Tính kết cấu công trình chịu tác dụng của sóng xung kích do một vụ nổ gây ra không còn là vấn đề riêng của lĩnh vực công trình quân sự, mà nhiều công trình công cộng đã đề cập đến và yêu cầu phải tính toán. Tuy nhiên, các bài toán mới xét đến tác dụng độc lập của sóng xung kích do một vụ nổ gây ra. Thực tế cho thấy, công trình có thể tiếp nhận tiếp nhận cùng nột lúc hai hay nhiều nguồn sóng xung kích, hoặc tiếp nhận liên tiếp trong một khoảng thời gian rất ngắn.
NGHIÊN CỨU KHOA HỌC nNgày nhận bài: 14/01/2022 nNgày sửa bài: 24/02/2022 nNgày chấp nhận đăng: 09/3/2022 Ứng dụng phần mềm Abaqus tính tốn áp lực điểm mặt đất chịu tác dụng sóng xung kích hai vụ nổ liên tiếp Abaqus software application calculate the pressure at one point on the soil surface effected by shock waves due to two sequential explosions > TS LÊ HẢI DƯƠNG Viện Kỹ thuật Cơng trình đặc biệt 94 TĨM TẮT Tính kết cấu cơng trình chịu tác dụng sóng xung kích vụ nổ gây khơng cịn vấn đề riêng lĩnh vực cơng trình qn sự, mà nhiều cơng trình cơng cộng đề cập đến u cầu phải tính tốn Tuy nhiên, toán xét đến tác dụng độc lập sóng xung kích vụ nổ gây Thực tế cho thấy, cơng trình tiếp nhận tiếp nhận nột lúc hai hay nhiều nguồn sóng xung kích, tiếp nhận liên tiếp khoảng thời gian ngắn Hiện nay, chưa có nhiều nghiên cứu lý thuyết tác dụng liên tiếp sóng xung kích vụ nổ, nghiên cứu thực nghiệm cơng bố, cơng thức chun ngành có để tính tốn kết cấu chịu tác dụng liên tiếp nhiều sóng xung kích chưa thể đáp ứng lớp toán khác Với phát triển khoa học công nghệ, nhiều phần mềm chuyên ngành giải số tốn phức tạp tác dụng nhiều sóng xung kích Trong đó, phải kể đến phần mềm Abaqus Từ khóa: Sóng xung kích; tác dụng liên tiếp; phần mềm abaqus ABSTRACT Calculating the structure under the effects of a shock wave caused by an explosion is no longer exclusively of the field of military works, but many public works have mentioned and required calculations However, the problems only consider the independent effects of shock waves caused by an explosion Reality, the building can receive and receive at the same time two or more shock wave sources, or receive consecutively in a very short period of time At present, there are not many theoretical studies on the effects of shock waves in succession of explosions, experimental studies are also very few published, and specialized formulas are available to calculate structures subjected to successive effects of many shock waves cannot satisfy different classes of problems With the development of science and technology, many specialized software can solve some complex problems such as the effect of many shock waves In which, Abaqus software must be mentioned Keywords: Shock waves; successive effects; software abaqus GIỚI THIỆU Sóng xung kích (Shock wave) mặt gián đoạn lan truyền mơi trường khơng khí mà qua mặt truyền sóng thơng số khí động, nhiệt động mật độ, áp suất, nhiệt độ, vận tốc, … bị gián đoạn với bước nhảy hữu hạn Sóng xung kích hình thành vật chất nổ khơng khí, mơi trường khơng khí xung quanh khối thuốc nổ bị nén mạnh lan truyền xung quanh với tốc độ lớn, tạo nên nhảy vọt tham số trạng thái khí mật độ, nhiệt độ, áp suất… Tham số quan trọng nghiên cứu sóng xung kích siêu áp mặt sóng (ΔPФ), sở để xác định tham số khác, nhân tố để xác định áp lực tác dụng lên chướng ngại đặt mặt đất, xác định áp lực sóng nén tác dụng lên cơng trình đặt đất Muốn xác định tải trọng sóng nén tác dụng lên cơng trình đặt đất, trước hết phải xác định áp lực sóng xung kích điểm mặt đất phía cơng trình Đối với tốn có vụ nổ, có đầy đủ sở lý thuyết để xác định áp lực điểm mặt đất, nên việc tính tốn tường minh, giải tốn phương pháp giải tích cách đơn giản Với tốn có từ hai vụ nổ liên tiếp xảy ra, việc ứng dụng phần mềm chun dụng vào tính tốn áp lực điểm khảo sát mặt đất nhằm giải toán phức tạp, đồng thời so sánh nghiên cứu phương pháp mô số với lý thuyết tính tốn có 3.2022 ISSN 2734-9888 BÀI TỐN NGHIÊN CỨU Cơng trình nằm sâu đất, chịu tác dụng hai vụ nổ liên tiếp mặt đất Sóng xung kích từ hai vụ nổ gây áp lực điểm M, hình thành sóng nén lan truyền đất tác dụng lên kết cấu cơng trình dạng tải trọng động tác dụng ngắn hạn Nhiệm vụ đặt phải xác định áp lực sóng xung kích điểm M mặt đất hai khối chất nổ C1 C2 nổ liên tiếp C1 C2 R 5m R M 10m Hình - Mơ hình tốn Mơ hình nghiên cứu hai lượng nổ C1 = C2 = 100kg thuốc nổ TNT, đặt cao mặt đất 5,0m, tâm chấn cách điểm M khoảng 10,0m Bề mặt đất lu nèn chặt, có mơ đun đàn hồi E = 4250 Mpa Hai lượng nổ nổ cách khoảng thời gian theo tốn khảo sát với trường hợp: hai sóng xung kích giao vùng pha nén; hai sóng xung kích giao vùng pha dãn; hai sóng xung kích khơng giao 2.1 Cơ sở lý thuyết Bằng thực nghiệm giáo sư Xa-đốp-sky xác định trị số siêu áp mặt sóng xung kích nổ mơi trường khơng khí vơ P 0,84 3C C 2,7 R R Z (5) Hình - Chu kỳ sóng lớn tổng thời gian trì pha nén pha dãn C [1][2]: 3C R (1) đó: ΔP siêu áp mặt sóng, kG/cm2; C trọng lượng khối thuốc nổ, kg; R khoảng cách từ điểm tính tốn đến tâm nổ, m Sóng xung kích lan truyền khu gần, gặp mặt đất phản xạ lại (phản xạ diện) hình thành sóng gọi sóng phản xạ (ΔPfx) [1][2]: Pfx 2P Z Hay nói cách khác, cường độ mặt sóng thứ cấp phụ thuộc vào vị trí so với mặt sóng sơ cấp biểu đồ áp lực theo thời gian (Hình 2, 3, 4, 5) 10m hạn khoảng cách R ≥ 0,8 áp lực điểm M phụ thuộc vào quy luật biến thiên siêu áp sau mặt sóng theo thời gian độ cứng bề mặt đất, mà phụ thuộc vào mối tương quan chu kỳ sóng (Z) thời gian tồn nhiễu động nén sóng (+) theo biểu thức (5) P P 7,2 Hình - Chu kỳ sóng nằm ngồi thời gian trì pha nén pha dãn (2) Sóng xung kích lan truyền khu xa, gặp sóng phản xạ từ mặt đất tạo thành sóng kết hợp, gọi sóng bề mặt (ΔPbm) [1][2]: P R H (3) Pbm P 1 P 7,2 2R Trong loạt nổ, khối nổ loại chất nổ, chế gây nổ nên coi công suất khối chất nổ không đổi điều khiển nổ Do đó, tính chất tham số sóng xung kích khối chất nổ sinh (khi xét nổ độc lập) Tuy nhiên, ảnh hưởng siêu áp mặc sóng sơ cấp ΔP(i-1) làm tăng mật độ môi trường, gây ảnh hưởng đến mặt sóng thứ cấp ΔP (i) Khi đó, siêu áp mặt sóng thứ cấp xác định theo cơng thức [4]: P ( i ) i 1 P ( i 1) (4) đó, α(ρi-1) hàm số phản ánh ảnh hưởng mức tăng mật độ mơi trường sóng sơ cấp (i-1) gây đến siêu áp mặt sóng thứ cấp (i) Cường độ mặt sóng xung kích phụ thuộc vào mật độ mơi trường trước mặt sóng, mà mật độ mơi trường cao hay thấp lại tùy thuộc vào thời điểm xuất sóng thứ cấp (i) Điều có nghĩa là, Hình - Chu kỳ sóng nằm thời gian trì pha nén Để xác định giá trị siêu áp mặt sóng xung kích thứ cấp, nhà khoa học [4], nghiên cứu thí nghiệm trường kết hợp với tính tốn, xây dựng tập hợp thống kê biểu phụ thuộc tải trọng hệ số động lực vào số vụ nổ loạt nổ tỷ số chu kỳ sóng với thời gian trì tác dụng nén sóng Từ tập thống kê đó, xác định hàm ảnh hưởng mức độ tăng mật độ mơi trường siêu áp mặt sóng thứ cấp, từ tính giá trị trung bình hàm α(ρi-1) khoảng Z , Z định [4] ISSN 2734-9888 3.2022 95 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Bảng 1: Giá trị trung bình hàm α(ρi-1) Z ; Z 1 2 3 4 0,05; 0,15 1,510 1,078 1,056 1,034 0,15; 0,30 1,393 1,053 1,032 1,027 0,30; 0,60 1,198 1,036 1,018 1,009 2.3 Thử nghiệm số Thử nghiệm số phần mềm Abaqus, mơ hình có E = 4250Mpa, kích thước 30m x 30m x 10m, chia lưới 1,0m Lượng nổ RP-1 RP-2 khối lượng 100kg, đặt khơng khí, cao mặt 5,0m, khoảng cách đến điểm khảo sát 10,0m Loạt nổ có hai lượng nổ, công thức (4) xác định giá trị siêu áp mặt sóng thứ cấp theo mặt sóng sơ cấp viết lại sau [4]: P 1 P (6) 2.2 Giải tốn theo cơng thức lý thuyết Siêu áp mặt sóng xung kích xác định theo (1), sóng bề mặt xác định theo (2), tham số sóng xác định theo cơng thức thực nghiệm Xa-đốp-sky, phương trình siêu áp mặt sóng điểm M lượng nổ thứ C1 gây ra: t P 1,31 (kG/cm ) 0,011 (7) Hình - Tác dụng nổ lượng nổ độc lập t Pbm1 3,12 (kG/cm ) 0,011 (8) a) Biểu đồ sóng xung kích b) Biểu đồ sóng bề mặt Hình - Biểu đồ áp lực sóng xung kích, sóng bề mặt điểm M Siêu áp mặt sóng điểm M lượng nổ thứ hai C2 gây xác định theo (4) với chu kỳ gây nổ Z1 = 0,002s (Chu kỳ sóng nằm thời gian trì pha nén): Hình - Tác dụng nổ hai lượng nổ liên tiếp Chu kỳ nổ Z1 thay đổi tùy theo điều kiện toán khảo sát để đánh giá mức độ ảnh hưởng lẫn sóng xung kích loạt nổ liên tiếp lượng nổ Kết khảo sát nhận biểu đồ sóng xung kích điểm M sau: t Pbm2 5, 07 (kG/cm2) (9) 0,011 Hai trường hợp lại: chu kỳ sóng nằm ngồi thời gian trì pha nén pha dãn; chu kỳ sóng lớn tổng thời gian trì pha nén pha dãn, siêu áp mặt sóng xung kích thứ cấp lượng nổ C2 gây so với siêu áp mặt sóng sơ cấp lượng nổ C1 gây tăng không đáng kể nên xem không ảnh hưởng trường siêu áp sóng xung kích t Pbm1 Pbm1 3,12 (kG/cm2) 0, 011 (10) Hình - Áp lực sóng xung kích nổ lượng nổ độc lập Hình - Mơ hình thử nghiệm số phần mềm Abaqus 96 3.2022 ISSN 2734-9888 Hình 10 - Áp lực sóng xung kích nổ liên tiếp hai lượng nổ, chu kỳ nổ Z1 = 0,002s - Tác dụng lượng nổ thứ cấp tăng lên đáng kể lượng nổ thứ hai gây siêu áp mặt sóng xung kích thứ cấp nằm vùng nén sóng xung kích sơ cấp, gần khơng gia tăng mặt sóng xung kích thứ cấp nằm vùng dãn nằm thời gian tác dụng sóng xung kích sơ cấp Hình 11 - Áp lực sóng xung kích nổ liên tiếp hai lượng nổ, chu kỳ nổ Z1 = 0,03s Hình 12 - Áp lực sóng xung kích nổ liên tiếp hai lượng nổ, chu kỳ nổ Z1 = 0,06s Bảng 2: Giái trị lớn áp lực mặt sóng điểm M (kG/cm2) tính theo cơng thức lý thuyết thử nghiệm số phần mềm Abaqus Một Chu kỳ hai lượng nổ liên hoàn Phương lượng nổ pháp độc lập Z1 =0,002s Z1 = 0,03s Z1 =0,06s Công thức lý thuyết 3,12 5,07 3,12 3,12 Thử nghiệm số 2,73 5,06 2,99 2,73 KẾT LUẬN Các kết thu khẳng định tính hợp lý phương pháp nghiên cứu thử nghiệm số mơ hình phần mềm Abaqus, phù hợp với kết nghiên cứu thí nghiệm trường để xây dựng cơng thức tính tốn lý thuyết nhà khoa học thuộc Khoa Cơng trình qn (nay Viện Kỹ thuật Cơng trình đặc biệt) thực Khi tạo loạt nổ, chu kỳ gây nổ có vai trị quan trọng định cường độ tác dụng sóng nổ Trong đó, chu kỳ nổ tạo mặt sóng xung kích thứ cấp vùng tác dụng nén sóng sơ cấp làm gia tăng áp lực Đây sở để tính tốn tải trọng tác dụng lên cơng trình chịu tác dụng liên tiếp lượng nổ thiết kế chu kỳ gây nổ với mục đích sử dụng khác Kết thu cung cấp thêm cách tiếp cận mới, hình thức nghiên cứu cho vấn đề nghiên cứu tác dụng nổ liên tiếp lượng nổ TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Trí Tá, Vũ Đình Lợi, Đặng Văn Đích (2008), Giáo trình cơng tập I, Học viện Kỹ thuật quân sự: 71-92 [2] Vũ Đình Lợi (2005), Giáo trình Cơng (dùng cho học viên cao học chuyên ngành xây dựng CTQP), Học viện Kỹ thuật quân sự: 23-36 [3] Vũ Đình Lợi (2002), Tập giảng truyền sóng nổ tải trọng nổ, Học viện Kỹ thuật quân [4] Nguyễn Thuận, Đỗ Như Tráng, Lê Hồng Đức, Lưu Trọng Giang (1980), Phương pháp xác định siêu áp mặt sóng xung kích gây nhiều vụ nổ liên tiếp bom máy bay B-52 mục tiêu, Học viện Kỹ thuật quân [5] Dragos, J., Wu, C (2014) Interaction between direct shear and flexural responses for blast loaded one way reinforced concrete slabs using a finite element model Engineering Structures, 72:193-202 [6] Kot, C A., Valentin, R A., McLennan, D A., Turula, P (1978) Effects of air blast on power plant structures and components Technical report, Argonne National Lab, IL (USA) [7] ABAQUS Theory Manual, revision 2020, Pawtucket, Rhode Island, USA, 2020 NHẬN XÉT: - Kết nghiên cứu theo hai phương pháp tương đồng, phản ánh độ tin cậy phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu mơ hình thử nghiệm số cho kết nhỏ hơn, thể tính an tồn nghiên cứu lý thuyết cơng thức tính xây dựng từ kết thực nghiệm trường Mặt khác, nghiên cứu thử nghiệm số thể cách đầy đủ trình trì áp lực mặt sóng theo thời gian ảnh hưởng áp lực sóng sơ cấp đến áp lực sóng thứ cấp Đây sở để xây dựng mơ hình tải trọng động làm đầu vào tính tốn kết cấu cơng trình đặt sâu đất chịu tác dụng sóng xung kích lan truyền mặt đất tác dụng nổ liên tiếp lượng nổ ISSN 2734-9888 3.2022 97 ... Áp lực sóng xung kích nổ liên tiếp hai lượng nổ, chu kỳ nổ Z1 = 0,002s - Tác dụng lượng nổ thứ cấp tăng lên đáng kể lượng nổ thứ hai gây siêu áp mặt sóng xung kích thứ cấp nằm vùng nén sóng xung. .. xung kích sơ cấp, gần khơng gia tăng mặt sóng xung kích thứ cấp nằm vùng dãn nằm ngồi thời gian tác dụng sóng xung kích sơ cấp Hình 11 - Áp lực sóng xung kích nổ liên tiếp hai lượng nổ, chu kỳ nổ. .. 12 - Áp lực sóng xung kích nổ liên tiếp hai lượng nổ, chu kỳ nổ Z1 = 0,06s Bảng 2: Giái trị lớn áp lực mặt sóng điểm M (kG/cm2) tính theo cơng thức lý thuyết thử nghiệm số phần mềm Abaqus Một