1. Введение
Обеспечение безопасности дорожного движения является одной из приоритетных задач современной транспортной инфраструктуры. Значительная часть дорожно-транспортных происшествий (ДТП) сопровождается съездом транспортных средств с проезжей части, что нередко приводит к тяжёлым последствиям для участников движения. За последние годы ежегодная смертность в ДТП в России превышает 31 тыс. человек, а суммарный ущерб достигает 2,2–2,6% внутреннего валового продукта. Отмечено, что темпы роста аварийности обгоняют рост автопарка, что связано с усложнением режимов движения в городах. При отсутствии изменений в организации движения фиксируется двукратное увеличение интенсивности на отдельных магистралях и падение средней скорости с 9 до 3 м/с, что формирует условия для частых конфликтов между транспортными средствами. Изменение состава потока также оказывает влияние на рост ДТП: доля грузовых автомобилей в исследованной выборке выросла на 5% (с 13% до 18%), что приводит к снижению равномерности движения и увеличению вероятности столкновений на магистралях [5].
Защитный барьер должен выдерживать удары различных типов транспортных средств (от легковых автомобилей до грузовиков или автобусов) в различных условиях воздействия, в зависимости от скорости транспортного средства, угла удара и дорожных условий. В случае удара транспортного средства меньшей массы (легкового автомобиля) удерживающая система должна обладать способностью деформироваться, чтобы кинетическая энергия удара поглощалась в основном удерживающей системой и деформацией транспортного средства. Это значительно снижает уровень торможения, с которым сталкиваются пассажиры транспортных средств, и повышает их безопасность. Однако в случае столкновения с транспортным средством большей массы (грузовиком, автобусом) система должна сохранять свою целостность, чтобы сдерживать и отклонять транспортное средство на дороге. Таким образом, конструкция барьера представляет собой компромисс между его жесткостью (деформируемостью) и прочностью.
Барьерные ограждения устанавливаются на участках повышенной опасности — на мостах, путепроводах, крутых поворотах, участках с насыпями, а также в местах расположения объектов дорожной инфраструктуры. Их основная функция заключается в предотвращении выезда транспортного средства за пределы проезжей части и снижении энергии удара за счёт контролируемой деформации конструкции [2]. Эффективность барьерной системы определяется её способностью одновременно обеспечивать достаточную прочность для удержания транспортного средства и необходимую деформируемость для уменьшения перегрузок, воздействующих на пассажиров. При этом одним из ключевых инструментов проверки барьерных конструкций остаются натурные краш-тесты.
Актуальность исследования обеспечивается тем, что именно на городских магистралях формируется наибольшее количество аварийных ситуаций. Схемы организации движения напрямую влияют на частоту дорожно-транспортных происшествий и тяжесть их последствий В отечественных и зарубежных работах подробно рассматриваются отдельные элементы улично-дорожной сети: геометрия перекрёстков, схемы канализации потоков, светофорное регулирование, круговые пересечения, выделенные полосы [3]. Их влияние на аварийность и пропускную способность изучено. Однако большинство исследований ограничивается отдельными решениями, а сравнение различных типов барьерных ограждений на городских магистралях практически не освещается.
Целью данного исследования является анализ эффективности различных типов дорожных барьерных ограждений при столкновении транспортных средств на основе численного моделирования в программной среде LS-DYNA и оценка ключевых параметров, характеризующих безопасность и работоспособность удерживающих систем.Во время испытаний оценивались такие параметры, как уровень перегрузки пассажиров (ASI), скорость удара головы (THIV), динамический прогиб конструкции и способность удержать транспортное средство в пределах безопасной зоны.
2. Методы и принципы исследования
Для анализа эффективности различных типов дорожных барьерных ограждений в работе использовано численное моделирование в программной среде LS-DYNA, разработанной компанией LSTC (Livermore Software Technology Corporation) (США). Предназначена для решения трёхмерных динамических нелинейных задач механики деформируемого твёрдого тела, механики жидкости и газа, теплопереноса, а также связанных задач.
В основе модели лежит представление о формировании аварийности на городских магистралях за счёт устойчивых конфликтных взаимодействий между транспортными и пешеходными потоками. Конфликтные ситуации возникают на перегонах, в зонах примыканий, на перекрёстках и пешеходных переходах. Модель формируется для одного выделенного участка городской магистрали, рассматриваемого как единая система. В пределах участка учитываются элементы улично-дорожной сети, участвующие в формировании аварийности.
3. Основные результаты
ГОСТ Р 52721–2007 «Технические средства организации дорожного движения» предписывает точные критерии, которым должна соответствовать дорожная удерживающая система в конкретных условиях удара. Существует множество различных параметров, которые необходимо учитывать при столкновении транспортного средства с ограждением: скорость транспортного средства (v), масса транспортного средства (м), угол удара (a), тип и поведение транспортного средства, дорожные условия и деформация дорожной удерживающей системы (W). Одним из показателей адекватности расчетов при моделировании является анализ графиков энергии полученных из базы данных Glstat или Matsum. Например, полная энергия на всем протяжении расчета не должна отличаться больше 1% от начальной полной энергии, энергия скольжения (sliding energy) должна быть 1% или менее от внутренней энергии, если трение равно нулю, а также не должна быть отрицательной более чем на 5-10% от пиковой энергии и др. Еще одним показателем является проверка энергетического коэффициента (Energy ratio), который не должен отличаться более чем на 1% (рис. 1).
Анализ результатов моделирования столкновения легкового автомобиля с металлическим барьерным ограждением
Энергия Sliding связана с контактным скольжением и в общем случае эта энергия оказывает существенное влияние на результат. Многочисленные начальные тестовые испытания с полной моделью показали, что данная энергия может значительно увеличиваться и соответствовать по значению начальной кинетической энергии. Хотя по рекомендациям данная энергия не должна превышать 5–10% от пиковой внутренней энергии. Это является неверным результатом.
Анализ энергий и визуальный анализ модели привел к выводу, что резкое увеличение отрицательной энергии контакта вызвано необнаруженными начальными проникновениями. причиной может быть скольжение деталей друг относительно друга в процессе проникновения: один узел проникает в главный сегмент, проникновение обнаруживается и возникает значительная энергия скольжения (рис. 2).
Модель столкновения грузового автомобиля с роликовым барьерным ограждением
Роликовое барьерное ограждение изобретено в Южной Корее, и по словам производителей имеет ряд преимуществ по сравнению со стандартным металлическим ограждением: простота установки и обслуживания на извилистых дорогах, ролик из синтетической смолы практически не повреждается при ударе, минимизируются повреждения автомобиля и возможные травмы пассажиров. Для оценки воздействия ударов на организм человека наиболее важной мерой, проводимой в дорожных краш-тестах, является ускорение (3 компонента). Три ускорения измеряются в положении, максимально близком к центру тяжести транспортного средства, в системе отсчета, закрепленной на раме транспортного средства. С помощью данных о трех ускорениях, скорости и положении транспортного средства можно рассчитать обычные индексы: индекс тяжести ускорения (ASI), теоретическая скорость напора при ударе (THIV), замедление напора после удара (PHD) и т.д., которые используются для получения представления о тяжести удара.
С помощью численного моделирования в среде LS-DYNA была исследована эффективность тросовых ограждений при различных конструктивных и ударных параметрах. Повышение усилия натяжения в среднем тросе с 40 до 70 кН позволило сократить рабочую ширину (прогиб) с 3,8 до 2,1 м, при этом индекс ASI снизился с 1,4 до 0,9, что соответствует безопасной категории по стандарту EN 1317. Было установлено, что увеличение жёсткости опор на 35% приводит к снижению уровня перегрузки в салоне на 18%
Отдельно анализировалось влияние высоты барьера: при увеличении на 5 см рабочая ширина возрастала до 1,11 м, а при занижении — ухудшалась траектория удержания, поскольку тросы смещались ниже зоны максимального контакта. Это особенно важно в ситуациях, когда за ограждением располагаются объекты, чувствительные к увеличенному прогибу (опоры освещения, кабельные каналы и др.).
Сравнение траекторий движения транспортного средства в зависимости о скорости движения при столкновении с тросовым барьерным ограждением
Параллельно оценивались динамические характеристики удара. При увеличении скорости с 50 до 140 км/ч индекс ASI возрастал с 0,49 до 1,04, а рабочая ширина — с 0,68 до 1,33 м. Показатель THIV (скорость удара головы) в этих случаях составлял 21,7 км/ч и 30,8 км/ч соответственно, приближаясь к граничным значениям допустимого уровня. При изменении угла удара с 10° до 30° ASI увеличивался более чем вдвое — с 0,53 до 1,06, а контактная длина с барьером, наоборот, снижалась с 14,5 до 7,5 м. Увеличение угла и скорости также приводило к росту поглощённой энергии — от 10,5 до 82,1 кДж, что превышает расчётные значения, заложенные в стандартных испытаниях (рис. 3).
4. Заключение
В результате проведённого исследования установлено, что эффективность дорожных барьерных ограждений определяется совокупностью их конструктивных характеристик и параметров ударного воздействия. В условиях роста интенсивности движения, увеличения доли грузового транспорта и усложнения транспортных потоков на городских магистралях применение удерживающих систем приобретает особую значимость как средство снижения тяжести последствий дорожно-транспортных происшествий.
На основе численного моделирования в программной среде LS-DYNA подтверждена целесообразность использования метода конечно-элементного анализа для оценки работоспособности и защитных свойств барьерных ограждений. Установлено, что достоверность результатов моделирования обеспечивается соблюдением критериев энергетического баланса, контролем величины sliding energy, а также исключением начальных проникновений и некорректных контактных взаимодействий в расчётной модели.
В ходе исследования выявлено, что изменение конструктивных параметров тросовых и барьерных ограждений оказывает существенное влияние на показатели безопасности. Повышение усилия натяжения тросов и жёсткости опор способствует уменьшению рабочей ширины системы и снижению уровня перегрузок, действующих на транспортное средство. Изменение высоты ограждения влияет на характер контакта и траекторию удержания транспортного средства, что имеет принципиальное значение для обеспечения требуемого уровня безопасности на участках с ограниченным боковым пространством.
Установлено, что увеличение скорости и угла наезда приводит к росту показателей ASI, THIV, рабочей ширины и поглощённой энергии, что свидетельствует об увеличении тяжести ударного воздействия и повышении требований к прочности и энергоёмкости удерживающих конструкций. Полученные результаты подтверждают необходимость комплексного учёта как конструктивных, так и эксплуатационных факторов при проектировании и выборе дорожных ограждений.
Практическая значимость работы заключается в возможности применения результатов исследования при совершенствовании методов расчёта, выборе рациональных конструктивных решений и повышении эффективности дорожных удерживающих систем на участках повышенной опасности. Это, в свою очередь, способствует повышению уровня безопасности дорожного движения и снижению тяжести последствий дорожно-транспортных происшествий.