modelowanie końcówek odcinka bariery sp

MODELOWANIE INŻYNIERSKIE 2016 nr 60, ISSN 1896-771X
MODELOWANIE KOŃCÓWEK ODCINKA
BARIERY SP-05/2
DO ZASTOSOWANIA W SYMULACJI
TESTÓW ZDERZENIOWYCH
Daniel B. Nycz1b
1
b
Instytut Techniczny, Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa im. Jana Grodka w Sanoku
[email protected]
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
44
Daniel B. Nycz
1.
WSTĘP
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
eksperymentalnonumeryczną, bazującą na teście rozciągania złącza.
Dalsze części bariery odwzorowano za pomocą
elementów sprężystych z odpowiednimi sztywnościami.
W pracy nie podano sposobu wyznaczania tych
sztywności.
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).
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 modelowano za pomocą ortogonalnych więzów sprężystych do
głębokości 1,00 m. Poza strefą zderzenia uwzględniono
podatność wzdłużną bariery za pomocą elementów
sprężystych o odpowiednich sztywnościach, wyznaczonych 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.
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-
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
45
MODELOWANIE KOŃCÓWEK ODCINKA BARIERY SP-05/2 (…)
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].
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 SP05/2 i gruntu pobocza drogi w systemie LS-Dyna,
opublikowaną w pracach [3-7].
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 stalowych zastosowano tłumienie sztywnościowe o ułamku
tłumienia 0,03 [4, 5].
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].
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].
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 odcinki) i 4 m (1 odcinek). W węźle łączącym końcówkę
bariery z prowadnicą poziomą występuje łącznik ukośnopoziomy prowadnicy, dostosowany do kształtu prowadnicy B. Łącznik czołowy pojedynczy jest położony pod
powierzchnią gruntu.
2. MODEL NUMERYCZNY
KOŃCÓWKI BARIERY
SP-05/2
Złącza śrubowe pomiędzy prowadnicą a słupkami
SIGMA opisano za pomocą elementów SpotWeld,
z odpowiednimi nośnościami wynikającymi z klasy
wytrzymałości śrub [2, 9, 10].
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. 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].
Rys. 2. Model końcówki bariery SP-05/2 (część gruntu
półprzezroczysta)
Elementy stalowe bariery SP-05/2 opisano za pomocą
modelu
sprężysto-plastycznego
z
umocnieniem
izotropowym,
tj.
*MAT_PIECEWISE_LINEAR_
Grunt posiatkowano bryłowymi elementami skończonymi o topologii HEX8 i PENTA6 (całkowita liczba
elementów skończonych gruntu wynosi 294838).
46
Daniel B. Nycz
prowadnicy. Do dalszego modelowania należy wziąć pod
uwagę charakterystyki z modelu S (linie przerywane na
rys. 4)
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.
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
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.
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
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).
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 LSDyna 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.
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
W pierwszym modelu możliwe jest zdefiniowanie
6 sztywności (3 translacyjne i 3 rotacyjne sztywności)
opisujących pracę elementu jedynie w zakresie liniowosprężystym. Drugi model umożliwia wprowadzenie
6 nieliniowo-sprężystych charakterystyk sztywno-
47
MODE
ELOWANIE KOŃCÓWEK ODCINK
KA BARIER
RY SP-05/2
2 (…)
We właściwościach geometryczny
ych elementu belkowego
zdefiniowano [9, 10]:
1
ELFORM
M=6 - sform
mułowanie
elemen
ntów skończoonych Discrete Beam/Cablle; CID lokaln
ny układ wspóółrzędnych; SC
COOR=-1 - lokalizacja
l
triady
y
śledzenia
rotacji
ellementu
dy
yskretnego;
RRCO
ON=TRCON=
= SSCON =11 - utwierdzen
nie rotacji
odpow
wiednio względem osi r, t, s lokalneg
go układu
współrrzędnych.
ściowych (3 translacyjne i 3 rotacyjne charakterystyki),
p
rozciągaaniu
uwzględniając różne charrakterystyki przy
i ściskaniu. Odciążenie przebiega poo tych samy
ych
krzywych, coo obciążenie. W trzecim mod
delu deklaruje się
6 sztywnościi (3 translacy
yjne i 3 rotacyjne sztywnośści)
opisujące praacę elementu w zakresie lin
niowo-sprężysttym
oraz 6 charakterystyk op
pisujących pracę elementu
u w
we zdefiniowaanie
zakresie plasstycznym. Nie jest możliw
różnych szttywności przzy rozciąganiiu i ściskan
niu.
Odciążenie przebiega
p
po szztywności pocczątkowej (zak
kres
liniowo-sprężysty).
ykresy F(s) (ry
ys. 4) są silnie nieliniowe oraz
o
Uzyskane wy
różne dla rozzciągania i ściiskania. Główn
nymi kierunkaami
pracy końców
wki bariery poodczas testu zderzeniowego
z
o są
kierunki X1 i Y1 (rys. 2),
2 co pozwalla na pominięęcie
różnych chaarakterystyk przy
p
rozciągaaniu i ściskan
niu.
Podczas obcciążenia końcóówki bariery w kierunku X1
(najważniejszzy kierunek) występują lokalne
l
uplasstycznienia w łączniku czzołowym pojjedynczym oraz
o
w słupkach SIGMA na poziomie pow
wierzchni gruntu
(rys. 6). Uw
względnienie uplastycznien
nia możliwe jest
j
jedynie
w modelu
m
materiałowym
m
MAT_0668_
NONLINEAR
R_PLASTIC_
_DISCRETE_
_BEAM.
Rys. 7.. Model wykorzy
ystany w teście jednego elemen
ntu
(dyskreetny element beelkowy ELFORM
M_6)
Rys. 8.. Aproksymacja charakterystyk
k sztywnościowy
ych
Przy tak
t zdefiniowaanych właściw
wościach geomeetrycznych
dyskreetnego elemeentu belkoweego, uzyskano
o reakcje
w kierrunkach X i Y globalnego układu wspó
ółrzędnych
pokryw
wające się z wprowadzzonymi sztywnościami
zastęp
pczymi (rys. 8)).
Rys. 6. Naprężżenia zredukowaane według hipootezy HuberaMisesa-Hencky
y’ego w elementaach bariery SP-05/2, dla
wymuszenia 2000 mm w kierun
nku X1 – miejsca uplastycznień
powiększone
3.
3 SYMUL
LOWANY
Y TEST
ZDERZ
ZENIOWY
Y TB32
Pracę dyskrretnego elemeentu belkoweego zbadano za
pomocą testu
u jednego eleementu (rys. 7). Zastosowaano
wymuszenia
kinemaatyczne
u(r)=0÷200 mm
m
i v(s)=0÷2000 mm, liniowoo narastające w czasie analiizy.
Celem analizzy było dobraanie parametrów dyskretn
nego
elementu belkowego
b
taak, aby uzyskać
u
reak
kcje
w globalnym układzie współrzędnych
w
h odpowiadające
zadeklarowan
nym sztywnoścciom.
Przeprrowadzono sy
ymulowany teest zderzenio
owy TB32
(samochód osobow
wy o masie 1500 kg, uderzający
u
w systtem powstrzym
mywania z pręędkością 110 km/h,
k
pod
kątem
m 20°) dla systemu SP-05/22 [14, 15]. Za
astosowano
system
m o długości 60
6 m, w dwóch wariantach
h (rys. 9):
1/ z obcięciem końcówek barriery (kod TB32_C);
T
2/ z końcówkami
k
b
bariery
modeelowanymi za
a pomocą
dyskreetnych
elem
mentów
bellkowych
i
modelu
materiiałowego *MA
AT_068 (kod T
TB32_D).
Dla modelu
u *MAT_0668_NONLINE
EAR_PLASTIC_
DISCRETE_
_BEAM wp
prowadzono sztywności dla
1,9
kN/m
zakresu
lin
niowo-sprężysttej
pracy,
mm
i 0,1 kN/mm
m, odpowiedniio dla kierun
nku r i s oraz
o
charakterysty
yki w zakresie plastycznym, zgodnie z ryss 8.
Wynik
ki symulacji testów zdeerzeniowych TB32_C,
TB32_
_D, przedstaw
wiono na ryss. 10 i 11. W obydwu
przypa
adkach uszkoodzenia orazz deformacja
a pojazdu
dotyczzy tylko przed
dniego zestaw
wu kołowego. Dla testu
TB32_
_C długość oddziaływania pojazdu z barierą
48
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. 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%.
Rys. 10. Symulacja testu zderzeniowego TB32_C – widok
z góry
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
49
MODELOWANIE KOŃCÓWEK ODCINKA BARIERY SP-05/2 (…)
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
TB32_C
TB32_D
Model układu
dynamicznego
TB32_C
TB32_D
0,68
0,72
THIV
[km\h]
17,99
12,17
RF0010000
RF0010000
L [m]
PPO
E [MJ]
18,44
16,77
Tak
tak
0,346
0,299
ASI
VCDI
Wm
[m]
1,29
1,11
vr
[km\h]
62,82
70,91
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.
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
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.
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).
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.
50
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. LSDYNA 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
51