📄Работа №75935
Тема: Исследования механики конструкций тросовых дорожных ограждений при ударном взаимодействии с транспортным средством и разработка математических моделей расчета
Тип работы
Диссертация
Предмет
механика
Объем:
156 листов
Год:
2021
Просмотров:
594
9100
руб.
🛒 Купить работу
Не подходит эта работа?
Закажите новую по вашим требованиям
Узнать цену на написание
Закажите новую по вашим требованиям
Представленный материал является образцом учебного исследования, примером структуры и содержания учебного исследования по заявленной теме. Размещён исключительно в информационных и ознакомительных целях.
Workspay.ru оказывает информационные услуги по сбору, обработке и структурированию материалов в соответствии с требованиями заказчика.
Размещение материала не означает публикацию произведения впервые и не предполагает передачу исключительных авторских прав третьим лицам.
Материал не предназначен для дословной сдачи в образовательные организации и требует самостоятельной переработки с соблюдением законодательства Российской Федерации об авторском праве и принципов академической добросовестности.
Авторские права на исходные материалы принадлежат их законным правообладателям. В случае возникновения вопросов, связанных с размещённым материалом, просим направить обращение через форму обратной связи.
Настоящий учебно-методический информационный материал размещён в ознакомительных и исследовательских целях и представляет собой пример учебного исследования. Не является готовым научным трудом и требует самостоятельной переработки.
📋 Содержание
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
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
📖 Введение
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.
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 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 улара 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.
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.
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 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 улара 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.
✅ Заключение
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).
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).
ИЛИ
Поиск аналога
📕 Список литературы
🛒 Оформить заказ
⚡ Работу высылаем в течении 5 минут после оплаты.