Теоретичні основи та практичні методи визначення швидкостей руху автомобілів при зіткненні

У вступі розкрито сутність та стан наукової проблеми, обґрунтовано актуальність дослідження, сформульовано мету, задачі дисертаційної роботи, її наукову новизну, наукове і практичне значення отриманих результатів, подано інформацію про їх впровадження та апробацію роботи.

Перший розділ. Зростання аварійності на вулицях та автомобільних дорогах стає України одним з обмежень на шляху підвищення соціальної й економічної ефективності роботи автомобільного транспорту

У країні кожні 68 секунд трапляється ДТП. І це при тому, що кількість населення зменшилася на 4,0 млн. осіб. Майже кожну годину гине людина. На сьогодні зареєстровано біля 5700 місць концентрації ДТП, з яких 1750 - на регульованих перехрестях, де мають місце великі затримки транспортних засобів, а також понад 40% всіх ДТП.

Розподіл ДТП за видами свідчить про велику частку наїздів на перешкоду, на транспортний засіб, що стоїть, та зіткнення - 40,8%. Водночас висока тяжкість наслідків спостерігається у ДТП, пов'язаних з наїздом транспортних засобів на перешкоду - 20,8 загиблих на 100 ДТП.

Питання безпеки дорожнього руху на автомобільних дорогах і на вулично-дорожніх мережах міст вивчали В.В.Сільянов, Є.М.Лобанов, Я.В.Хомяк, В.Ф.Бабков, В.П.Поліщук, В.В.Шештокас, О.П.Васильєв, Б.М.Четверухін, Г.І.Клінковштейн, М.П.Печерський, Ю.О.Кременець, М.Б.Афанасьєв, О.П.Дзюба, В.І.Єресов, О.В.Красильнікова, О.Т.Лановий, С.В.Янішевський, Д.Дрю, Х.Іносе, Г.Поттгофф та ін.

Проблемі безпеки та організації руху на вулично-дорожній мережі держави приділяють велику увагу в усіх країнах, зважаючи на значні жертви і матеріальні втрати при дорожньо-транспортних пригодах. Особлива вага цієї проблеми в нашій країні обумовлена швидким процесом автомобілізації в містах і, на цьому фоні, зростанням кількості водіїв транспортних засобів, які ще не в повній мірі опанували процес керування транспортним засобом в умовах інтенсивного руху.

Незважаючи на всі заходи щодо підвищення безпеки дорожнього руху в Україні за останні 10 років участь в дорожньому русі являє собою найбільш небезпечний і одночасно найбільш поширений вид діяльності. На підставі методики досліджень, яка ґрунтується на принципах встановлення ризику загибелі на 100 млн. людино-годин при різних видах діяльності, встановлено, що ризик смерті на людино-годину в дорожньому русі приблизно у 6 разів вище, ніж в будь-якій іншій діяльності. На основі міжнародної бази статистичних даних про дорожньо-транспортні пригоди (IRTAD) можна розрахувати ризик в дорожньому русі.

Найгірший рівень безпеки дорожнього руху спостерігається у таких країнах, як Греція, Україна, Угорщина і Португалія. Швидке зростання кількості автомобілів за останні роки за значно нижчого рівня реальних прибутків на душу населення свідчить про недостатню кількість заходів з підвищення безпеки дорожнього руху.

Аналізуючи дорожньо-транспортну пригоду як елемент транспортної системи, що підлягає реєстрації та аналізу, відзначимо такі її причинно-наслідкові аспекти і властивості:

- людино-машинний, просторово-часовий і випадковий характер скоєння;

- кримінально-правовий та експертний характер розслідування;

- системність аналізу причин ДТП;

- соціально-економічні та морально-психологічні наслідки.

В узагальненій схемі процесів реєстрації та процесуального розгляду ДТП виділено основні етапи, функції окремих учасників процесів, послідовність етапів і документи, які повинні розроблятись на кожному етапі.

Розслідування та судовий розгляд кримінальних справ про ДТП через їхню складність і швидкоплинність часто неможливе без проведення автотехнічних експертиз, що призначаються приблизно по кожній другій справі такої категорії, й, в значній мірі, сприяють встановленню істини.

З огляду на велике значення, що має автотехнічена експертиза при розслідуванні та судовому розгляді справ про ДТП, пропоновані до неї вимоги наукової обґрунтованості застосовуваних методів і використовуваних методик, вимагють їхнього подальшого вдосконалення.

Дорожньо-транспортні пригоди, що пов'язані з наїздом, обумовлюються великим розкидом швидкостей руху окремих автомобілів відносно середньої швидкості руху транспортного потоку. По мірі того, як інтенсивність і щільність руху підвищуються, зменшується й розкид швидкостей руху, а при інтенсивності руху, що наближається до перепускної здатності, практично всі автомобілі рухаються у дуже вузькому діапазоні швидкостей.

Як свідчать спостереження, при малій інтенсивності руху різниця у швидкостях окремих автомобілів становить у середньому близько 20 км/г і зменшується до 5 км/г при інтенсивності 900 авт/год.

Таким чином, з підвищенням інтенсивності руху знижується свобода маневрування. Але статистика аварійності свідчить, що загальна кількість ДТП по мірі збільшення до певних меж інтенсивності руху зростає.

Кількість автомобілів, що потрапили в ДТП, при певній швидкості не пропорційна кількості автомобілів, що рухаються з цією швидкістю.

Активна безпека автомобіля визначається поводженням автомобіля в критичних ситуаціях - його стійкістю щодо збурювань, здатністю підкорятися керуванню при маневрах, пов'язаних з необхідністю уникнути аварійних ситуацій. Активна безпека автомобіля багато в чому визначається тим, наскільки високими є вимоги до характеристик водія, що керує автомобілем. Якості, що визначають безпеку автомобіля, виявляються при взаємодії водія й автомобіля, як компонентів системи „водій - автомобіль - дорога”. Водій може керувати автомобілем за розімкнутою схемою (без врахування сигналу зворотного зв'язку) або за замкнутою схемою (з урахуванням такого сигналу ).

Звичайно період роботи системи „водій - автомобіль” за розімкнутою схемою займає невеликий проміжок часу, через якийсь час слідом за керуючим впливом водій починає одержувати інформацію по відповідних каналах зворотного зв'язку і починає виконувати корекцію положення автомобіля відносно дорогі, швидкості зміни цього положення і т.ін. Таке керування, при якому водій робить регулювальний вплив, тобто виконує функції регулятора в системі, називають керуванням за замкнутою схемою.

Методи оцінювання конфліктних ситуацій поділяються на об'єктивні та суб'єктивні.

Суб'єктивні методи ґрунтуються на вимірах, виконуваних людиною, і мають певний суб'єктивний масштаб небезпеки. Об'єктивний метод підходу включає перегляд знятих фільмів чи відеокадрів руху автомобілів, а також спеціальні дослідження за допомогою різної апаратури. Через високу надійність таких пристроїв (а вона наближається до 1) їх бажано використовувати як контрольні, але такі методи дорогі, вимагають великих витрат часу і непрактичні.

Однією з проблем у вимірі надійності суб'єктивної конфліктної ситуації є те, що спостерігач ніколи не може спостерігати точно таку ж ситуацію більше одного разу. Тому не можна застосовувати аналіз надійності повторних випробувань. Шляхом використання конфліктних ситуацій, знятих на плівку, той самий спостерігач може кілька разів ранжирувати ту саму конфліктну ситуацію. По точно такій же ситуації можна проводити суб'єктивну оцінку і порівнювати її з об'єктивною. Це порівняння можна здійснювати по трьох критеріях:

- система повинна допускати докладну класифікацію;

- правила віднесення конфліктної ситуації до якої-небудь категорії повинні бути простими й однозначними і щоб їх було неможливо віднести до більш ніж однієї категорії. Такі поняття як „поворот ліворуч” і „поворот праворуч” не завжди є виразними стосовно до тристороннього перехрестя чи перехрестя з 5 підходами;

- кожна категорія повинна містити тільки ті схеми конфліктних ситуацій, що мають конкретний ряд причинних факторів.

В залежності від умов руху і дорожньої обстановки активна безпека автомобіля може визначатися: характеристиками автомобіля, його конструктивними параметрами, характеристиками взаємодії „автомобіль - дорога” (силами, що діють у контакті шин з дорогою, коефіцієнтом зчеплення, дорожніми збурюваннями), характеристиками взаємодії „водій - автомобіль” (вимогами, які пред'являються до водія в залежності від особливостей автомобіля та умов руху). Властивості автомобіля зберігати напрямок руху під дією стаціонарних та імпульсних збурювань називаються стійкістю, а здатність підкорятися керуванню - керованістю.

При аналізі керованості автомобіля розглядаються випадки керування автомобілем як за розімкнутою, тік я за замкнутою схемою. При керуванні за розімкнутою схемою досліджується поводження автомобіля після різкого повороту керма при русі з постійним моментом, підведеним до повідних коліс або при одночасному гальмуванні (двигуном або гальмами). При керуванні за замкнутою схемою звичайно досліджується стандартний маневр, пов'язаний з об'їздом перешкоди (зміна смуги руху) або з обгоном (подвійна зміна смуги руху).

Керований рух автомобіля є результатом функціонування складної динамічної й інформаційної системи, що включає автомобіль, умови руху, водія. Кожна з цих складових сама є досить складною системою.

Так, автомобіль при моделюванні може бути представлений розгалуженою системою твердих тіл у випадку, якщо моделюється рух, системою тіл з розподіленими параметрами у випадку, якщо моделюється зіткнення з перешкодами, і т.д. Найбільш раціональною формою організації моделі для моделювання керованого руху є блокова схема, за якою модель представляється сполученням функціональних блоків, зміст яких формується в залежності від специфіки розв'язуваної задачі. Структурна схема математичної моделі, що враховує ці особливості й відображає реальні внутрішні зв'язки системи, є система «водій - автомобіль».

Основним у моделі є блок динаміки руху. У ньому розв'язуються диференціальні рівняння руху автомобіля в нерухомих або рухомих координатах. В останньому випадку одночасно розв'язуються рівняння траєкторії руху, відносно якої розглядаються переміщення центра мас і поздовжньої осі автомобіля.

У переважній більшості робіт з аналізу керованості автомобіля розрахунковими методами використовуються рівняння динаміки руху. В даний час використовують математичні моделі динаміки автомобіля всілякої складності - від найпростішої одномасової моделі плоского руху з двома ступенями свободи до багатомасової моделі системи, що має більш 100 ступенів свободи.

Ще більш складними виходять моделі, у яких враховуються деформації окремих тіл (наприклад, кузова) при зіткненнях. У таких моделях реалізується метод скінченних елементів, і кількість ступенів свободи різко зростає.

Події, пов'язані з зіткненням автомобілів та їх наїздом на нерухому перешкоду, мають багато спільного. У процесі зіткнень і наїздів автомобілі пасажири та водії зазнають впливу ударних навантажень, що діють протягом короткого часу, але досить значних. У теоретичній механіці ударом називають процес взаємодії тіл, при якому за нескінченно малий час швидкості змінюються до кінцевого значення. Сили, що діють на дотичні тіла при ударі, настільки великі, що іншими силами можна нехтувати. Ударні навантаження можуть зруйнувати найміцніші та наймасивніші деталі автомобіля - лонжерони рами, каркас кузова, картер і балки мостів, блок циліндрів.

Процес удару прийнято розділяти на дві фази. Перша фаза продовжується від моменту зіткнення тіл до моменту їхнього найбільшого зближення. Друга фаза продовжується від кінця першої фази до моменту роз'єднання тіл. Під час першої фази кінетична енергія тіл переходить у механічну енергію руйнування і деформування деталей, а також у потенційну енергію і тепло. У другій фазі удару потенційна енергія пружних частин, деформованих у процесі зближення тіл, знову переходить у кінетичну енергію, сприяючи роз'єднанню тіл. При зіткненні автомобілів та їхньому наїзді на нерухому перешкоду тривалість першої фази становить 0,05 - 0,10 с, а другої - від 0,02 до 0,04 с.

Втрату енергії при ударі оцінюють за допомогою коефіцієнта відновлення, що представляє собою відношення швидкостей тіл перед ударом і після нього. Безпосереднє застосування теорії удару в експертизі ДТП ускладнюється низкою обставин. У теорії розглядається зіткнення тіл простої форми (кулястих, плоских) і ізотропних однорідних, пружні та міцнісні властивості яких у кожній точці тіла однакові. Автомобілі ж являють собою складні механічні системи з різними зовнішніми обрисами і різною внутрішньою структурою. В ідеальному випадку вважають, що поверхні тіл, що вдаряються, гладкі, а тертя та механічне зчеплення відсутні. Тому сили взаємодії тіл, що вдаряються, спрямовані по нормалі до дотичної, проведеної через точку первісного контакту обох тіл. Насправді контактувати можуть одночасно кілька деталей, і на автомобіль діють декілька сил, різних за значенням, напрямком, тривалістю і точками прикладення. У підсумку обставини зіткнення, зокрема, швидкості та переміщення автомобілів, обчислені на підставі теорії удару, можуть не збігатися з параметрами конкретного ДТП.

Підвищення безпеки дорожнього руху неможливе без науково обґрунтованої експертизи дорожньо-транспортних пригод, що дозволяє за наслідками ДТП відновлювати їх механізм і виявляти причини. Методичні основи експертного дослідження, розроблені близько 40 років тому, з того часу не піддавалися істотному коригуванню. Доводиться констатувати відставання експертизи від сучасних вимог і, як наслідок, недостатньо високий рівень експертних висновків. Дотепер немає єдиних методик аналізу таких розповсюджених видів ДТП як перекидання, зіткнення транспортних засобів, наїзд на нерухому перешкоду. Чисельні значення коефіцієнтів і параметрів, застосовуваних при обчисленнях, не встановлюються об'єктивно, а вибираються експертами довільно. При цьому часто використовуються застарілі й недостатньо достовірні дані.

Жоден з параметрів, використовуваних в експертних розрахунках, не може вважатися строго детермінованим. Усі вони є випадковими величинами, зв'язаними між собою складними стохастичними і функціональними залежностями. Результати розрахунків з використанням таких величин надійні лише з визначеним ступенем імовірності. У початковому стані знаходиться методика експертного дослідження аварійних транспортних засобів - речових доказів автотранспортних злочинів.

Тут розглянуто явища, що відбуваються при зіткненні тіл (автомобілів) саме у момент удару. У практиці обстеження місць здійснення дорожньо-транспортних пригод звичайно вдається зафіксувати не момент удару, а остаточні положення автомобілів після удару. Після удару відбувається відкидання транспортних засобів, що супроводжується їх плоско-паралельним рухом, іноді - перекиданням. Лінійний і кутовий шляхи, пройдені кожним транспортним засобом, у більшості випадків вдається встановити за слідом, залишеним кожним транспортним засобом на дорозі. Навіть в такому сприятливому випадку - за наявності слідів - може залишитися невідомою кількість повних обертів, зроблених автомобілем в площині руху або при перекиданні. Розсіювання енергії на цих переміщеннях повинне враховуватися при оцінці енергетичного балансу.

Можна знайти швидкості руху автомобілів перед зіткненням, якщо відомий показник k відновлення. Проблема полягає в точному виборі k з інтервалу 0 < k < 1 і до цього часу немає достатньо диференційованих даних про нього для різних типів і моделей транспортних засобів. Тому таким шляхом можуть бути отримані лише достатньо грубі оцінки швидкостей руху перед ударом.

Крім того, існують в літературі інші методи оцінки енергії, що витрачається на пластичну деформацію частин автомобіля. Найпоширеніша група методів заснована на використанні величини енергетично еквівалентної швидкості EES. При цьому відомі такі методи визначення її величини.

1. Порівняльний метод потребує наперед складеного загально доступного каталогу, в який внесено реальні випадки деформації автомобілів. В цьому підході задача експерта полягає в тому, щоб, орієнтуючись на тип і модель автомобіля, вибрати найближчий приклад з каталогу. Метод виключно простий, дає порівняно точні результати, вимагає невеликих витрат часу. Він використаний у комп'ютерних програмах, призначених для задач автотехнічної експертизи.

2. Інший метод - аналітичний, передбачає формульні обчислення величини енергетичних витрат, що цікавлять експертів. У формулі беруть участь дві змінні та три параметри. Змінні визначають геометрію пошкодженої ділянки.

3. Ще один метод, званий графічним, запропоновано Рьоріхом (W. Rohrich). Він використовує сітку розподілу енергій пластичної деформації по поверхні автомобіля. Сітку називають растром. У кожну чарунку растру вписано величину роботи.

В другому розділі розглянуто можливість встановлення механізму ДТП, а саме:

1) з визначенням швидкостей двох транспортних засобів, що зіткнулися, до удару, в момент удару і в процесі відкидання після удару;

2) з визначенням втрат кінетичної енергії при ударі;

3) з визначенням ударного імпульсу та ударної сили.

На теперішній час існує декілька методів визначення швидкості руху автомобілів у момент зіткнення. Але ці методи мають істотний недолік: вони нехтують факт ударної взаємодії двох автомобілів, що зіткнулися, в результаті якої вони пошкоджуються і відкидаються один від одного, здійснюючи при цьому складні рухи.

Одним з основних етапів створення запропонованого методу, який позбавлений вказаних недоліків, є математичне моделювання зіткнення двох транспортних засобів на підставі елементарної теорії удару та загальних теорем динаміки.

Розглянуто зближення, контакт і відкидання транспортних засобів при їх зіткненні.

Аналіз запропонованої математичної моделі зіткнення двох транспортних засобів показує, що для визначення швидкостей руху цих транспортних засобів у момент зіткнення можна максимально використовувати інформацію про їхнє відкидання після зіткнення, тим більше, що при відомих координатах місця зіткнення і кінцевих пунктів їх положень після відкидання ця інформація має достатньо високий ступінь достовірності.

Врахування непружності удару при зіткненні транспортних засобів шляхом введення в розрахунки коефіцієнта відновлення є малоефективним, зважаючи на неможливість більш-менш точного визначення величини цього коефіцієнта для реальних об'єктів, якими є транспортні засоби, тим більше, що в різних фазах удару його величина може істотно змінюватися.

У порівнянні з відомими способами, запропонований спосіб оцінки роботи деформацій і руйнувань деталей автомобілів, що зіткнулися, менш трудомісткий і більш надійний. Проте його недоліком є те, що, розглядаючи кожну пошкоджену деталь окремо, при визначенні роботи деформації не враховуємо конструкційну міцність і жорсткість автомобіля в цілому, що вносить певні похибки в кінцевий результат.

У зв'язку з цим результати розрахунків за запропонованим способом необхідно погоджувати з даними, отриманими на основі статистичної обробки результатів сrash-тестів великої кількості автомобілів в реальних або імітаційних умовах зіткнень.

На підставі проведених досліджень виникає необхідність розробки методики розрахунку кінематичних і динамічних параметрів зіткнення, яка ґрунтується на розгляді енергетичного балансу механічної системи, що включає транспортні засоби, котрі зіткнулися, а також на застосуванні загальних теорем динаміки і висновків елементарної теорії удару.

Врахування деформацій і руйнувань пошкоджених деталей транспортних засобів здійснюється наближеними методами теорії пластичності для області скінченних деформацій.

1. За інформацією, отриманою від органів дізнання або слідства, що працювали на місці ДТП, будується масштабна схема пригоди (рис.1).

Необхідно визначити швидкості руху та кожного з двох транспортних засобів при їх зіткненні.

Задаються прямокутною системою координат XOY на площині проїзної частини дороги, спрямувавши вісь ОХ за вектором швидкості . Кут між векторами визначає вид зіткнення.

2. В результаті зіткнення автомобіль 1 був відкинутий на відстань С₁С₁'= l1, маючи початкову швидкість відкидання, позначену вектором , прикладеним до центру мас С₁ і спрямованим під кутом ₁ до осі ОХ, а автомобіль 2 - на відстань С₂С₂'= l₂, маючи початкову швидкість відкидання, позначену вектором , прикладеним до центра мас С₂ і спрямованим під кутом ₂ до осі ОХ.

Крім того, в процесі відкидання автомобіль 1 обертався відносно осі, що проходить через його центр мас С₁ перпендикулярно до площини руху (площини проїзної частини дороги), а автомобіль 2 розвертався відносно осі, що проходить через його центр мас С₂ перпендикулярно до площини руху. При відкиданні автомобілі виконували плоскі рухи і зайняли кінцеві положення 1' і 2'.

3. За масштабною схемою визначаються чисельні значення геометричних параметрів.

4. Визначаються енергетичні витрати на переміщення автомобіля 1 в процесі його відкидання після зіткнення, що дорівнюють роботам сил опору його переміщенню в плоскому русі.

5. Визначаються енергетичні витрати на переміщення автомобіля 2 в процесі його відкидання після зіткнення, що дорівнюють роботам сил опору його переміщенню в плоскому русі.

6. Визначають усереднену питому роботу на деформування для матеріалів, з яких виготовлено пошкоджені деталі обох автомобілів.

7. Визначають об'єми пошкоджених частин деталей автомобіля 1 шляхом вимірювання відповідних ушкоджень.

8. Визначають роботу на деформування кожної з вказаних деталей автомобіля 1.

9. Визначають роботу на деформування автомобіля 1, що дорівнює сумі робіт на пошкодження деталей цього автомобіля.

10. Виміряють об'єми пошкоджених частин деталей автомобіля 2 і визначають роботу на деформування його кожної пошкодженої деталі. Ці операції проводять в такий же спосіб, як і для автомобіля 1.

11. Визначають роботу на деформування автомобіля 2, що дорівнює сумі робіт на пошкодження деталей цього автомобіля.

12. Визначають сумарні енергетичні витрати автомобілів, обумовлені їх деформацією та переміщеннями в плоскому русі при відкиданні.

13. Визначають лінійні швидкості відкидання автомобілів, еквівалентні сумарним енергетичним витратам.

14. Визначають модулі V₁ і V₂ шуканих швидкостей руху автомобілів у момент зіткнення.

Описаний спосіб застосовується також для визначення швидкості наїзду транспортного засобу на нерухому перешкоду. В цьому випадку швидкість руху одного з транспортних засобів приймається такою, що дорівнює нулю.

Результати дослідження показують, що будь-яке реальне непружне зіткнення двох транспортних засобів можна привести до енергетично еквівалентного абсолютно пружного удару. Такий підхід дозволяє оперативно і надійно визначити величини швидкостей транспортних засобів.

Недоліком вищенаведеного алгоритму є те, що при визначенні роботи на деформування транспортних засобів як сукупності робіт на деформування їхніх окремих пошкоджених деталей ігнорується конструкційна міцність і жорсткість транспортних засобів, що зіткнулися, як єдиних цілісних конструкцій, що вносить певні похибки в кінцевий результат.

Цей недолік може бути усунено за допомогою емпіричних залежностей, які отримано шляхом обробки численних випробувань (crash-тестів) транспортних засобів в умовах реальних зіткнень та оцінки на цій основі величини роботи на деформування конкретного транспортного засобу як єдиної конструкції.

У відповідності до запропонованого методу для визначення роботи на деформування кожного з автомобілів, які зіткнулися, виконуємо наступні операції:

1. Візуально встановлюємо місця розташування і кількість ділянок пошкоджень на кузовах автомобілів, які зіткнулися, для чого в масштабі зображують їх схеми в горизонтальній площині (види зверху) з позначенням ділянок пошкоджень, які наведені на рис. 2, де поз. 5 з ділянкою пошкодження відноситься до автомобіля 1, а поз. 6 з ділянками пошкодження , і відноситься до автомобіля 2.

Таким чином, на кузові автомобіля 1 є одна ділянка пошкодження (), а на кузові автомобіля 2 - три таких ділянки ().

2. Вимірюють глибину і ширину кожної ділянки пошкоджень автомобілів: для автомобіля 1, який має пошкодження передньої частини по всій ширині автомобіля у вигляді трапеції з виходом на обидві бокові поверхні кузова; для автомобіля 2, який має три пошкодження: перше пошкодження передньої частини у вигляді трикутника з виходом на одну бічну поверхню кузова, друге пошкодження бічної частини у вигляді трикутника без виходу пошкодження на торцеві поверхні кузова, третє пошкодження задньої частини у вигляді трикутника з виходом на одну бічну поверхню кузова.

3. Знаходимо роботу деформацій на всіх ділянках пошкоджень автомобілів.

3.1. Для автомобіля 1 пошкодження трапецеїдальної форми в передній частині кузова з виходом на його обидві бокові поверхні представляється у вигляді суми двох складових: 1) пошкодження прямокутної форми і 2) пошкодження у формі прямокутного трикутника.

3.2 Для пошкодження автомобіля 2, яке знаходиться в його передній частині й має форму прямокутного трикутника з катетами і з виходом на одну бокову сторону кузова.

3.3. Пошкодження автомобіля 2, яке має форму трикутника з основою і висотою на бічній поверхні кузова без виходу на торцеві поверхні , може бути представлене сумою двох складових - двох прямокутних трикутників

3.4. Для пошкодження автомобіля 2, яке знаходиться в його задній частині й має форму прямокутного трикутника з виходом на одну бічну поверхню кузова роботу деформацій можна визначити за формулами, аналогічними для пошкоджень трикутної форми.

4. Визначаються сумарні енергетичні витрати автомобілів, обумовлені їх деформуванням і переміщеннями в плоскому русі при відкиданні. При наявності ненаскрізного за висотою транспортного засобу пошкодження для визначення швидкості його руху можна використовувати формули для наскрізних пошкоджень з наступними поправками шляхом використання відповідних коефіцієнтів перерозподілу робіт деформацій за висотою цього транспортного засобу.

В третьому розділі досліджено деформування та руйнування матеріалів автомобілів при зіткненнях. Тут наведено міру пластичності і характеристики напруженого стану елементів автомобілів, запропоновані діаграми пластичності, а також методику побудови діаграм пластичності, яка включає виконання декількох кроків.

Далі подано метод підрахунку роботи пластичної деформації і наведено запропоновані експериментально-розрахункові методи дослідження напружено - деформованого стану при пластичній деформації металів.

Експериментально-розрахункові методи дослідження напруженого стану у пластичній області достатньо різноманітні й характеризуються способами і точністю вимірів, способами математичної обробки експериментальної інформації та інтерпретації кінцевих результатів. Відомі до нашого часу методи отримання інформації про процеси деформування експериментальним способом обмежуються визначенням переміщень, деформацій, інколи швидкостей течії та певних функцій напружень.

Найбільш широко для дослідження напружено-деформованого стану в пластичній області застосовуються методи, які використовують як вихідну експериментально визначену кінематику процесу. Якщо кінематика (переміщення, швидкості течії) відома, то можна визначити компоненти тензорів деформацій і швидкостей, за ними - ступінь деформації, а за кривою течії або методом виміру твердості - інтенсивність напружень. Далі за деформаційною теорією пластичності або теорією течії можна розрахувати компоненти девіатора напружень, а потім, інтегруючи рівняння рівноваги, визначити також і гідростатичне напруження.

Співвідношення для розрахунку деформацій за викривленими сітками вперше отримано Е. Зібелем і П.О. Пашковим. Рівняння отримано для випадків, коли чарунки початкової квадратної сітки, нанесеної на головній площині, після деформування перетворюються на паралелограми. Отримано більш загальні формули для випадку, коли початкова чарунка вже має форму паралелограма, що особливо важливо при поетапному дослідженні процесів формозмінювання. Методики такого типу є достатньо універсальними. До недоліків належить віднести трудомісткість вимірів, низьку точність вимірів малих деформацій, отримання результатів, усереднених у границях чарунки. Крім того, ці методики дають великі похибки, якщо сторони чарунки після деформування дуже викривлені.

Поряд з безпосереднім дослідженням формозмінення елементарної чарунки методика вимірів може бути побудована на поетапному вимірюванні координат точок (вузлів сітки, позначок та ін.), тобто визначення поля зміщень за даний період часу та подальшому визначенні поля швидкостей деформацій. Далі перехід до напруженого стану виконується за співвідношеннями теорії течії.

Основний недолік розглянутих підходів полягає в тому, що при визначенні девіаторів напружень за викривленням ділильної сітки або за результатами інших експериментальних вимірювань припускається, що вони визначені точно. В дійсності в силу перерахованих вище причин девіатори містять помилки, оцінити які не завжди можливо. В роботі пропонується шукати розв'язки в вигляді функцій, які точно задовольняють рівняння рівноваги, умову пластичності і граничні умови. При цьому використовуються частинні розв'язки, отримані незалежним інтегруванням кожного рівняння рівноваги. Однак, частинні розв'язки можуть розходитися дуже суттєво. Більш обґрунтованим належить вважати підхід, де пропонується точно задовольняти рівняння рівноваги в вузлах розрахункової сітки з певним ослабленням вимог до виконання умови пластичності. Методику засновано на кінцево-різницевому представленні рівняння рівноваги, що затрудняє її використання в областях з складною геометрією і не завжди дозволяє отримати необхідну точність розрахунків.

Приведено методику визначення компонентів тензора напружень для випадку осесиметричної задачі. Компоненти тензора швидкостей деформацій відшукували за наведеною вище методикою. Компоненти девіатора напружень визначали за співвідношеннями теорії течії.

При визначенні роботи, витраченої на руйнування елементів конструкції автомобіля, верхню границю інтеграла будемо визначати, користуючись методами прикладної теорії деформівності. Основним теоретичним напрямком, за допомогою якого розв'язується ця задача, є технологічна механіка, хоча останнім часом з'явилися роботи, в яких процес руйнування при пластичній деформації оцінюється з точки зору фізики твердого тіла. Дислокаційні уявлення розкривають фізичну природу процесу руйнування, зумовленого пластичною деформацією, однак використовувати результати досліджень фізики твердого тіла для кількісної оцінки ймовірності руйнування в реальних процесах обробки тиском поки що неможливо. Тому широке поширення в технологічній практиці отримали феноменологічні теорії, в основі яких лежить гіпотеза про залежність пластичності від історії навантаження, яка в той чи інший спосіб задається в просторі напружень.

Під пластичністю будемо розуміти здатність металу змінювати свою форму без руйнування в вигляді макроскопічного порушення суцільності. Як міру пластичності будемо використовувати накопичену до моменту руйнування пластичну деформацію.

В цьому розділі дисертаційної роботи

1. Запропоновано методи оцінки граничних величин накопиченої деформації при руйнуванні елементів конструкції автомобіля.

2. Розроблено методику дослідження залежності пластичності металів від схеми напруженого стану та методику побудови на цій основі діаграм і поверхонь граничних деформацій для листових матеріалів.

3. Запропоновано експериментально-розрахунковий метод визначення роботи, витраченої на пластичну деформацію елементів конструкції автомобіля на основі інформації про деформацію поверхонь деталі.

4. Розроблено методику оцінювання напружено-деформованого стану в пластичній області при деформації масивних деталей, яка дозволяє достовірно визначити роботу, витрачену на пластичну деформацію.

5. Вперше використано методи прикладної теорії деформівності для розрахунків величини роботи пластичної деформації з урахуванням впливу історії навантаження.

Четвертий розділ роботи присвячено встановленню зв'язку між деформацією елементів конструкцій та змінюванням твердості матеріалів автомобіля при зіткненні.

Повноцінне і докладне вимірювання енергії пластичного деформування дозволяє правдоподібно оцінити кінетичну енергію транспортних засобів, відтак їхню швидкість. При цьому енергія деформування оцінюється інтегрально - за об'ємом утворених пошкоджень кузову, інших частини автомобіля й показано, що у такий спосіб відносно правдоподібний результат можна отримати шляхом надзвичайно трудомістких і тривалих робіт. Часто це пов'язано з повним розбиранням ушкодженого транспортного засобу. Тому постає задача розробити принципово новий підхід до проблеми оцінювання витрат енергії на пластичне деформування деталей автомобілів. В дисертації таке оцінювання здійснюється за допомогою диференціальних вимірювань - вимірювань твердості в декількох точках деформованої деталі.