MODELOWANIE KOŃCÓWEK ODCINKA BARIERY SP-05/2
DO ZASTOSOWANIA W SYMULACJI TESTÓW ZDERZENIOWYCH
Daniel B. Nycz
1b1 Instytut Techniczny, Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa im. Jana Grodka w Sanoku
b daniel.nycz@interia.pl
Streszczenie
Przedmiotem pracy jest modelowanie numeryczne końcówki bariery SP-05/2. Bariera składa się z prowadnicy B (segmenty o długości całkowitej 4,30 m i długości efektywnej 4,00 m), słupków Sigma-100, wsporników trapezowych, podkładek prostokątnych i śrub M16 klasy wytrzymałości 4.6. Końcówka bariery jest odcinkiem o długości 12,0 m, z ukośną prowadnicą typu B, zakończoną łącznikiem czołowym pojedynczym. Występują w niej słupki o różnych długościach, w odstępach 2 m (4 odcinki) i 4 m (1 odcinek). W węźle łączącym końcówkę bariery z prowadnicą poziomą występuje łącznik ukośno-poziomy prowadnicy, dostosowany do kształtu prowadnicy B.
Łącznik czołowy pojedynczy jest położony pod powierzchnią gruntu. W pracy dokonano odwzorowania ukośnych końcówek odcinka testowego bariery SP-05/2, zagłębionych w poboczu utwardzonym, za pomocą dyskretnego elementu belkowego o charakterystykach sprężysto-plastycznych, usytuowanego na poziomie osi wzdłużnej prowadnicy B w skrajnym węźle odcinka poziomego prowadnicy. Charakterystyki sprężysto-plastyczne końcówki bariery wyznaczono numerycznie. Odwzorowanie umożliwia uproszczenie i skrócenie czasu symulacji testów zderzeniowych bariery SP-05/2.
Słowa kluczowe: końcówka drogowej bariery ochronnej; modelowanie numeryczne; wirtualne testy zderzeniowe TB32
MODELLING OF ENDS OF SP-50/2 ROAD BARRIER SEGMENT FOR APPLICATION
TO CRASH TESTS SIMULATIONS
Summary
The subject of the work is numerical modeling of an end of SP-05/2 road barrier. The barrier consists of a B-type guiderail (segments of a total length of 4,30 m and an effective length of 4,00 m), Sigma-100 posts, trapezoidal brackets, rectangular pads and M16 screws of a 4.6 strength class. A barrier end is a 12,0 m long section with a sloping B-type guiderail, ended by a frontal single joining piece. There are posts of different lengths at 2 m (4 sections) and 4 m (1 section) intervals. In the joint linking the barrier end with the horizontal guiderail, there occurs an oblique-horizontal joining piece adapted to a B-type guiderail shape. Frontal single joining piece is located under the ground. In the work, a sloping end of the tested segment of a SP-05/2 barrier, embedded into a paved roadside, was modeled by a discrete beam element with elastic-plastic characteristics, located along with the longitudinal axis of a B-type guiderail in the external joint of a guiderail horizontal segment. Elastic-plastic characteristics of the barrier end were determined numerically. The mapping allows to simplify and shorten the simulation time of crash tests of a SP-05/2 barrier.
Keywords: end of protective road barrier, numerical modelling, TB32 virtual crash tests
Daniel B. Nycz
1. WSTĘP
Zgodnie z normami [11, 12] testy zderzeniowe certyfikujące drogowe bariery ochronne wykonuje się eksperymentalnie na odcinku bariery. Długość oraz końcówki odcinka testowego bariery określa producent.
Warunki przyjęcia badania zderzeniowego obejmują następujące parametry funkcjonalności bariery: poziom powstrzymywania, ASI, THIV, VCDI, szerokość pracującą, pole wyjścia, penetrację pojazdu w barierę, penetrację bariery w pojazd, ciągłość bariery, ruch pojazdu w czasie i po zakończeniu kolizji z barierą.
Po przeprowadzonym teście zderzeniowym należy potwierdzić, że długość instalacji jest wystarczająca do wykazania pełnego działania systemu [12]. Jest to określone przez statyczne ugięcie boczne bariery, które nie powinno sięgać skrajnych mocowań badanej instalacji. Wymaga to, aby statyczne ugięcia boczne pierwszego i ostatniego odcinka bariery (lub pierwszej i ostatniej sekcji pomiędzy dwoma słupkami) były równe zeru (w granicach tolerancji pomiaru) (rys. 1a). Jeżeli mocowania zapobiegają ugięciom bocznym dla całego pierwszego/ostatniego elementu, wówczas statyczne ugięcie boczne dla kolejnego elementu powinno być równe zeru (w granicach tolerancji pomiaru) (rys. 1b).
W przypadku zastosowania ukośnych końcówek bariery pierwsza i ostatnia sekcja pomiędzy dwoma słupkami odnosi się do poziomego odcinka prowadnicy. Wynika stąd, że pierwszy (najwyższy) słupek końcówki bariery może doznać tylko przemieszczenia wzdłuż odcinka bariery.
Norma [13] wprowadza możliwość certyfikacji drogowych barier ochronnych nieznacznie zmodyfikowanych w stosunku do tzw. bariery nadrzędnej (certyfikowanej eksperymentalnie). Otwiera to pole do rozwijania modelowania numerycznego i symulacji drogowych testów zderzeniowych. W świetle przepisów normy [2]
końcówki ukośne odcinka testowego bariery zachowują integralność i doznają przemieszczeń tylko w swojej płaszczyźnie. Zasadne jest zatem zastąpienie końcówki bariery elementem sprężysto-plastycznym na poziomie osi wzdłużnej prowadnicy B w skrajnym węźle odcinka poziomego.
W pracy [8] przeprowadzono modelowanie numeryczne i symulację testów zderzeniowych wymaganych dla poziomu powstrzymywania H1 według normy EN 1317 (TB11 i TB42). Wyniki symulacji uzyskanych za pomocą kodu LS-DYNA porównano z wynikami testów eksperymentalnych. Modele numeryczne pojazdów zaczerpnięto z biblioteki publicznej NCAC [17]
i poddano niezbędnym modyfikacjom. Dla testu TB11 modelowano odcinek bariery o długości 24 m, a dla testu TB42 odcinek o długości 38 m. Części bariery modelowano, stosując elementy powłokowe pełno-
całkowalne, z pięcioma punktami na grubości w strefie zderzenia oraz elementy powłokowe Belytschko-Tsay z trzema punktami na grubości poza tą strefą. Złącza śrubowe prowadnica/słupek modelowano za pomocą liniowych elementów belkowych Hughes-Liu lub za pomocą więzów typu Spot-Weld [9, 10]. Parametry złączy wyznaczono metodą eksperymentalno- numeryczną, bazującą na teście rozciągania złącza.
Dalsze części bariery odwzorowano za pomocą elementów sprężystych z odpowiednimi sztywnościami.
W pracy nie podano sposobu wyznaczania tych sztywności.
Wirtualne testy zderzeniowe bariery G4(1S) z prowadnicą typu W i przesztywnionymi słupkami typu W150×13 w odstępach 1,91 m, przeprowadzone w systemie LS-DYNA, przedstawiono w pracy [1].
W strefie zderzenia z pojazdem prowadnicę i słupki modelowano przy użyciu elementów powłokowych w sformułowaniu Belytschko-Tsay, z trzema punktami całkowania na grubości. Połączenia śrubowe M32 modelowano w sposób uproszczony. Podłoże mode- lowano za pomocą ortogonalnych więzów sprężystych do głębokości 1,00 m. Poza strefą zderzenia uwzględniono podatność wzdłużną bariery za pomocą elementów sprężystych o odpowiednich sztywnościach, wyzna- czonych z prostej zależności matematycznej. Model pojazdu o masie 2000 kg zaczerpnięto z biblioteki NCAC [17], który odpowiednio zmodyfikowano. Wyniki symulacji porównano z negatywnym wynikiem testu eksperymentalnego.
Rys. 1. Warunki nałożone na końcowe sekcje odcinka bariery do badań zderzeniowych [12]: 1 - testowana długość jest wystarczająca, 2, 3 - testowana długość jest niewystarczająca
W niniejszej pracy dokonano odwzorowania ukośnych końcówek odcinka testowego bariery SP-05/2, zagłębionych w poboczu utwardzonym, za pomocą
dyskretnego elementu sprężysto-plastycznego usytuowanego na poziomie osi wzdłużnej prowadnicy B w skrajnym węźle odcinka poziomego prowadnicy.
Odwzorowanie to pozwala na znaczące zmniejszenie liczby stopni swobody układu bariera – pojazd, a zatem prowadzi do uproszczenia i skrócenia czasu symulacji testów zderzeniowych. W modelowaniu zastosowano metodologię modelowania numerycznego bariery SP- 05/2 i gruntu pobocza drogi w systemie LS-Dyna, opublikowaną w pracach [3-7].
Bariera SP-05/2 składa się z prowadnicy B (segmenty o długości całkowitej 4,30 m i długości efektywnej 4,00 m), słupków Sigma-100 i wsporników trapezowych.
Zastosowano śruby M16 klasy wytrzymałości 4.6 i podkładki prostokątne [14, 15].
Końcówka bariery SP-05/2 jest odcinkiem o długości 12,0 m, z prowadnicą typu B pod kątem, zakończoną łącznikiem czołowym pojedynczym (nazywanym potocznie „baranim rogiem”) [15]. Występują w niej słupki o różnych długościach, w odstępach 2 m (4 odci- nki) i 4 m (1 odcinek). W węźle łączącym końcówkę bariery z prowadnicą poziomą występuje łącznik ukośno- poziomy prowadnicy, dostosowany do kształtu prowa- dnicy B. Łącznik czołowy pojedynczy jest położony pod powierzchnią gruntu.
2. MODEL NUMERYCZNY KOŃCÓWKI BARIERY SP-05/2
Model numeryczny końcówki bariery SP-05/2 wykonano w środowisku Altair HyperMesh 13.0. Ze względu na skomplikowaną postać geometryczną w miejscu zagłębienia prowadnicy w gruncie, wycięto część gruntu w tym obszarze (rys. 2). Takie uproszczenie jest zgodne z praktyką stosowaną na poligonach do testów zderzeniowych.
Rys. 2. Model końcówki bariery SP-05/2 (część gruntu półprzezroczysta)
Grunt posiatkowano bryłowymi elementami skończo- nymi o topologii HEX8 i PENTA6 (całkowita liczba elementów skończonych gruntu wynosi 294838).
Elementom przypisano sformułowanie ELFORM_1 (8-węzłowy element bryłowy opisany trójliniowymi funkcjami kształtu, z jednym punktem całkowania) [9, 10]. Dla gruntu zastosowano tłumienie sztywnościowe o ułamku tłumienia 0,10 [15, 18].
Elementy stalowe bariery posiatkowano powłokowymi elementami skończonymi o topologii TRIA3 i QUAD4 (całkowita liczba elementów skończonych komponentów systemu wynosi 26372). Elementom przypisano sformułowanie ELFORM_2 (elementy powłokowe Belytshko-Tsay z jednym punktem całkowania w płaszczyźnie elementu) [9, 10]. Dla elementów stalo- wych zastosowano tłumienie sztywnościowe o ułamku tłumienia 0,03 [4, 5].
Prowadnicę bariery modelowano w dwóch wariantach:
1) jako układ wieloczłonowy składający się z segmentów o długości efektywnej 4,00 m, połączonych łącznikami śrubowymi (kod S; rys. 3); 2) jako belkę ciągłą (kod C;
rys. 3). W pierwszym wariancie łączniki śrubowe opisano za pomocą dyskretnych elementów belkowych ze sformułowaniem ELFORM_6 (dyskretny element belkowy, zdefiniowany przez sześć sztywności odpowiadających sześciu stopniom swobody). Metodykę wyznaczania zastępczych sztywności elementów belkowych opisujących łączniki śrubowe przedstawiono w pracy [6].
Złącza śrubowe pomiędzy prowadnicą a słupkami SIGMA opisano za pomocą elementów SpotWeld, z odpowiednimi nośnościami wynikającymi z klasy wytrzymałości śrub [2, 9, 10].
Rys. 3. Modele prowadnicy systemu SP-05/2: a) układ wieloczłonowy składający się z segmentów połączonych łącznikami śrubowymi (na zbliżeniu jeden z segmentów prowadnicy w widoku krawędziowym) – kod S; b) belka ciągła – kod C
Grunt opisano za pomocą modelu materiałowego
*MAT_SOIL_AND_FOAM [9, 10]. Jest to prosty model stosowany do opisu pian oraz gruntów w przypadku, gdy ich stałe materiałowe nie są w pełni określone. Stałe materiałowe gruntu zaczerpnięto z biblioteki NCAC [17].
Elementy stalowe bariery SP-05/2 opisano za pomocą modelu sprężysto-plastycznego z umocnieniem izotropowym, tj. *MAT_PIECEWISE_LINEAR_
Daniel B. Nycz
PLASTICITY. Stałe materiałowe poszczególnych komponentów systemu zaczerpnięto z atestu producenta, z wyjątkiem parametru FAIL [16]. Parametr ten określa plastyczne odkształcenia niszczące, przy których następuje erozja elementów (parametr wrażliwy na gęstość siatki elementów skończonych) [9, 10]. Jego wartość została dobrana na podstawie kalibracyjnych testów numerycznych
W analizie uwzględniono oddziaływanie grawitacyjne poprzez opcję dynamicznej relaksacji [9, 10]. Ze względu na zastosowanie elementów skończonych z całkowaniem zredukowanym wprowadzono globalną sztywnościową procedurę przeciwdziałania efektowi klepsydrowania Flanagan-Belytschko [9, 10]. Pomiędzy poszczególnymi komponentami modelu zdefiniowano model kontaktu
*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE [9, 10]. Dla gruntu zdefiniowano dodatkowo model kontaktu typu *CONTACT_INTERIOR [9, 10]. Model ten przeciwdziała efektowi odwracania topologii (kształtu) elementów skończonych poprzez analizę kontaktu pomiędzy automatycznie tworzonymi powierzchniami wewnętrznymi na ścianach elementów skończonych.
W celu wyznaczenia charakterystyk sztywnościowych końcówki bariery SP-05/2 zastosowano wymuszenia kinematyczne od 0 do 200 mm, liniowo narastające w czasie 0,2 s (prędkość wymuszenia 1 m/s) w czterech kierunkach przedstawionych na rys. 2. Wymuszenie przyłożono do wszystkich węzłów elementów skończonych w „teoretycznym przekroju” znajdującym się 300 mm od węzła nr 6 na rys. 2. Oznaczenie układu składa się z oznaczenia wariantu modelu oraz kierunku wymuszenia, np. S_X1 – układ wieloczłonowy, wymuszenie w kierunku X1.
Na rys. 4 pokazano charakterystyki sztywnościowe dla dwóch analizowanych modeli prowadnicy S, C. Dla wymuszeń kinematycznych w kierunkach X2, Y1 i Y2 w zakresie przemieszczenia 0–200 mm zniszczenie łączników śrubowych nie następuje. Dla wymuszenia w kierunku X1, przy przemieszczeniu 118 mm (model C;
punkt C1 na rys. 4) oraz 113 mm (model S; punkt S1 na rys. 4) następuje zniszczenie (erozja) elementu typu SpotWeld opisującego łącznik śrubowy pomiędzy prowadnicą a słupkiem SIGMA (węzeł 1 na rys. 2; rys.
5a, b). Dla modelu S_X1 przy przemieszczeniu 167 mm (punkt S2 na rys. 4), następuje zniszczenie kolejnego łącznika śrubowego pomiędzy prowadnicą a słupkiem SIGMA – węzeł w środku rozpiętości segmentu (węzeł 4 na rys. 2; rys. 5c).
Zgodność ilościowa i jakościowa charakterystyk sztywnościowych modeli S i C świadczy o poprawności modelowania układu z łącznikami śrubowymi. Model C w najważniejszym kierunku X1 jest sztywniejszy od modelu S dla przemieszczeń większych od 70 mm, co wynika z braku uwzględnienia złączy segmentów
prowadnicy. Do dalszego modelowania należy wziąć pod uwagę charakterystyki z modelu S (linie przerywane na rys. 4)
Rys. 4. Wykresy F(s) uzyskane dla czterech kierunków obciążenia końcówki prowadnicy SP-05/2: linie ciągłe – prowadnica, jako belka ciągła; linie przerywane – prowadnica, jako układ wieloczłonowy połączony łącznikami śrubowymi
Rys. 5. Zniszczenie łączników śrubowych (grunt
półprzezroczysty): a) model C_X1, węzeł 1, przemieszczenie 118 mm; b) model S_X1, węzeł 1, przemieszczenie 113 mm;
c) model S_X1; węzeł 4, przemieszczenie 167 mm
W modelowaniu wirtualnych testów zderzeniowych, końcówki bariery można opisać za pomocą dyskretnego elementu belkowego (ELFORM_6) z przypisanymi sztywnościami uzyskanymi z analiz 3D obciążenia końcówki bariery. Sztywności deklarowane są we właściwościach modeli materiałowych. W systemie LS- Dyna dostępne są trzy modele materiałowe dla dyskretnego elementu belkowego [9, 10]:
1/ *MAT_066_LINEAR_ELASTIC_DISCRETE_BE
AM; 2/ *MAT_067_NONLINEAR_ELASTIC_
DISCRETE_BEAM; 3/ *MAT_068_NONLINEAR_
PLASTIC_DISCRETE_BEAM.
W pierwszym modelu możliwe jest zdefiniowanie 6 sztywności (3 translacyjne i 3 rotacyjne sztywności) opisujących pracę elementu jedynie w zakresie liniowo- sprężystym. Drugi model umożliwia wprowadzenie 6 nieliniowo-sprężystych charakterystyk sztywno-
ściowych (3 uwzględniają i ściskaniu.
krzywych, co 6 sztywności opisujące pra oraz 6 char zakresie plas różnych szt Odciążenie p liniowo-spręż Uzyskane wy różne dla roz pracy końców kierunki X1 różnych cha Podczas obc (najważniejsz cznienia w w słupkach (rys. 6). Uw jedynie w NONLINEAR
Rys. 6. Napręż Misesa-Hencky wymuszenia 20 powiększone Pracę dyskr pomocą testu wymuszenia i v(s)=0÷200 Celem analiz elementu b w globalnym zadeklarowan Dla modelu DISCRETE_
zakresu lin i 0,1 kN/mm charakterysty
translacyjne i c różne char Odciążenie o obciążenie. W
i (3 translacy acę elementu akterystyk op stycznym. Ni tywności prz przebiega po sz
ysty).
ykresy F(s) (ry zciągania i ści wki bariery po
i Y1 (rys. 2 arakterystyk p ciążenia końcó zy kierunek)
łączniku cz SIGMA na względnienie w modelu m
R_PLASTIC_
żenia zredukowa y’ego w elementa
00 mm w kierun
retnego eleme u jednego ele kinema 0 mm, liniowo zy było dobra belkowego ta układzie w nym sztywnośc u *MAT_06 _BEAM wp niowo-sprężyst m, odpowiedni
yki w zakresie
i 3 rotacyjne rakterystyki p
przebiega po W trzecim mod yjne i 3 rotac
w zakresie lin pisujących pr
e jest możliw zy rozciągani
ztywności poc
ys. 4) są silni iskania. Główn
odczas testu z 2), co pozwal przy rozciąga ówki bariery
występują l zołowym poj poziomie pow uplastycznien materiałowym _DISCRETE_
ane według hipo ach bariery SP- nku X1 – miejsc
entu belkowe ementu (rys.
atyczne o narastające w
anie paramet ak, aby u współrzędnych
ciom.
68_NONLINE prowadzono
tej pracy, io dla kierun
plastycznym,
charakterysty przy rozciąga o tych samy delu deklaruje
yjne sztywnoś niowo-sprężyst
acę elementu we zdefiniowa iu i ściskan czątkowej (zak
e nieliniowe o nymi kierunka zderzeniowego la na pominię aniu i ściskan w kierunku lokalne uplas jedynczym o wierzchni gru nia możliwe j m MAT_06
_BEAM.
otezy Hubera- 05/2, dla a uplastycznień
ego zbadano 7). Zastosowa u(r)=0÷200 m w czasie anali rów dyskretn uzyskać reak h odpowiadaj
EAR_PLASTI sztywności
1,9 kN/m nku r i s o
zgodnie z rys ki), aniu
ych się ści) tym u w
anie niu.
kres
oraz ami o są ęcie niu.
X1 sty- oraz
ntu jest 68_
za ano mm izy.
nego kcje ące
C_
dla mm oraz s 8.
We w zdefin elemen lokaln triady RRCO odpow współr
Rys. 7.
(dyskre
Rys. 8.
Przy t dyskre w kier pokryw zastęp
3
Przepr (samo w syst kątem system 1/ z 2/ z k dyskre materi Wynik TB32_
przypa dotycz TB32_
łaściwościach iowano [9, 1 ntów skończo ny układ wspó y śledzenia ON=TRCON=
wiednio wzglę rzędnych.
. Model wykorzy etny element be
. Aproksymacja tak zdefiniowa etnego eleme runkach X i Y
wające się pczymi (rys. 8)
3. SYMUL ZDERZ
rowadzono sy chód osobow tem powstrzym m 20°) dla sys
m o długości 6 obcięciem k końcówkami b
etnych elem iałowego *MA ki symulacji _D, przedstaw adkach uszko zy tylko przed _C długość
geometryczny 10]: ELFORM onych Discret
ółrzędnych; SC rotacji el
= SSCON =1 dem osi r,
ystany w teście elkowy ELFORM
charakterystyk anych właściw entu belkowe Y globalnego
z wprowadz ).
LOWANY ZENIOWY
ymulowany te wy o masie mywania z prę
temu SP-05/2 60 m, w dwó ońcówek bar bariery mode mentów bel AT_068 (kod T
testów zde wiono na rys odzenia oraz dniego zestaw oddziaływan
ych elementu M=6 - sform
e Beam/Cabl COOR=-1 - l lementu dy 1 - utwierdzen
t, s lokalneg
jednego elemen M_6)
k sztywnościowy wościach geome ego, uzyskano
układu wspó zonymi szty
Y TEST Y TB32
est zderzenio 1500 kg, u ędkością 110 k 2 [14, 15]. Za
ch wariantach riery (kod T elowanymi za
lkowych i TB32_D).
erzeniowych s. 10 i 11. W z deformacja wu kołowego.
ia pojazdu
belkowego mułowanie le; CID - lokalizacja yskretnego;
nie rotacji go układu
ntu
ych etrycznych
o reakcje ółrzędnych
wnościami
owy TB32 uderzający km/h, pod astosowano h (rys. 9):
TB32_C);
a pomocą modelu
TB32_C, W obydwu a pojazdu
Dla testu z barierą
Daniel B. Nycz
wynosi 18,44 m (rys. 12), a dla testu TB32_D – 16,77 m (rys. 13). W obydwu przypadkach wyprowadzenie pojazdu w polu wyjścia jest prawidłowe.
Rys. 9. Modele zakończenia systemu SP-05/2: a/ z obcięciem końcówki – TB32_C; b/ końcówka modelowana za pomocą dyskretnego elementu belkowego – TB32_D
Rys. 10. Symulacja testu zderzeniowego TB32_C – widok z góry
Rys. 11. Symulacja testu zderzeniowego TB32_D – widok z góry
W tabeli 1 zestawiono wyniki wirtualnych testów zderzeniowych TB32, gdzie: ASI – wskaźnik intensywności przyspieszenia, THIV – prędkość teoretycznej głowy w czasie zderzenia, VCDI – wskaźnik odkształcenia kabiny pojazdu, Wm – szerokość pracująca, L – długość odcinka interakcji pojazdu z barierą, PPO – poprawne zachowanie pojazdu w polu wyjścia, E – energia pochłonięta w wyniku niszczenia materiałów, vr – prędkość residualna w momencie utraty kontaktu pojazdu z barierą. W porównaniu do testu TB32_C, wprowadzenie końcówek bariery powoduje zwiększenie ASI o 5,9% i prędkości residualnej o 12,9%
oraz zmniejszenie THIV o 32,4%, szerokości pracującej o 14,0% i długości oddziaływania pojazdu z barierą o 9,1%.
Na rys. 14 przedstawiono porównanie statycznych ugięć bocznych bariery SP-05/2 po przeprowadzonych symulowanych testach zderzeniowych. Uwzględnienie w obliczeniach końcówek bariery istotnie zmniejsza statyczne ugięcie boczne. Dla testów TB32_C
i TB32_D ekstremalne wartości bezwzględne ugięć bocznych wynoszą odpowiednio 1007,8 mm i 759,0 mm.
Tabela 1. Zestawienie wyników analizowanych wirtualnych testów zderzeniowych
Model układu
dynamicznego ASI THIV
[km\h] VCDI Wm
[m]
TB32_C 0,68 17,99 RF0010000 1,29 TB32_D 0,72 12,17 RF0010000 1,11 Model układu
dynamicznego L [m] PPO E [MJ] vr
[km\h]
TB32_C 18,44 Tak 0,346 62,82 TB32_D 16,77 tak 0,299 70,91
Rys. 12. Wyprowadzenie pojazdu po zderzeniu z barierą oraz długość oddziaływania pojazdu z barierą dla testu TB32_C – widok z góry
Rys. 13. Wyprowadzenie pojazdu po zderzeniu z barierą oraz długość oddziaływania pojazdu na barierę dla testu TB32_D – widok z góry
Rys. 14. Porównanie statycznych ugięć bocznych dla testów TB32: linia ciągła – TB32_C; linia przerywana – TB32_D Na rys. 15 przedstawiono porównanie przemieszczeń wzdłużnych końca prowadnicy testowanego odcinka systemu SP-05/2. Maksymalne przemieszczenie wzdłużne dla testu TB32_C wynosi 144,3 mm, a dla testu TB32_D wynosi 76,7 mm. Na rys. 15 przedstawiono również końcową deformację wzdłużną prowadnicy i słupka (w chwili 1,5 s po rozpoczęciu zderzenia).
Rys. 15. Porównanie wzdłużnych przemieszczeń jednego z końców prowadnicy dla testów TB32: linia ciągła – TB32_C;
linia przerywana – TB32_D
4. PODSUMOWANIE
W pracy przedstawiono metodologię modelowania ukośnych końcówek odcinka testowego drogowej bariery ochronnej na przykładzie bariery SP-05/2. Odcinki mają długość 12 m każda, a odcinek centralny z prowadnicą poziomą ma długość 60,0 m. Rozwinięta w pracy metodologia jest następująca: 1/ opracowanie modelu geometrycznego 3D odcinka końcowego zagłębionego w gruncie; 2/ opracowanie modelu numerycznego 2D/3D odcinka końcowego zagłębionego w gruncie;
3/ wyznaczenie charakterystyk sztywnościowych F(s) w przekroju skrajnym końcówki prowadnicy, w kierunku wzdłużnym i poziomym poprzecznym; 4/ odwzorowanie końcówek za pomocą elementów belkowych poziomych wzdłużnych zamocowanych do przekrojów skrajnych;
5/ przeprowadzenie modelowania i symulacji testu zderzeniowego TB32 dla środkowego odcinka testowego z zastosowaniem elementów belkowych poziomych wzdłużnych modelujących końcówki bariery.
Na podstawie przeprowadzonycvh badań numerycznych można sformułować następujące wnioski końcowe:
1/ Uwzględnienie w modelowaniu numerycznym połączeń śrubowych segmentów prowadnicy ma niewielki wpływ na charakterystyki sztywnościowe końcówek bariery SP-05/2. Aproksymowano charakterystyki dokładniejsze, tj. odpowiadające modelowi S.
2/ Końcówki odcinka testowego bariery znacząco wpływają na parametry funkcjonalne bariery w odniesiueniu do testu TB32. Następuje m.in. istotne zmniejszenie szerokości pracującej oraz długości oddziaływania pojazdu z barierą.
Praca została częściowo wykonana w ramach projektu badawczego PBS1, nr umowy PBS/B6/14/2012 (akronim ENERBAR), finansowanego w latach 2013–
2015 przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju.
Daniel B. Nycz
Literatura
1. Atahan A. O.: Finite element simulation of a strong-post W-beam guardrail system. “Simulation” 2002, 78, 10, p. 587–599.
2. Biegus A.: Połączenia śrubowe. Warszawa: Wyd. Nauk. PWN, 1997.
3. Klasztorny M., Nycz D., Romanowski R.: Rubber/foam/composite overlay on guide b of barrier on arc of road.
“Archives of Automotive Engineering” 2015, 69, 3, p. 65–86.
4. Klasztorny M., Nycz D. B., Szurgott P.: Modelling and simulation od crash tests of N2-W4-A category safety road barrier in horizontal concave arc. “International Journal of Crashworthiness” 2016, 21, 6, p. 644-659.
5. Nycz D.: Modelowanie i badania numeryczne testów zderzeniowych bariery klasy N2-W4-A na łukach dróg.
Warszawa: Wyd. WAT, 2015. ISBN 978-83-7938-073-2.
6. Nycz D.B.: Modelowanie złączy śrubowych segmentów prowadnicy typu B. „Modelowanie Inżynierskie” 2016, nr 58, t. 27, s. 105–112.
7. Nycz D. B.: Wpływ złączy prowadnicy B bariery drogowej na wirtualne testy zderzeniowe TB11 i TB32. „The Archives of Automotive Engineering - Archiwum Motoryzacji” 2016, 71, 1, p. 73 – 86.
8. Vesenjak M., Borovinšek M., Ren Z.: Computational simulations of road safety barriers using LS-DYNA, 6. LS- DYNA Anwenderforum, CD Proc. pp. 1-8, DYNAmore, GmbH, Frankenthal, 2007.
9. Hallquist J. O.: LS-DYNA theory manual. Livermore Software Technology Corp., Livermore, CA, USA, March 2006.
10. Hallquist J. O.: LS-DYNA keyword user’s. Manual.Livermore Sofware Technology Corp., Livermore, CA, USA, May 2007.
11. PN-EN 1317-1:2010. Systemy ograniczające drogę – część 1: Terminologia i ogólne kryteria metod badań.
12. PN-EN 1317-2:2010. Systemy ograniczające drogę – część 2: Klasy działania, kryteria przyjęcia badań zderzeniowych i metody badań barier ochronnych i balustrad.
13. PN-EN 1317-5:2012. Systemy ograniczające drogę – część 5: Wymagania w odniesieniu do wyrobów i ocena zgodności dotycząca systemów powstrzymujących pojazd.
14. System N2 W4 (SP-5/2), Stalprodukt S.A., Bochnia, 2011.
15. Stalowe bariery ochronne, Stalprodukt S.A., Bochnia, 2006.
16. Atest 2.2, Stalprodukt S.A., Bochnia, 2013.
17. Vehicle models, National Crash Analysis Center, USA, http://www.ncac.gwu.edu/vml/models.html, uploaded 2014-09-18.
Artykuł dostępny na podstawie licencji Creative Commons Uznanie autorstwa 3.0 Polska.
http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/pl
