Анализ устойчивости транспортного средства при попадании под снежную лавин

СНИЖЕНИЕ РИСКОВ И ЛИКВИДАЦИЯ ПОСЛЕДСТВИЙ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ

УДК 519.2

АНАЛИЗ УСТОЙЧИВОСТИ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА ПРИ ПОПАДАНИИ ПОД СНЕЖНУЮ ЛАВИНУ

С.Л. Карпов

Рассмотрена актуальная задача безопасности автомобильного транспорта при движении в лавиноопасных районах. Для решения указанной задачи привлекается модель снежной лавины, основанная на модифицированном методе сглаженных частиц.

Ключевые слова: математическое моделирование, снежная лавина, транспортное средство.

Введение. Проблема защиты от снежных лавин людей, транспортных средств (ТС), спортивно-туристических сооружений, курортно-гостиничных комплексов и подъездных путей существенно усложняет хозяйственно-рекреационную деятельность в горах [1]. Накопление снега на склоне, эволюция снежной массы, сход лавины и взаимодействие ее с различными препятствиями охватывает широкий класс физических явлений. Между тем, мы практически не располагаем данными о состоянии и характере движения снежной массы и взаимодействия с различными объектами.

Ранее нами была предложена имитационная компьютерная модель снежной лавины на основе метода сглаженных частиц [2-4]. Представленная модель является в высокой степенью универсальной и позволяет исследовать влияние большого количества параметров лавины, рельефа местности, транспортного средства на характер воздействия лавины на ТС.

Постановка задачи. Переменные, используемые в модели можно сгруппировать в три группы. Первая группа содержит параметры лавины и рельефа местности: угол склона; глубина кювета между склоном и дорогой; начальная высота расположения пласта снега; объем лавинообразующе-го пласта снега; коэффициент ограничения взаимодействия элементов снега, определяющий рассыпчатость снега.

Ко второй группе относятся параметры транспортного средства: тип транспортного средства; масса транспортного средства; высота расположения центра тяжести; высота транспортного сред-

ства; высота расположения нижней части ТС (клиренс); расстояние между колесами в поперечном направлении (колея); коэффициент трения между колесами и дорожным полотном.

В третьей группе объединены следующие функции, представляющие собой распределения определенной величины в пространстве или во времени: зависимость от времени смещения центра тяжести в горизонтальном направлении от начального положения под действием лавины (данная функция позволяет оценить опасность сброса лавиной транспортного средства с дороги, что в гористой местности может привести к дальнейшему падению ТС по склону); зависимость от времени угла наклона транспортного средства (функция позволяет оценить опасность опрокидывания ТС); распределение максимального давления лавины на транспортное средство по его высоте (данная функция позволяет оценить опасность деформации и разрушения транспортного средства, например, повреждение стекол окон, прорыв тента грузовых автомобилей).

Для упрощения анализа по перечисленным функциям Ьсм^) и фн(0 рассчитываются следующие точечные показатели: максимальное смещение транспортного средства в горизонтальном направлении; максимальный угол наклона транспортного средства.

Также рассчитываются следующие точечные показатели: время взаимодействия лавины с транспортным средством, которое позволяет оценить возможность водителя отреагировать на изменение механического состояния автомобиля и свести к

минимуму поражающее воздействие лавины; максимальная сила, действующая на ТС в горизонтальном направлении; максимальная сила, действующая на ТС в вертикальном направлении (подъемная сила).

Для того, чтобы оценить применимость и универсальность разработанной модели проведен целый ряд компьютерных экспериментов, в которых изменяли как параметры лавины, так и типы ТС и их параметры. Планирование серий компьютерных экспериментов производится по так называемой «звездообразной» схеме, согласно которой для «центрального» (базового) компьютерного эксперимента необходимо использовать параметры «обобщенного транспортного средства» (базовые параметры), а затем изменять по очереди параметры относительно базовых. Приведем в первую очередь результаты базового компьютерного эксперимента.

Характер движения транспортных средств, увлекаемых лавиной. Прежде всего проанализируем результаты базового компьютерного эксперимента (типичная лавина воздействует на типичный автомобиль, находящейся на типичной автодороге). При контакте снежной лавины с корпусом транспортного средства на корпус оказывается существенное силовое воздействие (рис. 1). Длительность воздействия составляет около 20 секунд, однако наибольшее силовое воздействие оказывает фронт лавины, ориентировочно через 2-3 секунды после начала контакта снега с ТС. Максимум силового воздействия порядка 4-8 кН длится на протяжении около 2 с, затем плавно уменьшается по мере истощения лавины и засыпания ТС снегом.

Действие лавины приводит к смещению ТС по опорной поверхности (рис. 2) и раскачиванию ТС (рис. 3).

F6, кН

0

0

10 20

30 40 t, c

Рис. 1. Зависимость от времени Г силы Еб, действующей на транспортное средство в горизонтальном направлении

Смещение ТС в реальных условиях может приводить к сбросу ТС с горной дороги и падению вниз по склону. В ряде случаев ограждения и придорожная растительность создают препятствие боковому смещению ТС. Однако по величине максимального бокового смещения ¿см.м, анализируемой далее, можно оценить риск сброса ТС лавиной с дороги.

Lcm, м

0

10

20 30 40 t, c

Рис. 2. Зависимость от времени Г величины бокового смещения Ьсм транспортного средства

фн,

град. 20

10

1

0

10 20 30 40 t, c

Рис. 3. Зависимость от времени Г угла наклона фн транспортного средства

В базовом компьютерном эксперименте движение ТС в поперечном направлении началось примерно через 2,5 секунды (в момент времени 9,8 с, рис. 2) после начала контакта ТС с лавиной -в тот момент, когда боковая сила достигает достаточной величины, чтобы превысить существенную силу трения покоя между колесами и опорной поверхностью. Основное боковое смещение происходит в течение примерно 6 с, затем боковая скорость ТС быстро снижается. Для типичного случая воздействия лавины на ТС смещение составляет около 4 м.

Угол наклона транспортного средства фн зависит от расстояния между колесами одной оси, параметров подвески, геометрического характера силового воздействия снежной массы. Если угол наклона превысит некоторое критическое для ТС значение, происходит опрокидывание ТС. Для базового компьютерного эксперимента наклон ТС начался одновременно с контактом с фронтом лавины (рис. 3). Максимальный наклон составил около 27О, а само время наклона было довольно коротким 1-2 с, что могло бы вызывать травмы людей, находящихся в ТС, и повреждение грузов.

Необходимо также отметить, что под действием лавины может происходить не просто смещение или наклон ТС, а сложное возвратно-поступательное движение ТС по опорной поверхности с отрывом колес (со стороны лавины) от поверхности. Так, на рисунке 3 это заметно по нали-

8

4

чию не одного пика наклона, а нескольких пиков в моменты времени 10,0, 11,0, 13,8, 14,7 с.

Важной характеристикой, которую можно определить в разработанной модели является распределение давления на корпус ТС по высоте. Это может дать информацию, какие элементы ТС подвергаются наибольшему воздействию и спрогнозировать их разрушение, например деформацию металлической обшивки ТС, прорыв тента кузова, разрушение остекления ТС и др. Типичная зависимость максимального давления от высоты Рт(к) представлена на рисунке 4.

Ш?

кПа

М

Рис. 4. Распределение по высоте кузова ТС к максимального давления на борт кузова Рт

Наибольшее давление (порядка 80 кПа) оказывается на нижнюю часть автомобиля, на высоте 0,0-0,6 м от опорной поверхности. При дальнейшем увеличении высоты давление снижается, по закону, близкому к экспоненциальному, уменьшаясь к высоте 2,5 м почти в 10 раз.

Полученную в модели зависимость Рт(к) целесообразно сравнить с известными результатами реальных экспериментов и на основе этого оценить уровень адекватность модели. Для сравнения будем

использовать экспериментальный график, полученный на лавиноударном устройстве А.Ф. Липатова [5]. В экспериментальных исследованиях конфигурация склона была проще, чем в предлагаемой модели: вертикальная пластина с датчиками была установлена непосредственно на поверхности склона, тогда как в модели воспроизводится широко распространенный вариант среза горной дороги с кюветом между склоном и дорогой. Для того, чтобы количественно сравнить модельные и экспериментальные результаты, в модели воспроизвели рельеф с непосредственным примыканием склона к дорожному полотну (рис. 5, вариант 1, линия 1). Также в модели были проверены рельефы с кюветами глубиной 0,75 и 1,5 м (рис. 5, варианты 2, 3, линии 2, 3).

Установлено, что модельная зависимость хорошо совпадает с экспериментальной (рис. 5, соответственно линия 1 и штриховая линия). Среднее отличие модельных и экспериментальных графиков составляет около 5 %. В модели лавина оказывает максимальное давление на высоте 1,2... 1,5 м, в то время как в эксперименте максимум давления наблюдается на высоте 1,3 м. В модели пик зависимости Рт(И) несколько шире, чем в эксперименте, что связано по-видимому с большей фрагментацией модельной снежной массы и соответственно большим рассеянием фрагментов по энергиям. Если между склоном и дорожным полотном расположен кювет, существенная часть энергии лавины гасится в кювете, и соответственно график 1 (рис. 5) смещается и понижается с увеличением глубины кювета (рис. 5, линии 2, 3).

Таким образом, результаты моделирования и эксперимента хорошо согласуются, и поэтому модель является достаточно адекватной.

77/77/7

1

2

77777777!

3

Рис. 5. Распределение максимального давления лавины Рт по высоте к, полученное экспериментально (штриховая линия) и в разработанной модели для разных вариантов горных дорог: 1 - дороги без кювета, 2 - дороги с кюветом глубиной

0,75 м, 3 - дороги с кюветом глубиной 1,5 м.

Таким образом, боковое давление может представлять опасность для легковых автомобилей, и приводить к деформации дверей и боковых элементов кузова, и возможно к разрушению боковых стекол. Для грузовых автомобилей максимальное давление приходится на элементы шасси, слабо склонные к разрушению, но действие на кузов, начинающийся с высоты около 1,5 м, не столь значительно.

Влияние начальной толщины снежного покрова. В качестве параметра снежной лавины выбрана толщина первоначального снежного по-

крова на склоне ксн, определяющая интенсивность воздействия снежной массы и общий объем снежной массы. Для изучения влияния ксн на поражающие факторы снежной лавины проведена серия компьютерных экспериментов, в которой ксн изменяли от 0,5 до 1,1 м с шагом 0,1 м.

При малом ксн поток снежной массы не столь существенен, чтобы оказать опасное воздействие на транспортное средство (рис. 6, а). При ксн = 0,5 м практически не происходит смещение ТС (рис.7, а), а угол его наклона составляет не более 1-30 (рис. 7, б).

а

.V '

М;  <

Л'«»**/ ,, , Ч , •

кСн = 0,5 м

б -

hCH = 1,0 м

tSSri'K'- • • • в

•^sjbiseOfSfev.*.} .v-

hCH = 1,5 м

Рис. 6. Влияние начальной толщины снежного покрова ксн на характер взаимодействия лавины с транспортным средством.

При среднем значении толщины снежного покрова (1,0 м) действие лавины приводит к смещению и существенному наклону ТС (рис. 6, б). Однако не происходит опрокидывания ТС. При большом значении ксн из-за высокой кинетической энергии потока снежной массы происходит опрокидывание ТС и сброс его с дороги (рис. 6, в).

Анализируя зависимость фн(ксм) можно сделать вывод, что до толщины снежного покрова 0,7 м практически не происходит наклона ТС (менее 50), с толщины 0,7 до 1,1 м происходит существенный наклон ТС (на 10-30°), но не приводящий к опрокидыванию, а начиная с ксн = 1,1 происходит опрокидывание ТС (рис. 7, б).

Время воздействия лавины на ТС, в течение которого нарушается управляемость ТС, составляет

менее 1-2 с при толщине снежного покрова до 0,50,6 м. Однако при толщине снежного покрова более 0,7 м автомобиль теряет управление уже на 7-9 с (рис. 7, в).

Анализ боковой и подъемной силы (рис. 7, г, д) позволяет разобраться в причинах механического поведения ТС. При изменении толщины снежного покрова ^бок и ^под увеличиваются приблизительно линейно, приводя к монотонной зависимости ¿См.м. от ксм (рис. 7, а).

Таким образом, при толщине снежного покрова менее 0,5 лавина не приводит к потере управляемости ТС, от 0,5 до 1,0 м - приводит к потере управляемости, но не приводит к опрокидыванию и сбросу с дороги, более 1,0 - приводит к опрокидыванию ТС и сбросу с дороги.

L

см.м?

м 8

6

4

2

0

град. 60

30

0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 Нсн, м 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 Н^, м

а

б

?в, с 8 6 4 2 0

/

/

У r

F6o5

кН 10

0

0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 Н^, м 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 Н,н, м в г

под,

кН

10

0

0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 Н^, м д

0

5

5

Рис. 7. Влияние толщины снежного покрова ксн на величину бокового смещения Ьсжм ТС (а); угол фн м максимального наклона ТС (б); время ^ взаимодействия ТС с лавиной (в); максимальную боковую Ебок (г) и подъемную Рпод (д) силы,

действующие на ТС.

Библиографический список

References

1. Гражданская защита / Под ред. С.К. Шойгу. -М.: МЧС России, 2009. - 711 с.

2. Соловьев А.С., Лебедев О.М., Калач А.В. Математическое моделирование поведения снежной массы на горном склоне / А.С. Соловьев, О.М. Лебедев, А.В. Калач // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2011. - Т.7. - №4. - С. 115117.

3. Соловьев А.С., Лебедев О.М., Калач А.В. Имитационное моделирование удара снежной лавины о

1. Grazhdanskaja zashhita / Pod red. S.K. Shojgu. -M.: MChS Rossii, 2009. - 711 s.

2. Solov'ev A.S., Lebedev O.M., Kalach A.V. Matematicheskoe modelirovanie povedenija snezhnoj massy na gornom sklone / A.S. Solov'ev, O.M. Lebedev, A.V. Kalach // Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. - 2011. - T.7. - №4. - S. 115117.

3. Solov'ev A.S., Lebedev O.M., Kalach A.V. Imitacionnoe modelirovanie udara snezhnoj laviny o

неподвижное препятствие / А.С. Соловьев, О.М. Лебедев, А.В. Калач // Вестник Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2011. - Т. 7. - №7. - С. 88-90.

4. Соловьев А.С. Исследование взаимодействия снежной лавины с элементами защитных сооружений / А.С. Соловьев, О.М. Лебедев, А.В. Калач, В.В. Петренко // Технологии гражданской безопасности. - 2012. - Т.9. -№ 2(32). - С. 74-77.

5. Дюнин А.К. В царстве снега / А.К. Дюнин -Новосибирск: Наука, 1983. - 159 с.

nepodvizhnoe prepjatstvie / A.S. Solov'ev, O.M. Lebedev, A.V. Kalach // Vestnik Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. - 2011. - T. 7. - №7. - S. 88-90.

4. Solov'ev A.S. Issledovanie vzaimodejstvija snezhnoj laviny s jelementami zashhitnyh sooruzhenij / A.S. Solov'ev, O.M. Lebedev, A.V. Kalach, V.V. Petrenko // Tehnologii grazhdanskoj bezopasnosti. - 2012. - T.9. -№ 2(32). - S. 74-77.

5. Djunin A.K. V carstve snega / A.K. Djunin -Novosibirsk: Nauka, 1983. - 159 s.

THE ANALYSIS OF STABILITY OF THE VEHICLE AT HIT UNDER THE AVALANCHE

In article the actual problem of safety of the motor transport at the movement in avalanche areas is considered. For the solution of the specified task the avalanche model based on the modified method of smoothed particles is attracted.

Keywords: mathematical modeling, avalanche, vehicle.

Карпов Сергей Леонидович,

к.т.н.,

Воронежский государственный архитектурно-строительный университет,

Россия, Воронеж.

e-mail: future3001 @rambler. ru.

Karpov S.L.,

Cand. Tech. Sci.,

Voronezh State University of Architecture and Civil Engineering,

Russia, Voronezh,

e-mail: future3001@rambler.ru.