 ФДА «РОСАВТОДОР» «Рекомендации по применению компьютерного моделирования для анализа тросовых ограждений методом конечных элементов», позволяющий проектировать и испытывать виртуальные
модели конструкций ТДО;
− на основании проведенных исследований сформулированы основные
технические требования к ТДО, а также выявлены взаимосвязи между основными параметрами системы ТС- дорога- ТДО, которые используются в практической экспертной деятельности ООО «МиПК» и МАДИ;
− разработанная методика виртуального анализа ТДО позволила провести ряд проектных расчетов для отраслевых предприятий (ООО Предприятие «ПИК», АО «Точинвест»), в частности, на основе расчетных исследований разработан совместно с ООО «ЭНЕРГОСЕРВИС» новый инновационный трос с пластическим обжатием, что позволило совместно с АО «Точинвест» создать новый отечественный продукт – 3-х тросовое ТДО на удерживающую способность 350 кДж [18];
− проведенные исследования явились основой для разработки нормативных
отраслевых дорожных методик (ОДМ) и разделов ГОСТ по техническим требованиям и испытаниям дорожных ограждений (обновленная окончательная редакция ГОСТ 33 18 и ГОСТ 33 129 – www.niimech.ru);
− материалы работы легли в основу стандарта СТО предприятия ООО «МИП НИИ Механики и проблем качества» No 45029946-001 -2018 «Методика проведения виртуальных испытаний боковых дорожных удерживающих ограждений»;
− разработанный метод используется в практической деятельности аккредитованной «Лаборатории испытаний элементов дорожного обустройства» ООО «МиПК» (No RA.RU21HH88 от 25.12.18 – www.niimech.ru);
− результаты легли в основу гранта ГРЦТС10-D5/56182 от 18.12.2019 г. о проведении научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ (НИОКР) по теме: «Разработка системы информационного цифрового валидированного моделирования аварийныхситуаций при наездах транспортных средств на дорожные системы безопасности различных конструкций».
Методология и методы исследования. Методологической основой диссертационной работы являлись исследования в области численного моделирования и анализа механики поведения конструкций в системе «ТС-дорога- ТДО» на основе метода конечных элементов (МКЭ) в нелинейной постановке с учетом большого количества контактных взаимодействий. Для моделирования использовалась реализация МКЭ в лицензионном программном комплексе LS- DYNA (Лицензия SIC Research Institute of mechanical and quality problems No2034). Для валидации математических моделей использовались экспериментальные методы статического и динамического нагружения для имитации работы отдельных элементов конструкций ТДО, а также методы натурных испытаний ТДО с использованием данных аккредитованного испытательного центра НИЦИАМТ ФГУП НАМИ. Для анализа решений использована разработанная автором программа расчета удара по тросу с использованием Wolfram Mathematica.
14 Личный вклад автора диссертации:
− впервые на современном уровне проведен анализ механики работы тросовых дорожных ограждений при наезде транспортных средств с ударным воздействием путем разработки и реализации метода виртуального анализа нелинейной динамики удара с анализом механики поведения отдельных элементов конструкций, материалов в конструкциях, с разработкой системы валидации цифровых физико-математических моделей системы – «ТС-дорога-ТДО»;
− творческое участие и обработка данных валидационных испытаний, разработка системы верификации решений; разработка методики расчета удара по ТДО с использованием Wolfram Mathematica;
− представленная в диссертационной работе постановка задачи исследования, включающая численное моделирование конструкций и обработку кинограмм и результатов виртуальных испытаний, проведение расчетных исследований различных конструкций ТДО, сравнение, анализ и апробация полученных результатов, разработка методики расчета закрытых стоек с разрушением были выполнены лично автором;
− на основе разработанных методик и моделей проведено исследование влияния различных параметров ТДО на его характеристики и эффективность;
− разработаны рекомендации по конструкциям и расчетному анализу, а также рекомендации по усовершенствованию нормативной документации для ТДО.
Степень достоверности результатов исследования достигается корректной постановкой задачи в рамках механики деформированного твердого тела и строительной механики, строгостью используемого математического аппарата, обоснованным применением современного численного метода (МКЭ) для решения задачи нелинейной динамики. Точность полученных численных моделей была проверена путем сравнительного анализа результатов работы модели с экспериментальными данными, полученными в процессе проведения стендовых, лабораторных и натурных испытаний, а также с помощью разработанной автором программы. Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были
доложены на:
− Международной конференции «Машиноведение и инновации. Конференция
молодых учёных и студентов» МИКМУС-2013, 2017, 2019, 2020, Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН [16, 18, 20, 48];
− I-II-ой Российской научно-практической конференция “Инженерные технологии MSC Software для высших учебных заведений”, 2015 г., 2016 г [16-17]; − Восемнадцатой Международной межвузовской научно-практическую конференцию студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых “Строительство – формирование среды жизнедеятельности 2015» НИУ
«Московский государственный строительный университет» [31];
− XIV, XV, XVI, XVII конференциях пользователей систем MSC Software, 2012-2014 г;
− 72-75 Научно – методические и научно-исследовательская конференция МАДИ, 2013-2017 г., Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ);
− Международной конференции – International conference “Dynamical systems – theory and application (SDSTA-2017), Lodz, Poland, 11-14 Deсember 2017 [74];
− Международной конференции – The 15th IFToMM World Congress “Computational simulation and experimental study of cable for cable barriers”, Krakow, Ploand, June 30 – July 4, 2019 [75, 76].
Публикации. Материалы диссертации достаточно полно изложены в 16 научных публикациях, из которых 3 работы [13, 15, 19] опубликованы в журналах, включенных в Перечень рецензируемых научных изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук (Перечень рецензируемых научных изданий), и 4 работы [75-78] опубликованы в журналах, индексируемых в международных реферативных базах Scopus, Web of Science и других.
На защиту выносятся:
− классификация конструкций тросовых дорожных ограждений с описанием механики работы и учетом специфики отечественных конструкций, материалов, дорожных условий, и отличий от зарубежных аналогов;
− критический обзор существующих подходов и методов расчетного анализа ТДО, формулировка основных требований к современным методам расчета на основе рассмотрения нелинейной механики работы конструкций при ударном взаимодействии с транспортными средствами, и на этой основе представление формулировки общего метода и принципов виртуального цифрового анализа с построением физико-математических моделей системы «ТС-дорога-ТДО» и основных элементов этой системы;
− разработанная упрощенная программа расчетного анализа удара по ТДО с использованием Wolfram Mathematica, служащая для исследования основных закономерностей поведения тросовой системы и обоснования выбора программного комплекса для решения общей задачи;
− обоснованные валидированные цифровые модели основных элементов ТДО (тросов, стоек) для конструкций ТДО различной конфигурации на основе расчетно- экспериментального КЭ анализа и обобщения данных экспериментальных натурных и стендовых испытаний;
− методика типовых виртуальных цифровых испытаний конструкций ТДО, основанная на разработанном методе с анализом характеристик конструкций. Сравнение с данными натурных испытаний и верификация моделей, позволяющие оценить точность разработанных моделей ТДО. Проведение исследования поведения конструкций при ударе ТС, на основании которого сформулированы рекомендации по инновационным отечественным конструкциям ТДО;
− параметрический анализ влияния различных геометрических характеристик элементов ТДО, материалов и конструктивов, усилий натяжения в тросах на основные рабочие параметры и удерживающую способность, проведенный на основе разработанного метода виртуальных цифровых испытаний ТДО;
− сформулированные рекомендации и требования к конструкциям ТДО и их 17
элементов, необходимые для проектирования, устройства, обеспечения
безопасности и нормативной документации.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из
введения, 4 глав, заключения, списка литературы (из 106 наименований). Общий объем диссертации составляет 151 страницы, включая 8 таблиц, 108 рисунков.
Автор выражает благодарность своему научному руководителю профессору, доктору технических наук Ирине Вадимовне Демьянушко, коллективам кафедры «Строительная механика» ФГБОУ ВО МАДИ и ООО «МИП НИИ Механики и проблем качества» за оказанную поддержку и помощь при выполнении данной работы.
Читать «Механика конструкций тросовых дорожных ограждений при ударном взаимодействии с транспортным средством и разработка математических моделей расчета»
Помогаем с подготовкой сопроводительных документов
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
4.8 (2878 отзывов)
5 (188 отзывов)
5 (8 отзывов)
4.5 (330 отзывов)
4.7 (46 отзывов)
5 (18 отзывов)
4.9 (35 отзывов)
4.8 (9 отзывов)
4.9 (343 отзыва)
