Цифровое моделирование разрушения в элементах дорожных ограждений при ударном наезде автомобиля

Введение. Одним из эффективных средств снижения тяжести последствий дорожно-транспортных происшествий (ДТП) на автомобильных дорогах является установка дорожных ограждений (ДО) различного типа. Надежность ДО определяется способностью сопротивляться разрушению при ударе автомобиля и сохранять свою функциональность для различных случаев наезда. Анализ существующих зарубежных и отечественных методов моделирования процессов столкновений показал, что предельным состоянием конструкций ДО при ударе автомобиля обычно считается достижение какого-либо предельного значения механических характеристик материала ДО. Моделирование разрушения элементов ДО, а также оценка их работы после достижения материалом предельных характеристик в момент локализации деформаций связаны с необходимостью учета разрушения в физико-математических моделях материала ДО, что необходимо для объективной оценки работы конструкций ДО как при проектировании, так и при сертификационном анализе.

Материалы и методы. В качестве объекта исследования выбраны барьерные и фронтальные ограждения. Для достижения высокой точности результатов применен подход с валидацией моделей по схеме «материал – деталь – изделие». С целью построения участка истинной диаграммы на участке локализации деформации был использован феноменологический закон упрочнения Хоккетта и Шерби. Оценка разрушения производилась по критерию эффективных пластических деформаций, а также с помощью модели накопления поврежденности GISSMO. Валидация разработанных отдельных элементов конструкций ограждений проводилась на основе стендовых испытаний.

Результаты. Определены основные параметры моделей материалов и модели накопления поврежденности GISSMO, разработаны валидированные модели ключевых элементов исследуемых конструкций ограждений. Выполнены полномасштабные виртуальные испытания исследуемых конструкций ограждений с использованием разработанных валидированных элементов, которые показали хорошую сходимость с натурным экспериментом.

Выводы. В результате анализа выявлено, что наибольшей точностью в описании разрушения элементов конструкций дорожных ограждений обладает подход с применением модели накопления поврежденности GISSMO. Для разработки валидированных моделей конструкций ограждений целесообразно использовать обратный метод и проводить валидацию отдельных элементов посредством стендовых испытаний.

1. Сторожев С.А., Логинов В.Ю., Аристархова А.Н. Влияние сертификации дорожных ограждений на безопасность дорожного движения // Безопасность дорожного движения. 2022. № 2. С. 52–56. EDN OWTHRQ.

2. Андреев К.П., Борычев С.Н., Терентьев В.В., Шемякин А.В. Дорожные ограждения: современные решения для повышения безопасности движения // Грузовик. 2021. № 6. С. 43–48. EDN JXOXJJ.

3. Андреев К.П., Терентьев В.В., Шемякин А.В. Применение дорожного энергопоглощающего ограждения для повышения безопасности движения // Транспорт. Транспортные сооружения. Экология. 2018. № 1. С. 5–12. DOI: 10.15593/24111678/2018.01.01. EDN YVGQRA.

4. Qiao W., Huang E., Guo H., Liu Y., Ma X. Barriers involved in the safety management systems: a systematic review of literature // International Journal of Environmental Research and Public Health. 2022. Vol. 19. Issue 15. P. 9512. DOI: 10.3390/ijerph19159512

5. Сунгатуллина К.А. Условия и факторы, влияющие на безопасность дорожного движения на современном этапе // Вестник НЦБЖД. 2022. № 2 (52). С. 126–135. EDN UKXUKI.

6. Дергунов С.А., Орехов С.А., Тарановская Е.А., Самигуллин Н.Р. Дорожные ограждения, рассеивающие энергию удара // Тенденции развития науки и образования. 2017. № 26–4. С. 69–71. DOI: 10.18411/lj-31-05-2017-72. EDN ZCNFPT.

7. Тавшавадзе Б.Т. Разработка и обоснование методологии расчетов, испытаний и сертификации дорожных удерживающих ограждений барьерного типа : дис. … канд. техн. наук. М., 2019. 147 с. EDN CNLKWQ.

8. Карпов И.А. Механика конструкций тросовых дорожных ограждений при ударном взаимодействии с транспортным средством и разработка математических моделей расчета : дис. … канд. техн. наук. М., 2021. 151 с. EDN YANQXS.

9. Демьянушко И.В., Карпов И.А., Тавшавадзе Б.Т., Титов О.В., Михеев П.С., Самигуллин Л.Ф. Цифровое моделирование механики поведения энергопоглощающих элементов дорожных фронтальных ограждений при ударе // Вестник Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ). 2023. № 3 (74). С. 20–30. EDN FIWFLE.

10. Borovinšek M., Vesenjak M., Ulbin M., Ren Z. Simulation of crash tests for high containment levels of road safety barriers // Engineering Failure Analysis. 2007. Vol. 14. Issue 8. Рр. 1711–1718. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2006.11.068

11. Тавшавадзе Б.Т., Локить А.Г. Перспектива применения парапетных дорожных ограждений. Современные методы их расчета // Автомобиль. Дорога. Инфраструктура. 2022. № 2 (32). EDN SZMJSM.

12. Кисельков А.Л., Шукюров А.О. Методические рекомендации к расчетной оценке прочности дорожных ограждений на основе компьютерного моделирования процессов // Актуальные вопросы машиноведения. 2020. Т. 9. С. 124–130. EDN WSJTHE.

13. Mohan P., Marzougui D., Meczkowski L., Bedewi N. Finite element modeling and validation of a 3-strand cable guardrail system // International Journal of Crashworthiness. 2005. Vol. 10. Issue 3. Рр. 267–273. DOI: 10.1533/ijcr.2005.0345

14. Tran Thanh T., Tso-Liang T. Analysis of truck crashes with W-beam guardrail // Acta Technica Jaurinensis. 2023. Vol. 16. Issue 3. Рр. 107–115. DOI: 10.14513/actatechjaur.00690

15. Gheres M.I., Scurtu I.L. Crash testing and evaluation of W-beam guardrail using finite elements method // IOP Conference Series : Materials Science and Engineering. 2022. Vol. 1220. Issue 1. P. 012049. DOI: 10.1088/1757-899X/1220/1/012049

16. Демьянушко И.В., Карпов И.А., Михеев П.С., Мухаметова А.А. Цифровое моделирование работы мобильного фронтального устройства с прогнозируемым разрушением // XXXII Междунар. инновационная конф. молодых ученых и студентов по проблемам машиноведения : сб. тр. конф. 2021. С. 48–53. EDN YVKVJB.

17. Ray M.H., Plaxico C.A., Engstrand K. Performance of W-beam splices // Transportation Research Record: Journal of the Transportation Research Board. 2001. Vol. 1743. Issue 1. Рр. 120–125. DOI: 10.3141/1743-16

18. Биргер И.А., Мавлютов Р.Р. Сопротивление материалов : учебное пособие. М. : Наука, 1986. 560 с.

19. Монахов А.Д., Гуляев М.М., Гладышева Н.Е., Коптельцева О.Ю., Автаев В.В., Яковлев Н.О. и др. Применение метода корреляции цифровых изображений для построения диаграмм деформирования в истинных координатах // Известия высших учебных заведений. Цветная металлургия. 2023. Т. 29. № 3. С. 79–88. DOI: 10.17073/0021-3438-2023-3-79-88. EDN KIDSEJ.

20. Ilg C., Liebold C., Sreenivasa V., Haufe A., Karadogan C., Liewald M. Displacement based simulation and material calibration based on digital image correlation part II — application // IOP Conference Series : Materials Science and Engineering. 2023. Vol. 1284. Issue 1. P. 012056. DOI: 10.1088/1757-899X/1284/1/012056

21. Ilg C., Witowski K., Koch D., Roehl Suanno P., Haufe A. Constitutive model parameter identification via full-field calibration // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2019. Vol. 651. Issue 1. P. 012070. DOI: 10.1088/1757-899X/651/1/012070

22. Васильев Б.Е., Волков М.Е., Бредихина Е.Н., Плещеев И.И. Построение расчетных кривых деформирования в обеспечение наполнения банка данных по конструкционной прочности материалов авиационных двигателей // Materials Physics and Mechanics. 2019. Т. 42. № 5. С. 656–670. DOI: 10.18720/MPM.4252019_19. EDN KHEMRA.

23. Cao J., Li F., Ma W., Li D., Wang K., Ren J. et al. Constitutive equation for describing true stress–strain curves over a large range of strains // Philosophical Magazine Letters. 2020. Vol. 100. Issue 10. Рр. 476–485. DOI: 10.1080/09500839.2020.1803508

24. Chen J.J., Lian C.W., Lin J.P. Validation of constitutive models for experimental stress-strain relationship of high-strength steel sheets under uniaxial tension // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2019. Vol. 668. Issue 1. P. 012013. DOI: 10.1088/1757-899X/668/1/012013

25. Tu S., Ren X., He J., Zhang Z. Stress–strain curves of metallic materials and post-necking strain hardening characterization: A review // Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures. 2019. Vol. 43. Issue 1. Рр. 3–19. DOI: 10.1111/ffe.13134

26. Zeng X., Wu W., Zou J., Elchalakani M. Constitutive model for equivalent stress-plastic strain curves including full-range strain hardening behavior of high-strength steel at elevated temperatures // Materials. 2022. Vol. 15. Issue 22. P. 8075. DOI: 10.3390/ma15228075

27. Hockett J.E., Sherby O.D. Large strain deformation of polycrystalline metals at low homologous temperature // Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 1975. Vol. 23. Issue 2. Рр. 87–98. DOI: 10.1016/0022-5096(75)90018-6

28. Meißner P., Winter J., Vietor T. Methodology for neural network-based material card calibration using LS-DYNA MAT_187_SAMP-1 considering failure with GISSMO // Materials. 2022. Vol. 15. Issue 2. P. 643. DOI: 10.3390/ma15020643

29. Andrade F.X.C., Feucht M., Haufe A., Neukamm F. An incremental stress state dependent damage model for ductile failure prediction // International Journal of Fracture. 2016. Vol. 200. Issue 1–2. Рр. 127–150. DOI: 10.1007/s10704-016-0081-2

30. Johnson G.R., Cook W.H. Fracture characteristics of three metals subjected to various strains, strain rates, temperatures and pressures // Engineering Fracture Mechanics. 1985. Vol. 21. Issue 1. Рр. 31–48. DOI: 10.1016/0013-7944(85)90052-9