Гася энергию удара

К противотаранным устройствам (ПТУ) предъявляются все более жесткие требования по сохранению работоспособности (отсутствию пластических деформаций) после таранного удара транспортным средством на малой скорости или расчетной скорости взаимодействия. В статье рассмотрены вопросы разработки ПТУ, которые сохраняют работоспособность после такого таранного удара.

Наиболее распространенные конструкции ПТУ обеспечивают защиту за счет собственной способности рассеивать полностью или значительную долю кинетической энергии транспортного средства (ТС). При этом большая часть (по габаритам) силовой системы либо вся конструкция ПТУ рассчитаны на однократное применение, что, естественно, вызывает вопросы у заказчиков: "Почему ПТУ при столкновении получает повреждения визуально более значительные, чем ударяющее ТС?" Однако такой подход позволяет останавливать транспортное средство любой жесткости с не превышающими заявленные значения скоростью и массой, а также существенно снизить материалоемкость конструкции ПТУ. Кроме того, для подтверждения заявленных характеристик достаточно единичного испытания максимально жестким транспортным средством.

Непростая задача

Основой для расчета характеристик ПТУ является закон сохранения энергии. Для случая столкновения объекта с неподвижным противотаранным устройством математическое выражение имеет вид: ET1 + ER1 = E′T1 + E′T2 + E′R1 + E′R2 + ED1 + ED2 +  ERest, где E_T1 и ER1 – составляющие поступательного и вращательного движения перед столкновением ТС с ПТУ; E′T1, E′T2 и E′R1, E′R2 – составляющие поступательного и вращательного движения после столкновения для каждого из тел; ED1, ED2 – энергия, затраченная на пластическую деформацию каждого из тел; ERest – энергия, рассеянная в результате трения между взаимодействующими объектами, резания металла, вертикального перемещения автотранспортного средства в процессе удара, потери энергии на вращение в трансмиссии и колесах, а также другие энергетические затраты.

Проектирование противотаранного устройства, обеспечивающего остановку транспортного средства без собственных значительных деформаций, представляет собой сложную задачу ввиду того, что упругие деформации ПТУ относительно малы и перемещение ТС (рассеивание энергии) при остановке происходит за счет его собственных деформаций. Как следствие, силовое воздействие на конструкцию ПТУ зависит от степени деформации транспортного средства. При этом жесткость ТС во фронтальном направлении их производителями не указывается.

Соотношение усилия и возникающей деформации транспортного средства достаточно подробно изучается при расследовании дорожно-транспортных происшествий в практике судебных экспертиз, а также при подтверждении безопасности легковых ТС.

Энергия деформации в цифрах

В настоящее время для определения энергетического эквивалента деформации широко применяется метод сравнительного анализа с использованием предназначенных для этого баз данных (программных модулей). При этом по известной величине деформации выявляется начальная скорость.

Оценивать степень интенсивности столкновения на основе энергии деформации поврежденных ТС предложено еще в начале 1970-х гг.¹ Энергия деформации ТС при соударении эквивалентна соответствующему изменению кинетической энергии. При соударении с бетонным барьером при 100%-ном перекрытии либо при столкновениях, после которых ТС обладает незначительным запасом кинетической энергии, можно принять, что кинетическая энергия, которой обладало транспортное средство перед столкновением, равна энергии деформации:

M х V²/2=F_m х s_m, где Fm – средняя деформирующая сила, s_m – среднее значение остаточной деформации.

Зависимость удельной силы f от величины деформации выглядит соответствующим образом¹: f = a₀ + a₁ х s_m, где a₀ – сила, при превышении которой наступает остаточная деформация; a₁ – относительная (по ширине) жесткость структуры кузова.

Параметры a₀ и a₁ определяются на основе анализа проводимых краш-тестов, результаты которых находятся в общедоступных специализированных базах данных. На их базе существуют программы для определения энергии деформации по величине повреждений, например Crash 3 – EBS Calculation программного комплекса PC-CRASH. При этом характеристики жесткости ТС существенно разнятся в зависимости от производителя, конкретной марки, года выпуска и типа транспортного средства (рис. 1).

Энергия деформации для легкового автомобиля определяется по величине деформированного объема:

Ed = 0,5 х w х h х C²∙х k*,

где w – ширина деформированной части кузова, м; h – высота деформированной части кузова, м; C – глубина деформации, м; k* – коэффициент сопротивления деформации, Н/м∙х м².

Нагрузки на ПТУ

Применение указанной формулы и коэффициента сопротивления деформации позволяет рассчитывать нагрузки на противотаранное устройство в зависимости от его геометрии, а также параметров транспортного средства.

Наиболее полные данные представлены на легковые автомобили, легкие грузовики и внедорожники. Параметры жесткости легковых автомобилей во фронтальном направлении по результатам краш-тестов приводятся в литературных источниках и имеют значения в диапазоне от 650 000 до 2 100 000 Н/м∙х м².

Рис.1 Результаты краш-теста для заданного ТС в программе Crash 3 – EBS Calculation

Результаты расчета скорости столкновения и энергии деформации по величине деформации на основе данных краш-теста легкого грузовика Ford F250 Pickup в программе PC-CRASH о плоское препятствие представлены на рис. 2.

Рис. 2. Расчет скорости столкновения и энергии деформации по заданной величине деформации для выбранного ТС

На основе заданной деформации и соответствующей ей энергии может быть рассчитано максимальное усилие воздействия на ПТУ:

F = 2∙х E_d/s = 2∙х 1 082 400/1 = 216,5 т.

В результате расчета скорости столкновения и энергии деформации по величине деформации на основе данных краш-теста разных марок внедорожников и легких грузовиков массой от 2,4 до 3,05 т для энергии 1 МДж определяются максимальное усилие деформации, которое колеблется от 216,5 до 321,7 т.

Таблица. Максимальная сила взаимодействия с плоским жестким препятствием транспортного средства с энергией 1 МДж и без остаточных деформаций ТС, скорость 12 км/ч

Проектирование недеформируемого ПТУ

Учитывая, что поглощаемая энергия пропорциональна объемной деформации, то с целью уменьшения материалоемкости противотаранного устройства рациональным является сокращение площади ПТУ с увеличением продольной деформации автомобиля.

Например, если размеры зоны деформации соответствуют полной ширине автомобиля, равной 2 м, а высота – высоте силового элемента противотаранного устройства, равной 0,2 м, то удельное усилие деформации для современных жестких легковых автомобилей составит:

f = 2 100 000∙х 2∙х 0,2 = 840 000 Н/м, или 84 т/м.

Таким образом, если необходима остановка c заданной энергией 1 MДж (3 600 кг при скорости 23,6 м/с, или 84,9 км/час), деформация составит C = 1,54 м. При этом максимальное усилие равно:

F = f∙х С = 840 000 Н/м∙х 1,54 м = 129,4 т.

Линейная зависимость усилия от деформации является немаловажным фактором при проектировании противотаранного устройства. То есть максимальное усилие, воздействующее на ПТУ, зависит от энергии автомобиля, площади взаимодействия с ПТУ, а также жесткости конструкций автомобиля.

Рис. 3. Зависимость максимального усилия взаимодействия от удельной жесткости (1 МДж, h = 0,2 м)

Рис. 4. Зависимость максимального усилия от высоты силового элемента ПТУ (1 МДж, жесткость современного автомобиля)

Рис. 5. Зависимость силы воздействия на ПТУ от энергии ТС (1 МДж, жесткость современного автомобиля)

На графиках приведена зависимость максимальной силы при деформации автомобиля от различных факторов, из чего следует, что площадь взаимодействия, высота силового элемента ПТУ, удельная жесткость и энергия автомобиля влияют на максимальную силу взаимодействия линейно.

Кроме того, вышеуказанные данные позволяют определить усилие, возникающее при столкновении с нулевой деформацией ТС.

"Обеспечение пожарной безопасности в электропоездах метрополитенов: успехи разработчиков и трудности внедрения" читать >>>

Таким образом, проектирование недеформируемого противотаранного устройства, сохраняющего работоспособность при столкновении с автомобилем, возможно в расчете на конкретный либо усредненный легковой автомобиль или легкий грузовик. При этом для снижения усилий, воздействующих на ПТУ, необходимо уменьшать площадь взаимодействия ПТУ и ТС. Например, для ПТУ шлагбаумного типа это достигается за счет уменьшения высоты силового элемента, однако при этом требуется решать проблему прогибов под действием собственного веса.

Жесткость ТС как главный критерий

Данные о результатах краш-тестов грузовиков о недеформируемое препятствие в открытых источниках приводятся ограниченно. Грузовые автомобили в основном рассматриваются как объект столкновения с легковым автомобилем. Жесткость крупнотоннажного транспорта может быть определена на примере автобусов.

Для автобуса Thomas Conventional массой 8056 кг:

F = 2∙х Ed/s = 2∙х 1 021 108/0,2 = 1021 т.

Параметры жесткости грузовых автомобилей исследованы ограниченно, поскольку существующие нормы безопасности описывают конструкцию не всего автомобиля, а только его кабины. Так, стандартом² предусмотрены требования к конструкции кабины грузовых автомобилей: возможность поглощения 45 кДж энергии при фронтальном ударе, сохранение пространства для водителя и целостности крепления к раме.

Однако данные о жесткости автобусов, имеющих сходство конструкции с грузовыми автомобилями, указывают на значительное увеличение усилий, в 3–5 раз по сравнению с легкими грузовиками и внедорожниками при столкновении с плоским препятствием. Наибольшее усилие воздействия возникает при таране бескапотного грузовика в плоские противотаранные ворота.

Проверенные конструкции недеформируемых ПТУ

Под указанные зависимости подпадают конструкции недеформируемых ПТУ: болларды, жесткие балки малой высоты ПТУ шлагбаумного типа, а также распашные противотаранные ᴧ-образные ворота, спроектированные с учетом уменьшения площади взаимодействия с автомобилем.

Таким образом, создание противотаранного устройства, рассчитанного на таранный удар крупнотоннажным ТС без собственных повреждений, требует детальной проработки конструкции с целью увеличения податливости транспортного средства за счет рационального расположения поверхности взаимодействия.

---------------------------

¹ В. Митунявичус В. Оценка энергии деформации при анализе столкновений. http://pc-crash.sudexa.ru/publikacii/teoreticheskoe-obosnovanie.php.

² ГОСТ Р 41.29-99 (Правила ЕЭК ООН № 29) Единообразные предписания, касающиеся официального утверждения транспортных средств в отношении защиты лиц, находящихся в кабине грузового транспортного средства.

Герман Большаков
Доцент кафедры компьютерного проектирования технологического оборудования политехнического института Пензенского государственного университета, к.т.н.

Денис Тарасов
Начальник отдела инженерного анализа конструкций ЗАО "ЦеСИС НИКИРЭТ", к.т.н.

Редакция советует

Противотаранные устройства шлагбаумного и накладного типов, столбы противотаранные производит компания "ЦеСИС" – ведущее предприятие Российской Федерации в области проектирования, разработки и производства комплексов инженерно-технических средств физической защиты и охраны объектов различного назначения и степени важности.

Больше статей по "Транспортной безопасности"