BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ CÔNG NGHIỆP LONG AN NGUYỄN THANH TÙNG MÔ PHỎNG SỰ ẢNH HƢỞNG CỦA TẢI NỔ TRONG KHU VỰC DÂN CƢ BẰNG PHƢƠNG PHÁPPHẦN TỬ HỮU HẠN LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành[.]
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ CÔNG NGHIỆP LONG AN NGUYỄN THANH TÙNG MÔ PHỎNG SỰ ẢNH HƢỞNG CỦA TẢI NỔ TRONG KHU VỰC DÂN CƢ BẰNG PHƢƠNG PHÁPPHẦN TỬ HỮU HẠN LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành:Kỹ thuật Xây Dựng Mã số: 8.58.02.01 Long An - 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ CÔNG NGHIỆP LONG AN NGUYỄN THANH TÙNG MÔ PHỎNG SỰ ẢNH HƢỞNG CỦA TẢI NỔ TRONG KHU VỰC DÂN CƢ BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành:Kỹ thuật Xây Dựng Mã số: 8.58.02.01 Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS Trƣơng Tích Thiện Long An - 2020 i LỜI CAM ĐOAN Ngồi kết tham khảo từ cơng trình khác ghi luận văn, xin cam kết luận văn tơi thực luận văn nộp Trường Đại học Kinh tế Công nghiệp Long An Tôi xin cam đoan rằng: Số liệu kết nghiên cứu luận văn hoàn toàn trung thực chưa sử dụng công bố cơng trình khác Mọi giúp đỡ cho việc thực luận văn cảm n thơng tin trích dẫn luận văn ghi rõ nguồn gốc HỌC VIÊN THỰC HIỆN Nguyễn Thanh Tùng ii LỜI CẢM ƠN Luận văn cao học hồn thành kết q trình học tập nghiên cứu học viên Trường Đại học Kinh tế Công nghiệp Long An Bên cạnh nỗ lực học viên, hồn thành chư ng trình luận văn thiếu giảng dạy, quan tâm, giúp đỡ tập thể Thầy, Cô khoa Kiến trúc Xây dựng (Trường Đại học Kinh tế Công nghiệp Long An) q trình học tập hồn thành luận văn cao học Nhân đây, xin chân thành cảm n thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Trƣơng Tích Thiện tập thể thầy cô, đồng nghiệp tận tình quan tâm, hướng dẫn, truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm, tạo điều kiện thuận lợi giúp tơi hồn thành tốt luận văn Cũng này, xin trân trọng cám n gia đình, bạn bè, tập thể lớp Cao học Xây dựng hỗ trợ trình học tập thực luận văn HỌC VIÊN THỰC HIỆN Nguyễn Thanh Tùng iii Tóm tắt luận văn Ngày nay, nhiều vụ tai nạn công nghiệp kèm theo vụ nổ xảy khắp giới Ngoài ra, gia tăng số lượng hành vi khủng bố thực vụ nổ quan sát Để cải thiện an toàn tịa nhà cơng trình, cần phải nâng cao khả chống lại hiệu ứng nổ, dự đốn mức độ thiệt hại tiềm tàng tải trọng nổ có cường độ khác Một mục tiêu việc thiết kế cấu trúc chống lại hiệu ứng nổ để xác định phản ứng động cấu trúc tác động sóng nổ Để cuối cùng, áp lực thoáng qua tường cấu trúc kỹ thuật dân dụng xác định Trong năm gần đây, nhiều nỗ lực dành cho việc phát triển phư ng pháp thuật tốn đáng tin cậy để phân tích thực tế h n cấu trúc chịu tải trọng nổ Các mô cấp độ kỹ thuật cho phép người ta ước tính tác động sóng nổ tịa nhà bị lập Sự phức tạp tịa nhà, diện cấu trúc gần mơi trường xung quanh tính đến Các kỹ thuật phần mềm hỗ trợ máy tính tiên tiến kết hợp với phư ng pháp mơ hình thành phố ba chiều rời rạc cho phép mơ phân tích ảnh hưởng vụ nổ khu vực thị với độ xác cao.Đề tài giúp người đọc hiểu thêm tính chất độ ảnh hưởng vụ nổ iv SIMULATION OF THE EFFECTS OF BLAST LOADING ON STRUCTURES IN THE RESIDENTIAL AREA BY FINITE ELEMENT METHOD Today, many industrial accidents accompanied by explosions are happening around the world In addition, an increase in the number of acts of terrorism committed by blasts is observed To improve the safety of buildings and structures, it is necessary to improve the ability to resist explosive effects, as well as to predict the extent of potential damage when the explosive load is different intensity One of the main goals in designing the structure against explosive effects is to determine the dynamic response of the structures to the effects of the explosion To that end, transient pressure on the walls of civil engineering structures will be determined In recent years, much effort has been devoted to developing reliable methods and algorithms for more realistic analysis of explosive load-bearing structures Technical-level simulations allow one to estimate the impact of a wave on isolated buildings The complexity of the building, the presence of nearby structures and the surrounding environment can be taken into account Advanced computer-aided engineering techniques combined with the latest methods of discrete three-dimensional city modeling allow simulation and analysis of the effects of explosions in urban areas with high accuracy The topic will help readers understand more about the nature and impact of an explosion v MỤC LỤC MỤC LỤC .v LỜI NÓI ĐẦU Error! Bookmark not defined ĐỊNH NGHĨA TỪ VIẾT TẮT vii KÝ HIỆU viii DANH MỤC BẢNG ix DANH MỤC HÌNH x CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI .1 1.1 Ý nghĩa đề tài 1.2 Đối tượng phư ng pháp nghiên cứu Error! Bookmark not defined 1.3 Giới thiệu module Ansys Autodyn 26 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 12 2.1 Quan hệ trạng thái ứng suất trạng thái biến dạng 12 2.2 Tổng quan lý thuyết phần tử hữu hạn (FEM) 15 2.2.1 Khái niệm 15 2.2.2 Trình tự phân tích tốn theo FEM 16 2.2.3 FEM toán động lực học ( Explicit Dynamic) .18 2.3 Hiện tượng nổ .20 2.4 Phư ng pháp phần tử hữu hạn Arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) 24 CHƯƠNG KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 28 3.1 Bài toán 28 3.1.1 Giới thiệu toán .28 3.1.2 Thông số vật liệu 29 vi 3.1.3 Mơ hình hình học .30 3.1.4 Mơ hình phần tử hữu hạn 31 3.1.5 Q trình thiết lập tốn 32 3.1.6 Kết mô .40 3.1.7 Nhận xét .51 3.2 Bài toán 52 3.2.1 Giới thiệu toán .52 3.2.2 Thông số vật liệu 52 3.2.3 Mơ hình hình học .52 3.2.4 Mơ hình phần tử hữu hạn 54 3.2.5 Quá trình thiết lập toán 55 3.2.6 Kết tính tốn 60 3.2.7 Nhận xét .70 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 77 4.1 Kết luận .77 4.2 Kết đạt 77 4.3 Hạn chế hướng phát triển .78 TÀI LIỆU THAM KHẢO .1 vii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT STT Từ viết tắt Thuật ngữ tiếng Anh Thuật ngữ tiếng Việt ALE Arbitrary Lagrange Euler Phư ng pháp Lagrange-Euler FEM Finite Element Method Phư ng pháp phân tử hữu hạn JWL Jones-Wilkins-Lee Phư ng trình Jones-Wilkins-Lee viii KÝ HIỆU Ký hiệu Mơ tả Các ứng suất Các biến dạng Các ứng suất tiếp ̇ Tốc độ biến dạng Biến dạng dẻo dự đốn Mơđun Young G Mơđun đàn hồi trượt Hệ số Poisson Môđun tiếp tuyến Môđun dẻo ̅ K Ma trận độ cứng tổng thể {̅ Vector chuyển vị nút tổng thể {̅ Vector tải tổng thể Ứng suất chảy [B] Ma trận biến dạng , - Ma trận độ cứng kết cấu Áp suất động Áp lực nổ tối đa Áp suát phản xạ tối đa Áp suất xung quanh Xung phản xạ ix DANH MỤC BẢNG BIỂU Trang Bảng 2.1 Dạng hình học đ n giản phần tử 16 Bảng 3.1 Thơng số TNT phư ng trình JWL (3.1) 29 Bảng 3.2 Thông số vật liệu TNT 29 Bảng 3.3 Chiều cao mô hình tịa nhà 30 Bảng 3.4 Tọa độ vị trí đặt đồng hồ đo 31 Bảng 3.5 Kết áp suất sóng nổ theo thời gian 40 Bảng 3.6 Kết vận tốc lan truyền sóng nổ 45 Bảng 3.7 Kết lượng khối thuốc nổ theo thời gian 48 Bảng 3.8 Kích thước mơ hình toán 53 Bảng 3.9 Tọa độ vị trí điểm khảo sát toán 53 Bảng 3.10 Kết áp suất sóng nổ theo thời gian 61 Bảng 3.6 Kết vận tốc lan truyền sóng nổ 66 Bảng 3.6 Kết lượng khối thuốc nổ theo thời gian 68 x DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Tai nạn nổ nhà máy hóa học Hình 1.2 Mơ tượng nổ khu vực dân cư phương pháp số Hình 1.3 Đặc điểm tải nổ Hình 1.4 Sóng xung kích từ vụ nổ Hình 1.5 Sự ảnh hưởng sóng xung kích lên kết cấu theo thời gian Hình 0.1 Đường cong ứng suất - biến dạng vật liệu 15 Hình 0.2 Biểu đồ áp suất sóng nổ theo thời gian [2] 22 Hình 0.3 Một số giá trị số đại diện áp suất phản xạ cực đại [2] 24 Hình 2.4 Mơ va chạm Ansys Autodyn [3] 28 Hình 2.5 Lưu đồ mô 28 Hình 0.4 Giới thiệu toán 29 Hình 0.5 Hình dạng hình học mơ hình tịa nhà khu dân cư [1] 31 Hình 0.6 Mơ hình phần tử hữu hạn 33 Hình 0.7 Chọn kiểu mơ hình 2D 34 Hình 0.8 Thêm vật liệu tạo vùng Euler cho bai toán 34 Hình 0.9 Vị trí thuốc nổ TNT 35 Hình 0.10 Vị trí điểm kích nổ 36 Hình 0.11 Giá trị áp suất nổ khối TNT 36 Hình 0.12 Thiết lập mơ hình miền Euler điều kiện Explicit Dynamics 37 Hình 0.13 Thiết lập thời gian nổ 5ms 37 Hình 0.14 Thiết lập gia tốc trọng trường 38 Hình 0.15 Cố định tịa nhà 38 Hình 0.16 Thiết lập vật liệu cho toán Ansys Autodyn 39 Hình 0.17 Tạo vùng khơng khí bao quanh tịa nhà 39 xi Hình 0.18 Thiết lập Boundaries cho toán 40 Hình 0.19 Đưa khối thuốc nổ 2D tính tốn bước vào tốn 40 Hình 0.20 Kiểm sốt thiết lập điều kiện cuối để giải toán 41 Hình 0.21 Xác lập vị trí điểm khảo sát 42 Hình 0.22 Nhấn Run để bắt đầu giải toán 43 Hình 0.23 Kết áp suất sóng nổ TS Fedorov điểm khảo sát T1 46 Hình 0.24 Kết áp suất sóng nổ luận văn điểm khảo sát T1 47 Hình 0.25 Kết áp suất sóng nổ TS Fedorov điểm khảo sát T3 47 Hình 0.26 Kết áp suất sóng nổ luận văn điểm khảo sát T3 48 Hình 0.27 Kết áp suất sóng nổ luận văn điểm khảo sát 49 Hình 0.28 Đồ thị so sánh kết vận tốc tuyền sóng vị trí khảo sát 51 Hình 0.29 Đồ thị kết vận tốc tuyền sóng vị trí T1 51 Hình 0.30 Đồ thị kết vận tốc tuyền sóng vị trí T2 52 Hình 0.31 Đồ thị kết vận tốc tuyền sóng vị trí T3 52 Hình 0.32 Đồ thị so sánh kết lượng sóng nổ vị trí khảo sát 55 Hình 0.33 Đồ thị kết lượng sóng nổ vị trí T1 55 Hình 0.34 Đồ thị kết lượng sóng nổ vị trí T2 56 Hình 0.35 Đồ thị kết lượng sóng nổ vị trí T3 57 Hình 0.36 Hình dạng hình học mơ hình tốn 59 Hình 0.37 Vị trí điểm khảo sát 61 Hình 0.38 Mơ hình phần tử hữu hạn tốn 62 Hình 0.36 Thiết lập mơ hình miền Euler điều kiện Explicit Dynamics 62 Hình 0.37 Thiết lập thời gian nổ 6ms 63 Hình 0.38 Thiết lập gia tốc trọng trường 63 Hình 0.39 Cố định tòa nhà 64 xii Hình 0.40 Thiết lập vật liệu cho toán Ansys Autodyn 64 Hình 0.41 Tạo vùng khơng khí bao quanh tịa nhà 65 Hình 0.42 Thiết lập Boundaries cho toán 65 Hình 0.43 Đưa khối thuốc nổ 2D tính toán bước vào toán 66 Hình 0.44 Kiểm sốt thiết lập điều kiện cuối để giải toán 66 Hình 0.45 Xác lập vị trí điểm khảo sát 67 Hình 0.46 Nhấn Run để bắt đầu giải tốn 67 Hình 0.39 Đồ thị kết áp suất sóng nổ T1~T8 Tiến sỹ Valger 71 Hình 0.40 Đồ thị kết áp suất sóng nổ T1~T8 luận văn 71 Hình 0.41 Đồ thị kết áp suất sóng nổ T9~T13 Tiến sỹ Valger 72 Hình 0.50 Đồ thị kết áp suất sóng nổ T9~T13 luận văn 72 Hình 0.42 Kết áp suất sóng nổ luận văn 13 điểm khảo sát 73 Hình 0.43 Kết vận tốc lan truyền sóng nổ T1~T8 luận văn 74 Hình 0.53 Kết vận tốc lan truyền sóng nổ T9~T13 luận văn 75 Hình 0.44 Kết lượng sóng nổ vị trí T1~T8 luận văn 77 Hình 0.45 Kết lượng sóng nổ vị trí T9~T13 luận văn 78 Hình 3.56 Kích thước hình học tốn 79 Hình 3.57 Mơ hình phần tử hữu hạn 80 Hình 3.58 Các thơng số vật liệu nổ khơng khí 81 Hình 3.59 Trường áp suất toán thời điểm giai đoạn ban đầu 83 Hình 3.60 Đồ thị áp suất tác động lên điểm Gauge 84 CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Mở đầu Ngày nay, nhiều tai nạn công nghiệp kèm theo vụ nổ xảy khắp giới Các vụ tai nạn cháy nổ xảy khu công nghiệp cất chứa hóa chất dễ phát nổ tạo sóng xung kích ảnh hưởng đến khu vực dân cư lân cận Để cải thiện an toàn tòa nhà, cần nghiên cứu phư ng án thiết kế cho tăng sức đề kháng chúng hiệu ứng nổ Việc dự đoán mức độ thiệt hại tải nổ gây với cường độ khác cần thiết Một mục tiêu việc thiết kế cấu trúc chống lại hiệu ứng nổ xác định đáp ứng động lực học cấu trúc tác động sóng nổ cần khảo sát thay đổi áp lực sóng nổ gây theo thời gian Hình 1.1 Tai nạn nổ nhà máy hóa học Theo M Remennikov, có ba nhóm phư ng pháp để đoán tải trọng nổ tác dụng lên cơng trình sau: Phư ng pháp thực nghiệm: chất có liên quan đến liệu thí nghiệm Một hạn chế nhóm phư ng pháp bỏ qua chất vật lý thực tượng tư ng tác sóng nổ kết cấu, chúng thiết lập với giả định lộ trình tải trọng - thời gian áp dụng cho tất phần tử bề mặt kết cấu lúc Phư ng pháp bán thực nghiệm: dựa mơ hình đ n giản hóa tượng vật lý Độ xác việc ước đoán phư ng pháp bán thực nghiệm thường tốt h n độ xác cung cấp phư ng pháp thực nghiệm Theo nhóm này, tải trọng nổ tác dụng lên tường ngồi cơng trình tính tốn dựa trọng lượng thuốc nổ tư ng đư ng TNT, vị trí tác nhân nổ cơng trình giả định mơ hình truyền sóng liên quan Phư ng pháp số: phư ng pháp dựa phư ng trình tốn học mơ tả định luật vật lý c chi phối toán Những phư ng pháp bao gồm định luật bảo toàn khối lượng, định luật bảo toàn động lượng định luật bảo tồn lượng Hình 1.2 Mơ tượng nổ khu vực dân cư phương pháp số Khảo sát ứng xử kết cấu có tác dụng sóng nổ vấn đề có tính thực tế cao Hầu hết nghiên cứu dựa vào phương pháp số thông qua phần mềm phân tích phi tuyến sở so sánh với kết thí nghiệm Trong đó, thí nghiệm nổ tốn kém, liên quan đến vấn đề an tồn gây ảnh hưởng lớn đến mơi trường sinh thái Do đó, việc tính tốn mơ ứng xử kết cấu tác dụng tải nổ việc cần thiết có ý nghĩa thiết thực mặt an toàn kinh tế Luận văn xây dựng mơ hình khu dân cư sử dụng phần mềm ANSYS để mô ứng xử c học khu dân cư tác động tải trọng nổ phân tích tư ng tác rắn lỏng dựa phư ng pháp phần tử hữu hạn phư ng pháp thể tích hữu hạn Các kết áp suất phân bố lên kết cấu sóng nổ gây lan truyền sóng nổ khơng gian ba chiều phân tích chi tiết 1.2 Tải trọng gây nổ 1.2.1 Hiện tƣợng nổ Nổ tượng xảy chất bị đốt nóng phân hủy đột ngột tạo lượng lớn nhiệt khoảng thời gian ngắn Các loại vũ khí nổ bom, đầu đạn… có cấu tạo c gồm có chất nổ, thiết bị kích nổ vỏ bọc ngồi Khi chất nổ bị kích hoạt nhiệt xung động, hợp chất nổ xảy phản ứng phân hủy phản ứng cháy Các chất hóa học chứa nhiều lượng, lực liên kết nguyên tử khác phân tử chất đó, phản ứng nổ bắt đầu xảy ra, phần lớn lượng giải phóng tạo lượng nhiệt khổng lồ giải phóng chất khí Các chất khí chất hóa học bị nén áp lực lớn, đó, tượng nổ xảy ra, chất khí nở bung với vận tốc nhanh, nhiệt lượng giải phóng kèm theo phản ứng nổ chí cịn tăng vận tốc chất khí lên nhiều lần tạo sóng xung động 1.2.2 Sóng nổ Là sóng tạo thành sau vụ nổ chất nổ Sóng nổ sóng chấn động thuốc nổ, bom, mìn, đạn pháo cỡ lớn, bộc phá, thủy lơi, bình ga, bình điện, vụ hỏa hoạn xăng dầu cháy nổ tạo nên Sóng nổ phát từ tâm vụ nổ tỏa theo vòng tròn với áp suất cao Độ lớn áp suất tốc độ sóng nổ giảm dần truyền xa tâm vụ nổ Đại lượng đo sóng nổ tính kg/cm3, đại lượng cịn gọi xung lượng sóng nổ Khi vụ nổ kích nổ khơng khí, giải phóng lượng nhiệt khổng lồ sản phẩm khác vào môi trường xung quanh với tốc độ cao (~7200m/s) Việc mở rộng nhanh chóng sản phẩm nổ tạo sóng chấn động có liên tục áp suất, mật độ, nhiệt độ tốc độ Hình 1.3 Đặc điểm tải nổ 1.3 Sóng xung kích 1.3.1 Định nghĩa Sóng xung kích mặt gián đoạn lan truyền môi trường vật chất (thường gặp môi trường chất lưu mơi trường chất khí, chất lỏng, plasma, ) mà qua mặt truyền sóng thơng số khí động, nhiệt động mật độ, áp suất, nhiệt độ, vận tốc, entropy, bị gián đoạn với bước nhảy hữu hạn Cần phân biệt sóng xung kích với sóng xuất từ va chạm sinh Trong trường hợp sau khơng phải thân thơng số khí động nhiệt động gián đoạn mặt truyền sóng mà đạo hàm chúng bị gián đoạn 5 Hình 1.4 Sóng xung kích từ vụ nổ 1.3.2 Các tính chất vi mơ sóng xung kích Từ nhìn vĩ mơ sóng xung kích xem xét mặt tưởng tượng mà đại lượng nhiệt động lực học môi trường (các thông số nguyên tắc hàm liên tục theo khơng gian) có điểm kì dị bỏ qua: bước nhảy hữu hạn Khi qua mặt truyền sóng xung kích giá trị áp suất, nhiệt độ, mật độ vật chất môi trường, vận tốc chuyển động mơi trường mặt truyền sóng xung kích có đột biến Tất đại lượng biến đổi khơng độc lập tuyến tính mà liên hệ đặc tính sóng xung kích - số Mach Phư ng trình tốn học liên hệ đại lượng nhiệt động trước sau mặt truyền sóng xung kích gọi hệ thức đẳng áp xung kích, đẳng áp Hugoniot (Hu-gơ-ni-ơ) 1.3.3 Cấu trúc vi mơ sóng xung kích Độ dày sóng xung kích cường độ lớn thường vào khoảng độ dài bước nhảy tự phân tử khí (chính xác h n khoảng 10 lần độ dài bước nhảy tự do, nhỏ h n lần giá trị này; kết đưa Chapman vào năm đầu thập kỉ 50) Trong khí động lực học vĩ mơ độ dài chuyển động tự xem vô nhỏ (xấp xỉ khơng), phư ng pháp khí động học đ n đem ứng dụng vào việc nghiên cứu cấu trúc sóng xung kích với cường độ lớn Để phục vụ mục đích nghiên cứu lý thuyết cấu trúc sóng xung kích người ta thường sử dụng lý thuyết động học Bài tốn cấu trúc sóng xung kích khơng có lời giải giải tích, sử dụng mơ hình đ n giản hóa Một mơ hình mơ hình Tamm-Mott-Smith Hình 1.5 Sự ảnh hưởng sóng xung kích lên kết cấu theo thời gian 1.3.4 Vận tốc truyền sóng xung kích Vận tốc truyền sóng xung kích mơi trường cao h n vận tốc âm môi trường Cường độ sóng lớn vận tốc truyền sóng cao Cường độ ... NGHIỆP LONG AN NGUYỄN THANH TÙNG MÔ PHỎNG SỰ ẢNH HƢỞNG CỦA TẢI NỔ TRONG KHU VỰC DÂN CƢ BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành :Kỹ thuật Xây Dựng Mã số: 8.58.02.01 Ngƣời hƣớng... khu dân cư sử dụng phần mềm ANSYS để mô ứng xử c học khu dân cư tác động tải trọng nổ phân tích tư ng tác rắn lỏng dựa phư ng pháp phần tử hữu hạn phư ng pháp thể tích hữu hạn Các kết áp suất... học Hình 1.2 Mơ tượng nổ khu vực dân cư phương pháp số Hình 1.3 Đặc điểm tải nổ Hình 1.4 Sóng xung kích từ vụ nổ Hình 1.5 Sự ảnh hưởng sóng xung kích lên kết cấu