Исследования механики конструкций тросовых дорожных ограждений при ударном взаимодействии с транспортным средством и разработка математических моделей расчета
ВВЕДЕНИЕ 2
Глава 1. ТРОСОВЫЕ ОГРАЖДЕНИЯ. ИСТОРИЯ, ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ 17
1.1 Обзор конструкций ТДО 17
1.2 Основные элементы тросовых ограждений и их классификация 23
1.3 Принципы работы тросовых ограждений 29
1.4 Выводы по Главе 1 39
Глава 2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗАДАЧИ ДИНАМИКИ ТРОСОВЫХ ОГРАЖДЕНИЙ ПРИ УДАРЕ 41
2.1 Обзор работ по исследованию тросовых дорожных ограждений 41
2.2 Аналитические модели ТДО 42
2.3 Разработка решения задачи соударения материальной точки и тросового ограждения с использованием Wolfram Mathematica 51
2.4 История использования программных комплексов КЭ анализа и их применения в задачах соударения с дорожными ограждениями 62
2.5. Особенности построение общей модели ТДО с использованием программы LS-DYNA 66
2.6 Выводы по Главе 2 82
Глава 3. ВЕРИФИКАЦИЯ И ВАЛИДАЦИЯ МОДЕЛЕЙ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИИ ОГРАЖДЕНИЯ. ВАЛИДАЦИЯ ПОЛНОЙ МОДЕЛИ ОГРАЖДЕНИЯ 84
3.1. Исследование характеристик отечественной конструкции троса для построения цифровой модели и разработки усиленного троса. 84
3.2 Исследования модели стойки. Валидация стойки. 93
3.3 Валидация общей КЭ модели тросового ограждения 108
3.4 Выводы по Главе 3 116
Глава 4. Многовариантные исследования динамического поведения тросового ограждения 118
4.1 Постановка задачи и цели исследования 118
4.2 Влияние конструктивных параметров ограждения на рабочие характеристики 120
4.3 Влияние параметров транспортного средства 129
4.4 Практическое применение моделей виртуального анализа ТДО 136
4.6 Выводы по Главе 4 138
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 141
Литература
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 [85]. 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 [85]. 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.
В ходе выполнения диссертационной работы была 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 по динамике удара транспортных средств при нарушении их движения по конструкциям тросовых дорожных ограждений различного типа, как зарубежных, так и отечественных. По результатам этого анализа были поставлены задачи, основной целью которых являлось решение малоисследованных проблем, стоящих на пути создания единой научно обоснованной и практически значимой методики виртуального проектного анализа и испытаний тросовых дорожных ограждений на ударные нагрузки для отечественного дорожного строительства.
По итогам диссертации можно сделать следующие выводы:
1. Проведен подробный ретроспективный анализ конструкций тросовых дорожных ограждений (зарубежных и отечественных) и показана важность и актуальность сформулированных задач исследований диссертации. Проведен анализ основных работ по теме диссертации и выявлен ряд малоисследованных проблем расчета динамики тросовых дорожных ограждений на ударную нагрузку. Одними из важнейших неучтённых особенностей является динамика самого троса, а также 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 цифровая модель, позволяющая исследовать волновую картину в тросе на плоскости. В результате проведенных исследований сделан вывод, что наибольшее значение процесс распространения волн имеет только при длинах ограждения, превышающих 600 метров. 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. Для программного комплекса LS-DYNA сформулирована основания методика расчета элементов ТДО, выбраны модели материалов, типы элементов.
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. Для стоек был проведен эксперимент на статическое нагружение. Для выбранных моделей тросов и стоек была проведена процедура валидации. одна из моделей (балочная) показала наиболее оптимальную работу по сравнению с остальными. Для стоек с концентраторами напряжений предложена методика расчета раскрытия трещины на сетках с характерным размером 10 мм. На основании моделей компонентов разработаны методики расчета полномасштабных моделей ограждения для различных типов стоек, проведена процедура валидации методики. В разработанных моделях погрешность определения прогибов и предельных ускорений не превысила 15%.
4. На основе проведенных расчётов были исследованы требования ГОСТ 33129 к испытанию дорожных ограждений, а также исследованы зависимости между различными параметрами ограждений и их рабочими характеристиками, на основании чего сделаны следующие выводы:
- Длина троса в 183 метра не является предельной с точки зрения прогибов, поэтому при установке реальных конструкций на дорогах необходим поправочный коэффициент, учитывающий длину;
- Допуски на параметры транспортного средства приводят к изменениям прогиба ограждений до 10%, что в совокупности может существенно влиять на результат;
- В ГОСТ никак не отражается величина трения, которая существенно меняет механику удара об ограждение;
- Наиболее опасным местом удара автомобиля в ограждения является область стойки.
В результате экспериментальных и расчетных исследований было получено, что трос совместного производства ООО «Энергосервис» и ОАО «Северсталь-метиз» обладает значительным запасом по прочности. На основании чего была разработана 3х тросовая конструкция ограждений на уровень удерживающей способности У5 (350 кДж).
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
