Численное и экспериментальное исследование поведения защитного сооружения при ударном воздействии

Введение. В связи с постоянно существующими угрозами умышленного повреждения инфраструктуры критически важных объектов с применением автотранспортных средств становится актуальной и представляет практический интерес задача по разработке и исследованию защитных сооружений, направленных на предотвращение такого рода ущерба. Обосновано применение стальных канатов в качестве основных несущих элементов подобных сооружений.

Материалы и методы. Проведено с помощью предложенного численного алгоритма определение минимально допустимой площади поперечного сечения стальных канатов исходя из требований, предъявляемых к защитному сооружению по стойкости к ударному воздействию, вызванному наездом автомобиля с заданной массой и скоростью движения. В основу разработанного метода положено математическое моделирование задачи условной оптимизации. В качестве целевой функции выступала функция продольного усилия, возникающего в стальных канатах. Вместе с тем предъявлялись требования по соблюдению условий сохранения энергии и неразрывности деформаций, а также ограничения прочности. Выполнен поверочный расчет проектируемого защитного сооружения в коммерческом программном комплексе, реализованном на общепризнанном методе конечных элементов. Представлена методика осуществления натурного эксперимента. Проведен полномасштабный натурный эксперимент с целью определения истинного распределения деформаций по конструктивным элементам объекта испытания при ударном воздействии.

Результаты. Представлены результаты экспериментального исследования. Выполнен сравнительный анализ данных, полученных в процессе численного и компьютерного моделирования, а также в ходе проведения натурного испытания. Установлено незначительное расхождение в значениях контролируемых параметров, полученных разными методами.

Выводы. Предложенный численный алгоритм по поиску минимально допустимой площади поперечного сечения стальных канатов, исходя из требования заданной прочности, подтвердил свою надежность, а принятые конструктивные решения разработанного защитного сооружения свою обоснованность. Результаты исследования могут найти применение при проектировании подобных инженерных сооружений, предназначенных для физической защиты особо важных объектов.

1. Минаев В.А., Сычев М.П., Севрюков Д.В., Дудоладов В.А. Некоторые аспекты оценки характеристик и применения противотаранных устройств // Вопросы оборонной техники. Серия 16: Технические средства противодействия терроризму. 2018. № 7-8(121-122). С. 45–51. EDN XWCDLV.

2. Tran P., Linforth S., Ngo T., Lumantarna R., Nguyen T. Design analysis of hybrid composite anti-ram bollard subjected to impulsive loadings // Composite Structures. 2018. Vol. 189. Pp. 598–613. DOI: 10.1016/j.compstruct.2018.01.093

3. Шнякина Е.А. Имитационная модель оценки эффективности систем физической защиты объектов // Автоматизация. Современные технологии. 2023. Т. 77. № 6. С. 263–268. DOI: 10.36652/0869-4931-2023-77-6-263-268 EDN LVJLXB.

4. Костин В.Н. Методика формирования элементов структуры организационного управления систем физической защиты на основе информационного подхода // Труды Института системного анализа Российской академии наук. 2020. Т. 70. № 1. С. 30–39. DOI: 10.14357/20790279200104 EDN DMVROZ.

5. Костин В.Н. Задачи концептуального проектирования физической защиты критически важных объектов // Проблемы информационной безопасности. Компьютерные системы. 2020. № 1. С. 58–67. EDN UPNQEB.

6. Демьянушко И.В., Михеев П.С., Медведев М.М. Особенности конструкций дорожных мобильных фронтальных ограждений и расчеты при проектировочном анализе // Автомобиль. Дорога. Инфраструктура. 2022. № 2 (32). EDN WUGDLP.

7. Zhang Y., Li R., Heng K., Hu F. Dynamic behaviors of optimized K12 anti-ram bollards // Symmetry. 2022. Vol. 14. Issue 8. P. 1703. DOI: 10.3390/sym14081703

8. Bruski D., Burzyński S., Witkowski W. Analysis of passenger car crash with a cable barrier installed with anti-glare screens on a horizontal convex road curve with 400 m radius // International Journal of Impact Engineering. 2023. Vol. 173. P. 104486. DOI: 10.1016/j.ijimpeng.2022.104486

9. Carter S.D., Rilett L.R. Evaluation of department of defense installation entry control facilities using microsimulation // Transportation Research Record. 2023. Vol. 2677. Issue 3. Pp. 128–144. DOI: 10.1177/03611981221114116

10. Salem S., Campidelli M., El-Dakhakhni W., Tait M. Resilience-based design for blast risk mitigation: Learning from natural disasters // Resilient structures and infrastructure. 2019. Pp. 177–194. DOI: 10.1007/978-981-13-7446-3_7

11. Ивченко В.И., Шмелёв А.В., Талалуев А.В., Омелюсик А.В. Методические рекомендации по топологической оптимизации силовых конструкций с применением средств численного моделирования // Механика машин, механизмов и материалов. 2022. Vol. 4 (61). Pp. 68–79. DOI: 10.46864/1995-0470-2022-4-61-68-79. EDN FIHNIA.

12. Chen X., Agrawal A., El-Tawil S., Xu X., Cao R., Wong W. Inelastic behavior of a bridge bent subjected to truck impact: Experimental and computational study // Engineering Structures. 2019. Vol. 199. Issue 6. P. 109543. DOI: 10.1016/j.engstruct.2019.109543

13. Chen L., Wu H., Liu T. Vehicle collision with bridge piers: A state-of-the-art review // Advances in Structural Engineering. 2021. Vol. 24. Issue 2. Pp. 385–400. DOI: 10.1177/1369433220953510

14. Jalaluddin N.F.M., Said C.S. Sorotan Literatur Kajian kes penggunaan metod TRIZ dalam menyelesaikan masalah // Rumpun Jurnal Persuratan Melayu. 2021. Vol. 9. Issue 2. Pp. 48–57. URL: https://rumpunjurnal.com/jurnal/index.php/rumpun/article/view/145

15. Kamel H. Review of design techniques of armored vehicles for protection against blast from improvised explosive devices // ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition. American Society of Mechanical Engineers. 2019. Vol. 83501. P. V013T13A001. DOI: 10.1115/IMECE2019-10227

16. Ma J., Guo Y. Stress analysis of steel wire in strand based on optical lever principle and finite element calculation // Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering. 2020. Vol. 42. Pp. 1–10. DOI: 10.1007/s40430-019-2120-1

17. Gurevich L., Danenko V., Bogdanov A., Kulevich V. Analysis of the stress-strain state of steel closed ropes under tension and torsion // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2022. Vol. 118. Issue 1–2. Pp. 15–22. DOI: 10.1007/s00170-021-07128-w

18. Palit P., Kushwaha S., Mathur J., Chaturvadi A. Life cycle assessment of wire rope used in crane application in a steel plant // Journal of failure analysis and prevention. 2019. Vol. 19. Issue 3. Pp. 752–760. DOI: 10.1007/s11668-019-00655-5

19. Eremeev P.G., Vedyakov I.I., Zvezdov A.I. Suspension large span roofs structures in Russia // International Journal for Computational Civil and Structural Engineering. 2021. Vol. 17. Issue 2. Pp. 34–42. DOI: 10.22337/2587-9618-2021-17-2-34-41. EDN NBSNNA.

20. Jiang Z., Liu X., Shi K., Lin Q., Zhang Z. Catenary equation-based approach for force finding of cable domes // International Journal of Steel Structures. 2019. Vol. 19. Pp. 283–292. DOI: 10.1007/s13296-018-0117-8

21. Jia L., Zhang C., Jiang Y.M., Cheng J., Xiao R. Simplified calculation methods for static behaviors of triple-tower suspension bridges and parametric study // International Journal of Steel Structures. 2018. Vol. 18. Issue 2. Pp. 685–698. DOI: 10.1007/s13296-018-0028-8

22. Song T., Wang B., Song Y. A simplified calculation method for multi-tower self-anchored suspension bridges based on frame structure theory model // International Journal of Steel Structures. 2022. Vol. 22. Issue 1. Pp. 373–388. DOI: 10.1007/s13296-022-00581-7

23. Сиянов А.И., Ярошевич Д.К. Расчет цилиндрических сетчатых покрытий с учетом уравнений движения // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2023. Т. 25. № 3. С. 112–119. DOI: 10.31675/1607-1859-2023-25-3-112-119. EDN JCAXAA.

24. Тарасов Д.А., Коновалов В.В., Данилов А.Л., Бобылев А.И. Определение области несущей способности гибкой нити при действии поперечного удара // XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс. 2021. Т. 10. № 2 (54). С. 40–43. DOI: 10.46548/21vek-2021-1054-0007. EDN FKUILU.

25. Тарасов Д.А. Параметрическая оптимизация стальных канатов при действии поперечного удара // XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс. 2015. № 2 (24). С. 56–62. EDN TYVZHD.