Физические аспекты безопасности транспортных средств при воздействии снежной лавины Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Список использованной литературы

1. Долгоносов A.M., Прудковский А.Г. Программа адекватного моделирования Ionchrom - эффективное средство решения практических задач ионной хроматографии // Журн. аналитич. химии. 2002. - Т. 57. - №. 12. -С. 1276-1280.

2. Калач А.В. Температура вспышки бинарных растворителей для жидкостной хроматографии / А.В. Калач, О.Б. Рудаков, А.М. Черепахин, А.А. Исаев, Л.В. Рудакова // Конденсированные среды и межфазные границы. -2011. - Т. 13. - № 2 - С. 191-195.

ФИЗИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ БЕЗОПАСНОСТИ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ СНЕЖНОЙ ЛАВИНЫ

А.С. Соловьев, заведующий кафедрой, д.т.н., доцент, А.В. Калач, заместитель начальника института по научной работе,

д.х.н., профессор

Воронежский институт ГПС МЧС России, г. Воронеж

С.Л. Карпов, доцент, Воронежский государственный архитектурно-строительный университет, г. Воронеж

Согласно накопленной за многие годы статистике, снежная лавина при встрече с автомобилями или поездами может вызывать их смещение или опрокидывание [1]. В обоих случаях лавина может существенно переместить транспортное средство (ТС) за пределы автодороги (либо рельсового пути) и привести к падению ТС в кювет сбоку от автодороги (рельсового пути), либо, в более опасном случае, к падению вниз по склону горы.

Современные методы компьютерного моделирования позволяют разработать математическую модель взаимодействия снежной лавины с транспортным средством, и на основе нее изучить характер взаимодействия лавины с транспортным средством, спрогнозировать вероятность переворота и смещения транспортного средства в различных случаях, предложить и оптимизировать меры, снижающие вероятность переворота и существенного смещения транспортного средства [2].

Наиболее опасной является ситуация поперечного действия лавины на ТС, при котором опрокидывание и смещение ТС вероятнее всего. В этом случае можно использовать двухмерную модель снежной лавины и ТС. При этом ТС можно рассматривать, как смещаемый и опрокидываемый объект, прямоугольной формы (в поперечном сечении), опирающийся в двух точках (колеса) на опорную поверхность. Инерционные параметры ТС (масса, момент инерции, положение центра тяжести) приводятся к рассматриваемому поперечному сечению.

Предлагаемая модель является достаточно универсальной, чтобы представить основные классы транспортных средств: легковые и грузовые автомобили, локомотивы и вагоны поездов.

Форма склона и начальное размещение транспортного средства и снежной лавины задаются следующей расчетной схемой (рис. 1). Процесс их моделирования представлен ранее [3].

Рис. 1. Представление в модели поверхности склона, транспортного средства и снежной лавины: а - расчетная схема; б - результат моделирования

Для описания механического движения транспортного средства в сечении х-2 (в поперечном сечении) будем использовать второй закон Ньютона (в каждом из декартовых направлений), а также основной закон динамики вращательного движения:

а2х

т

ТС

ТС

Л,

т

ТС

ТС

а2^

кэ

_ V Г + Г — Г — г ■

ГхЭ — ТС + ГЦБ ГТрЛ ГТрП

МЭ

^хЭ. — ТС + ККЛ + ККП тТСё; J =1 J

N.

(1)

ТС

ТС

Э

= i (м J = 1

к

+м

Г

ТрЛ

+ М

Г

ТрП

э—тс

]+м(ккл)+ м(ркп)

где тТС и /ГС - масса транспортного средства и его момент инерции относительно центра тяжести (точка С); хТС, 2ТС и фТС - декартовы координаты транспортного средства и угол его наклона; ^хЭ]-ТС и FzЭj-ТС -компоненты силы взаимодействия у-го элемента снега с транспортным средством; М(FЭj-ТС) - момент указанной силы относительно центра тяжести ТС; ^ЦБ - центробежная сила в случае движения ТС по повороту дороги; ^ТрЛ, ^ТрП - силы трения, удерживающие левое и правое колеса от смещения в горизонтальном направлении, перпендикулярном направлению движения ТС; ^КЛ и ^КП - силы, действующие на автомобиль со стороны подвесок левого и правого колеса; М(^ТрЛ), М(^ТрП), М(^КЛ), М(ЖП) - моменты указанных выше сил относительно центра тяжести ТС (точки С).

<

1 Э1-ТС

▲ С1 ЦБ

И*кп

1 Ск>

>»Ч»\П> т )>> »> »>

р Р

1 трЛ 1 тр II

Рис. 2. Силы, действующие на транспортное средство и вызывающие его механическое

движение

Интегрирование уравнений движения элементов осуществляется

модифицированным методом Эйлера-Коши, который имеет второй порядок

точности по отношению к координате и первый порядок точности по отношению к скорости.

хт +1 = хт + Ут • ^ + ^. (д02_. (2)

1 1 » тэ 2 ( '

-г

2Т + 1 = 2Т + УТ. • Д1 + 21

рь- (д*)2.

1 1 21 тэ 2 р Т

VТ +1 = VТ. + • д^ (3)

Х1 Х1 т (3)

ШЭ

vт +1 = vт +-21. • д1; 21 21 т тэ

В большинстве компьютерных экспериментов использовали следующие значения параметров модели:

- диаметр элементов снега dЭ = 0,06 м;

- масса элемента снега тЭ = 0,15 кг;

- количество элементов снега N3 = 3000;

- коэффициент жесткости взаимодействия элементов снега между собой с = 300 Н/м;

- коэффициент вязкого трения элементов снега между собой кВ = 1,5 Нс/м;

- коэффициент жесткости взаимодействия элементов снега со склоном

сЭС = 600 НУм;

- коэффициент вязкого трения элементов снега со склоном кЭС = 3,0 Нс/м;

- коэффициент ограничения взаимодействия элементов когр = 1,05;

- длительность компьютерного эксперимента Шах = 100 с.

Начальные условия:

- начальная скорость элементов снега нулевая: vxi(t = 0) = 0; vzi(t=0)=0;

- начальное положение элементов снега:

x. (t = 0) = + К . • L • cosa; (4)

И ' P9 1i пл v '

P9 11 пл z — z

z. (t = 0)= z„Q + (x — x™)-^10-P9 + F . • 3h , (5)

iv ' P9 v i P9 yx — x 2i пл v '

xP10 xP9

где F1i и F2i - реализации случайной величины, имеющей равномерный закон распределения и принимающей значение от 0 до 1; (xP9, zP9) и (xP10, zP10) - координаты точек P9 и P10, задающих склон, на котором образуется лавина (см. ниже); Ьпл и Ипл - длина и высота пласта снега.

Система дифференциальных уравнений описывающих снежную массу, состоящая из нескольких уравнений, в целом является устойчивой по средним значениям переменных (по интегральным параметрам снежной массы): средней плотности, положения центра массы, средней скорости движения. При этом устойчивость каждого отдельного дифференциального уравнения, описывающего движение конкретного элемента снежной массы является низкой, так как элементы снежной массы в процессе своего движения в пространстве то контактируют, то не контактируют между собой в зависимости от их взаимного расположения, и соответственно силы, действующие на них, то появляются, то исчезают.

Можно ожидать, что устойчивость предлагаемой системы уравнений возрастает с повышением степени дискретизации снежной массы, и соответственно с увеличением количества дифференциальных уравнений. Специальные пробные эксперименты показали, что система, состоящая из 4 000-10 000 дифференциальных уравнений, является вполне устойчивой для решения поставленных задач.

Для исследования системы уравнений составлена компьютерная программа «Программа для моделирования взаимодействия снежной лавины со смещаемыми препятствиями» на языке Object Pascal в интегрированной среде программирования Borland Delphi 7.0. Программа предназначена для многократного проведения компьютерных экспериментов по сходу снежной лавины, ее взаимодействия со смещаемыми и опрокидываемым ТС и определения на этой основе поражающего действия снежной лавины, проверки различных мер ослабления действия лавины.

Основные функциональные возможности программы:

- проведение компьютерного эксперимента по сходу снежной лавины и взаимодействия ее с ТС;

- задание основных физико-геометрических параметров лавины, склона,

ТС;

- вывод на экран в процессе компьютерного эксперимента схематичного изображения снежной лавины, склона, транспортного средства, а также графиков временных зависимостей смещений и углов наклона транспортного средства, силы воздействия лавины, энергии лавины.

Основные технические характеристики программы:

- количество элементов лавины от 3000 до 50000.

- ориентировочное время проведения одного компьютерного эксперимента около 5 мин. (при тактовой частоте процессора 3 ГГц).

Список использованной литературы

1. Дюнин А.К., Бялобжеский Г.В., Чесноков А.Г. Защита автомобильных дорог от лавин. М.: Транспорт, 1987. - 61 с.

2. Соловьев А.С., Калач А.В. Математическое моделирование движения лавиноопасных снежных масс // Системы управления и информационные технологии. - 2014. - Т.56. - № 2. - С. 71-75.

3. Соловьев А.С., Калач А.В., Паринов А.В. Особенности математического моделирования зоны распространения снежной лавины // Вестник ВИ ГПС МЧС России. - 2014. - № 4(13). - С.64-68.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ФАЗОМЕНЯЮЩИХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ СИСТЕМ ТЕПЛОЗАЩИТЫ И ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ

И.В. Сычев, доцент, к.ф.-м.н., доцент, Воронежский институт МВД России, г. Воронеж

Известен способ накопления тепла, основанный на использовании обратимого процесса фазового перехода первого рода (плавление -затвердевание). В этом случае в качестве термоаккумулирующего материала используется так называемый фазоменяющий материал. В данной работе предлагается использовать фазоменяющие материалы в спецодежде для индивидуальной защиты человека от неблагоприятных внешних воздействий, а именно, от воздействия теплового излучения открытого пламени. В качестве фазоменяющего материала можно использовать парафины. Достоинства парафинов: большая теплота фазового перехода (удельная теплота плавления парафина 150 кДж/кг); низкий коэффициент теплопроводности (примерно 0,15 Вт/(м К)); низкий коэффициент вязкости; низкая электропроводность; химическая инертность по отношению ко всем материалам; долговечность и стабильность при циклическом изменении агрегатного состояния; температура воспламенения у них намного выше 250 °С; стабильны при нагреве примерно до 250 °С; парафины не кипят, экологически безвредные продукты, не оказывают неблагоприятного воздействия на животных и микроорганизмы и 100 % регенерируемые.

Попробуем оценить вклад скрытой теплоты плавления парафинов в увеличение устойчивости одежды пожарного. Используем уравнение [1] для теплового излучения факела пламени (берем температуру горения дерева 1000 °С):