Nghiên cứu ảnh hưởng độ cứng của nền đến áp lực của sóng xung kích trên mặt đất bằng phần mềm Abaqus

Bài viết Nghiên cứu ảnh hưởng độ cứng của nền đến áp lực của sóng xung kích trên mặt đất bằng phần mềm Abaqus trình bày sự hình thành và lan truyền của sóng xung kích khi nổ trong không khí. Phương pháp xác định áp lực sóng tới, sóng phản xạ và sóng bề mặt khi sóng xung kích tiếp xúc với mặt đất và kết quả nghiên cứu bằng phần mềm Abaqus về ảnh hưởng của độ cứng bề mặt đất đến áp lực sóng phản xạ và sóng bề mặt trên mặt đất. Từ đó có những khuyến cáo về việc tính toán áp lực sóng phản xạ và sóng bề mặt khi xét đấn độ cứng của nền đất.

NGHIÊN CỨU KHOA HỌC nNgày nhận bài: 19/8/2022 nNgày sửa bài: 15/9/2022 nNgày chấp nhận đăng: 16/10/2022 Nghiên cứu ảnh hưởng độ cứng đến áp lực sóng xung kích mặt đất phần mềm Abaqus Research on the effect of soil surface hardness on pressure of shock waves on the ground by using Abaqus software > PGS.TS NGUYỄN TRÍ TÁ 1, KS HÀ DUY TÂN 1 Học viện Kỹ thuật Quân TÓM TẮT Bài báo trình bày hình thành lan truyền sóng xung kích nổ khơng khí Phương pháp xác định áp lực sóng tới, sóng phản xạ sóng bề mặt sóng xung kích tiếp xúc với mặt đất kết nghiên cứu phần mềm Abaqus ảnh hưởng độ cứng bề mặt đất đến áp lực sóng phản xạ sóng bề mặt mặt đất Từ có khuyến cáo việc tính tốn áp lực sóng phản xạ sóng bề mặt xét đấn độ cứng đất Từ khóa: Sóng xung kích; sóng phản xạ; độ cứng bề mặt, phần mềm abaqus ABSTRACT The paper presents the formation and propagation of shock waves when exploding in air Method of determining incident wave pressure, reflected wave and surface wave when the shock wave is in contact with the ground and research results using Abaqus software on the influence of soil surface hardness on reflected wave pressure and surface waves on the ground From there, recommendations are made on the calculation of reflected wave pressure and surface wave when considering the stiffness of the ground Keywords: Shock waves; reflected wave; soil surface hardness; software abaqus ĐẶT VẤN ĐỀ Sóng xung kích nổ khơng khí lan truyền đến bề mặt đất gây tượng phản xạ, làm tăng giá trị áp lực sóng xung kích tác dụng lên cơng trình Tùy theo vị trí cơng trình so với chấm tâm, giá trị áp lực sóng phản xạ sóng bề mặt (là sóng kết hợp sóng phản xạ sóng tới ) Thực 90 11.2022 ISSN 2734-9888 tế, áp lực sóng phản xạ hay sóng bề mặt phụ thuộc vào nhiều yêu tố: cường độ áp lực, độ cứng bề mặt tiếp nhận, độ lún đất Hiện nay, lý thuyết tính tốn áp lực phản xạ hay sóng bề mặt giả thiết đất cứng tuyệt đối, không chuyển vị, đất khơng hồn tồn vậy, đất có mơ đun đàn hồi khác vị trí thời điểm khác nhau, có chuyển vị khơng tuyệt đối cứng Vì vậy, tính chất mềm thơng qua chuyển vị chịu tác dụng áp lực sóng xung kích làm hấp thụ phần lượng sóng xung kích Do đó, áp lực sóng phản xạ hay sóng bề mặt mặt đất giảm so với tính tốn lý thuyết coi đất cứng tuyệt đối XÂY DỰNG MƠ HÌNH BÀI TỐN NGHIÊN CỨU Có vụ nổ khơng khí cách mặt đất H với khối lượng thuốc nổ C Nhiệm vụ tính tốn áp lực sóng xung kích mặt đất điểm A với R = 0m, điểm nhận sóng phản xạ diện Tại điểm B với R = 5m, điểm biên giới sóng phản xạ sóng bề mặt điểm C với R = 7m, điểm nhận sóng bề mặt hình Bề mặt đất có mơ đun đàn hồi E thay đổi với giá trị sau E: 50 MPa, 100 MPa, 250 MPa, 500 MPa, 1000 MPa, 2000 MPa, 3000 MPa, 4000 MPa, 5000 MPa Các tham số mật độ khối lượng  hệ số Poison  khơng đổi Hình Mơ hình tốn 2.1 Cơ sở lý thuyết Khi 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 Từ đặc điểm hình thành sóng xung kích Với lan truyền sóng xung kích hình 2.2 Giải tốn theo cơng thức lý thuyết Các tham số sóng xác định theo cơng thức thực nghiệm Xa-đốp-sky, theo đó, áp lực sóng tới ΔP xác định theo cơng thức (1), áp lực sóng phản xạ ΔPfx xác định theo công thức (2) áp lực sóng bề mặt ΔPbm xác định theo cơng thức (3) Kết tính tốn áp lực điểm A, B, C sau: a Tại điểm A Áp lực sóng tới: P siêu áp mặt sóng tới, Pfx siêu áp mặt sóng phản xạ, Pbm siêu áp mặt sóng bề mặt Hình Sự lan truyền sóng xung kích Bằng thực nghiệm Giáo sư Xa-đốp-sky xác định trị số siêu áp mặt sóng xung kích nổ mơi trường khơng khí vơ hạn khoảng cách R ≥ 0,8  P 0,84 3   t Áp lực sóng phản xạ: Pfx  4,6   , (Mpa) 0,006497   Quy luật sóng tới sóng phản xạ theo thời gian C [1][2]: 3C C  2,7   R R   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 R  H gặp mặt đất phản xạ lại (phản xạ diện) hình thành sóng gọi sóng phản xạ (ΔPfx) [1][2]: Pfx 2P    t P  0,87   , (Mpa), 0,006497   6P P  7, (2) Sóng xung kích lan truyền khu xa H  R  10 H , gặp sóng phản xạ từ mặt đất kết hợp với sóng tới, gọi sóng bề mặt (ΔPbm) [1][2]:  P  R  H   (3) Pbm  P 1   P  7, 2 R   Quy luật sóng xung kích theo thời gian: a Quy luật sóng tới điểm A b Quy luật sóng phản xạ điểm A Hình Quy luật sóng tới sóng phản xạ theo thời gian điểm A b Tại điểm B điểm C Áp lực sóng phản xạ điểm B:   t 1,49  Pfx   , (Mpa), 0,007446   Áp lực sóng bề mặt điểm C:   t 0,687 1 Pbm   , (Mpa) 0,008212   n t  P t   Pmax 1 -  (4)   Trong đó: ΔPmax áp lực sóng tới, áp lực sóng phản xạ áp lực sóng bề mặt  thười gian tác dụng pha nén phụ thuộc vào giá trị ΔPmax tỷ số R C n số nhị thức phụ thuộc vào giá trị ΔPmax Hình Quy luật sóng xung kích theo thời gian a Quy luật sóng phản xạ điểm B b Quy luật sóng bề mặt điểm C Hình Quy luật sóng phản xạ điểm B sóng bề mặt điểm C 2.3 Kết tính áp lực sóng theo phần mềm Abaqus Nền đất chọn với kích thước 30 x 30 x 10 (m), liên kết ngàm cố định đáy, trọng lượng riêng γ=1600kg/m3 hệ số Poisson =0,3 Điểm xác định áp lực cách tâm chấn R = 0m; R = 5m; R = 7m Khối thuốc nổ TNT có trọng lượng 100Kg nằm khơng khí, cách mặt đất 5m Hình Mơ hình tốn ISSN 2734-9888 11.2022 91 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Hình Mơ hình tác dụng nổ áp lực sóng xung kích lên bề mặt đất a Áp lực sóng phản xạ điểm A Kết mơ với trường hợp thay đổi mô đun đàn hồi E đất: Hình 13 Áp lực (Pa) điểm A mặt đất E = 2000 MPa Hình 14 Áp lực (Pa) điểm A mặt đất E = 3000 MPa Hình Áp lực P (Pa) điểm A mặt đất E = 50 MPa Hình 15 Áp lực (Pa) điểm A mặt đất E = 4000 Mpa Hình Áp lực (Pa) điểm A mặt đất E = 100 MPa Hình 10 Áp lực (Pa) điểm A mặt đất E = 250 MPa Hình 16 Áp lực (Pa) điểm A mặt đất E = 5000 Mpa Hình 11, Áp lực (Pa) điểm A mặt đất E = 500 MPa Hình 12 Áp lực (Pa) điểm A mặt đất E = 1000 MPa 92 11.2022 ISSN 2734-9888 Hình 17 Biểu đồ quan hệ áp lực sóng phản xạ điểm A mơ đun đàn hồi đất b Áp lực sóng phản xạ điểm B Tương tự kết tính tốn áp lực sóng phản xạ điểm B cho bảng Bảng Tổng hợp kết khảo sát áp lực điểm A E (MPa) 50 100 250 500 1000 2000 3000 4000 5000 Theo lý thuyết (Mpa) 4,6 4,6 4,6 4,6 4,6 4,6 4,6 4,6 4,6 Theo Abaqus (MPa) 0,995 1,58 2,68 3,26 3,84 3,99 4,06 4,10 4,35 Bảng Tổng hợp kết khảo sát áp lực điểm B E (MPa) 50 100 250 500 1000 2000 3000 4000 5000 Theo lý thuyết (MPa) 1,49 1,49 1,49 1,49 1,49 1,49 1,49 1,49 1,49 Theo Abaqus (MPa) 0,58 0,619 0,73 0,88 0,93 1,02 1,05 1,16 1,18 Bảng Tổng hợp kết khảo sát áp lực điểm C E (MPa) Theo lý thuyết (MPa) Theo Abaqus (MPa) 50 100 250 500 1000 2000 3000 4000 5000 0,69 0,69 0,69 0,69 0,69 0,69 0,69 0,69 0,69 0,31 0,42 0,49 0,53 0,55 0,56 0,56 0,59 0,61 cứng tăng giá trị sóng phản xạ hay sóng bề mặt tăng Tuy nhiên, giá trị lớn tiệm cận giá trị tính tốn theo lý thuyết Điều chứng tỏ kết từ lý thuyết coi bề mặt đất cứng tuyệt đối nên giá trị áp lực sóng phản xạ sóng bề mặt điểm khơng đổi - Tại vị trí xa tâm nổ áp lực sóng phản xạ hay sóng bề mặt giảm phản ánh quy luật lan truyền sóng xung kích mặt đất Hình 18 Biểu đồ quan hệ áp lực sóng phản xạ điểm B mô đun đàn hồi đất c Áp lực sóng bề mặt điểm C Tính tốn tương tự như kết tính tốn áp lực sóng bề mặt điểm C cho bảng Hình 19 Biểu đồ quan hệ áp lực sóng bề mặt điểm C mơ đun đàn hồi đất Nhận xét: - Kết nghiên cứu theo phần mềm Abaqus cho thấy, độ KẾT LUẬN Các kết thu khẳng định tính hợp lý phương pháp nghiên cứu thử nghiệm số phần mềm Abaqus với kết nghiên cứu cơng thức thực nghiệm để tính tốn áp lực sóng xung kích mặt đất có xét đến phản xạ đất Theo lý thuyết coi đất tuyệt đối cứng, quan điểm thiên an tồn áp lực tính tốn cao áp lực thực tế Vì vậy, cần xem xét ảnh hưởng độ cứng đến áp lực sóng phản xạ sóng bề mặt tính tốn thiết kế cơng trình đặt khu gần khu xa chịu tác dụng sóng xung kích khơng khí sát với thực tế 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] 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 [5] 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) [6] ABAQUS Theory Manual, revision 2020, Pawtucket, Rhode Island, USA, 2020 ISSN 2734-9888 11.2022 93 ... tốn áp lực sóng xung kích mặt đất có xét đến phản xạ đất Theo lý thuyết coi đất tuyệt đối cứng, quan điểm thiên an tồn áp lực tính tốn cao áp lực thực tế Vì vậy, cần xem xét ảnh hưởng độ cứng đến. .. tính tốn áp lực điểm A, B, C sau: a Tại điểm A Áp lực sóng tới: P siêu áp mặt sóng tới, Pfx siêu áp mặt sóng phản xạ, Pbm siêu áp mặt sóng bề mặt Hình Sự lan truyền sóng xung kích Bằng thực... A mặt đất E = 3000 MPa Hình Áp lực P (Pa) điểm A mặt đất E = 50 MPa Hình 15 Áp lực (Pa) điểm A mặt đất E = 4000 Mpa Hình Áp lực (Pa) điểm A mặt đất E = 100 MPa Hình 10 Áp lực (Pa) điểm A mặt đất