Luận án Tiến sĩ Nghiên cứu tính toán tác dụng xuyên của bom đạn vào kết cấu công sự bằng phương pháp phần tử rời rạc

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ Hoàng Quang Tuấn NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN TÁC DỤNG XUN CỦA BOM ĐẠN VÀO KẾT CẤU CÔNG SỰ BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ RỜI RẠC LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT Hà Nội - 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ Hoàng Quang Tuấn NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN TÁC DỤNG XUN CỦA BOM ĐẠN VÀO KẾT CẤU CÔNG SỰ BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ RỜI RẠC Chun nghành : Kỹ thuật xây dựng cơng trình đặc biệt Mã số : 9.58.02.06 LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học Đại tá, PGS, TS Nguyễn Trí Tá Hà Nội – 2018 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết luận án trung thực chưa công bố cơng trình khác Tác giả luận án HOÀNG QUANG TUẤN i LỜI CẢM ƠN Tác giả luận án xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành thầy giáo hướng dẫn Đại tá PGS TS Nguyễn Trí Tá tận tình hướng dẫn, giúp đỡ đề xuất nhiều ý tưởng khoa học có giá trị giúp cho tác giả hoàn thành luận án Tác giả xin trân trọng động viên, khuyến khích kiến thức khoa học mà thầy giáo chia sẻ cho tác giả nhiều năm qua, giúp cho tác giả nâng cao lực khoa học củng cố lòng yêu nghề Tác giả xin chân thành cảm ơn ý kiến đóng góp, nhận xét quý báu chân tình thầy giáo, nhà khoa học giúp tác giả hồn thành tồn văn luận án Tác giả trân trọng cảm ơn Viện Kỹ thuật Cơng trình đặc biệt/Học viện KTQS, Phòng Sau đại học/Học viện KTQS, Cục Cơng trình quốc phịng/BTLCB Lữ đồn Cơng binh 293/BTLCB tạo điều kiện tốt giúp đỡ tác giả q trình nghiên cứu hồn thành luận án Cuối tác giả muốn bày tỏ lòng biết ơn người thân gia đình, bạn bè, đồng nghiệp thơng cảm, động viên chia sẻ khó khăn với tác giả suốt thời gian làm luận án Tác giả luận án HOÀNG QUANG TUẤN ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT - KÝ HIỆU ix Các chữ viết tắt ix Các ký hiệu Latin ix Các ký hiệu Hy Lạp xi Các ký hiệu ma trận – véc tơ xii DANH MỤC CÁC BẢNG xiii DANH MỤC HÌNH VẼ xvi MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài nghiên cứu Mục đích nghiên cứu luận án Phạm vi nghiên cứu 4 Phương pháp nghiên cứu Cấu trúc luận án Những điểm luận án Chương TỔNG QUAN 1.1 Bom xuyên phá công vật liệu làm kết cấu bảo vệ 1.1.1 Bom xuyên phá công 1.1.1.1 Bom B61-11 1.1.1.2 Bom BLU-109 1.1.1.3 Bom GBU-57 1.1.1.4 Bom GBU-28 1.1.1.5 Bom MPR-500 1.1.1.6 Bom NEB 10 iii 1.1.1.7 Bom KAB-1500 10 1.1.2 Vật liệu làm kết cấu bảo vệ 11 1.1.2.1 Bê tông thông minh 11 1.1.2.2 Bê tông dẻo 12 1.1.2.3 Áo giáp chống đạn 12 1.1.2.4 Một số loại vật liệu sử dụng phổ biến 13 1.2 Tác dụng cục bom đạn kết cấu 14 1.2.1 Tác dụng va chạm xuyên bom đạn 14 1.2.1.1 Bản chất tác dụng va chạm 14 1.2.1.2 Các công thức xác định chiều sâu xuyên thực nghiệm 15 a Công thức Bêrêgian 15 b Công thức ACE 17 c Công thức Petry 18 d Công thức NDRC 18 e Công thức Ballistic 19 f Công thức UKAEA 20 g Công thức Haldar 21 h Công thức Hughes 21 1.2.1.3 Xác định chiều sâu xuyên bom đạn vào môi trường công thức thực nghiệm khác 22 1.2.2 Tác dụng nổ bom đạn 26 1.2.2.1 Bản chất tác dụng nổ bom đạn 26 1.2.2.2 Tác dụng phá hoại nổ bom đạn 28 1.3 Các phương pháp tính tốn kết cấu cơng 28 1.3.1 Phương pháp truyền thống 28 1.3.1.1 Công chịu áp lực xuyên 28 1.3.1.2 Công chịu áp lực nổ 29 iv 1.3.1.3 Tác dụng liên hợp xuyên nổ kết cấu công 31 1.3.2 Phương pháp số 31 1.3.2.1 Phương pháp sai phân hữu hạn 31 1.3.2.2 Phương pháp phần tử hữu hạn 32 1.3.2.3 Phương pháp phần tử biên 32 1.3.2.4 Phương pháp phần tử rời rạc 33 1.4 Các tính chất học vật liệu 36 1.4.1 Bê tông 36 1.4.2 Đất 38 1.4.3 Đá 40 1.4.4 Thép 41 1.5 Kết luận chương 43 Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN TÁC DỤNG XUYÊN CỦA BOM ĐẠN BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ RỜI RẠC 44 2.1 Đặt toán 44 2.2 Những giả thiết 48 2.3 Bài toán tiếp xúc 48 2.4 Hình dạng tham số phân tích 49 2.5 Các mơ hình tiếp xúc 52 2.5.1 Mơ hình độ cứng tiếp xúc (contact stiffness model) 52 2.5.1.1 Bài tốn tuyến tính 52 2.5.1.2 Bài tốn phi tuyến 53 2.5.1.3 Tính tốn lực tiếp xúc hai phần tử 53 2.5.1.4 Tính tốn lực tiếp xúc phần tử biên 56 2.5.2 Mơ hình trượt (slip model) 59 2.5.3 Mơ hình cản (damp model) 60 2.5.3.1 Cản cục 60 v 2.5.3.2 Cản tồn 61 2.5.4 Mơ hình liên kết (bond model) 62 2.5.4.1 Liên kết đơn 63 2.5.4.2 Liên kết song song 64 2.5.5 Hiệu chỉnh vật liệu 67 2.5.6 Lựa chọn bán kính phần tử 69 2.6 Phương trình chuyển động tổng quát hệ 69 2.6.1 Thiết lập phương trình chuyển động 69 2.6.2 Phương pháp số giải phương trình chuyển động 71 2.6.3 Xác định bước thời gian tích phân 73 2.7 Thuật tốn 74 2.7.1 Hiệu chỉnh vật liệu 74 2.7.2 Tính toán lực tiếp xúc phần tử phần tử, phần tử biên 75 2.7.3 Tích phân phương trình chuyển động 75 2.7.4 Tìm kiếm tiếp xúc 77 2.7.5 Tạo dựng mơ hình 79 2.7.4.1 Theo quy luật cho trước 79 2.7.4.2 Theo quy luật 80 2.8 Kết luận chương 81 Chương XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TỐN TÁC DỤNG XUN CỦA BOM ĐẠN BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ RỜI RẠC 82 3.1 Đặt vấn đề 82 3.2 Những giả thiết 82 3.3 Tính nội lực theo phương pháp mặt cắt 83 3.4 Thiết lập mơ đun chương trình 84 3.5 Thử nghiệm số kiểm tra độ tin cậy chương trình 92 3.5.1 Tính tốn chiều sâu xun bom vào chắn đạn 92 vi 3.5.1.1 Hiệu chỉnh vật liệu 92 a Các tham số vật liệu bê tông 92 b Các tham số vật liệu bom 100 3.5.1.2 Tính tốn phương pháp phần tử rời rạc 102 3.5.1.3 Tính tốn cơng thức thực nghiệm 111 3.5.1.4 So sánh kết tính tốn 112 3.5.2 Nghiên cứu ảnh hưởng kích thước phần tử 113 3.5.3 Nghiên cứu tính tốn kết cấu cơng 115 3.5.3.1 Cơng chịu tải trọng thân 117 a Tính tốn phương pháp truyền thống 117 b Tính tốn phương pháp phần tử rời rạc 117 c So sánh kết tính tốn theo phương pháp 122 3.5.3.2 Công chịu tải trọng tập trung 123 a Tính tốn phương pháp truyền thống 123 b Tính toán phương pháp phần tử rời rạc 123 c So sánh kết tính tốn theo phương pháp 128 3.6 Kết luận chương 129 Chương NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THAM SỐ MÔI TRƯỜNG VÀ BOM ĐẠN ĐẾN TÁC DỤNG XUYÊN CỦA BOM ĐẠN BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ RỜI RẠC 130 4.1 Đặt vấn đề 130 4.2 Ảnh hưởng tham số bom đạn đến chiều sâu xuyên 131 4.2.1 Vận tốc bom 131 4.2.2 Đường kính bom 132 4.2.3 Khối lượng bom 133 4.3 Ảnh hưởng tham số môi trường đến chiều sâu xuyên 134 4.3.1 Mô đun đàn hồi bê tông 134 vii 4.3.2 Mô đun đàn hồi đá 136 4.3.3 Mơ đun biến dạng đất 138 4.4 Tính tốn xác định hệ số xuyên 140 4.4.1 Hệ số xuyên môi trường bê tông 140 4.4.2 Hệ số xuyên môi trường đá 140 4.4.3 Hệ số xuyên môi trường đất 140 4.5 Ảnh hưởng góc xun α 141 4.6 Tính tốn kết cấu cơng có xét đến phá hoại cục tác dụng xuyên bom đạn 142 4.6.1 Tính tốn phương pháp truyền thống 142 4.6.2 Tính tốn phương pháp phần tử rời rạc 143 4.6.3 So sánh kết tính tốn theo phương pháp 148 4.7 Thí nghiệm xác định chiều sâu xuyên đạn AK47 vào bê tơng 149 4.7.1 Mơ tả thí nghiệm 149 4.7.2 Tính tốn phương pháp thực nghiệm 150 4.7.3 Tính tốn phương pháp phần tử rời rạc 151 4.7.3.1 Các tham số vật liệu bê tông 151 4.7.3.2 Các tham số vật liệu đạn 154 4.8 Kết luận chương 160 KẾT LUẬN CHUNG 161 Các kết tính luận án 161 Hướng nghiên cứu phát triển luận án 162 DANH MỤC CÁC BÀI BÁO KHOA HỌC 163 TÀI LIỆU THAM KHẢO 164 PHỤ LỤC CHƯƠNG TRÌNH 169 PHỤ LỤC CHƯƠNG TRÌNH 199 MỘT SỐ HÌNH ẢNH TRONG PHỊNG THÍ NGHIỆM BẮN 206 viii command table 906 name 'Luc cat mat cat so 2' end_command xtable(909,num1)=0 ytable(909,num1)=0 loop ipt (spt81,spt9) loop cnt (1,num1) xtable(909,cnt)=xtable(spt81,cnt) ytable(909,cnt)=ytable(909,cnt)+ytable(ipt,cnt) end_loop end_loop command table 909 name 'Luc cat mat cat so 3' end_command end File Hieuchinh.dat new set random set echo off set disk 0.15 set dt max 6.9e-7 set grav -9.81 set max_balls 70500 title 'Hieu chinh vat lieu' def inits B=0.15 n_stiffwall=1e20 s_stiffwall=1e20 194 width=0.15 height=0.15 S=width*height poros=0.001 num=91 rat=1.3 mult=4 n0=1-(1- poros)/(mult*mult) r0=sqrt(S*(1-n0)/(pi*num)) rlo=2*r0/(1+rat) rhi=rat*rlo width1=width+0.1 height1=height+0.1 r1=r0*mult dens1=2500 dens1=dens1/(1-poros) E1=2.65e10 E1=E1*1.0055 fric1=0.3 local1=0.05 viscous1=0.05 E1c=2.65e10 E1c=E1c*1.0055 keo=2.5e6 keo=keo*4 cat=2.5e6 cat=cat*4 L1=2*r1 195 kn1=2*E1*B ks1=kn1/4 kn1p=E1c/L1 ks1p=kn1p/4 nenx=-2.5e7 neny=-2.5e7 y_servo=1 sig_tol=5e-3 end def setup command prop fric fric1 prop pb_rad pb_kn kn1p pb_ks ks1p pb_nstren keo pb_sstren cat damp default local local1 damp default viscous normal viscous1 shear viscous1 end_command end def set_ini weyy_0 = weyy wevol_0 = wevol end def conf avxy = wsxx devi = -wsyy + avxy ; deviatoric stress deax = -weyy + weyy_0 ; axial strain devol = wevol - wevol_0 ; volumetric strain conf = -avxy ; confining stress end 196 def accel_platens _niter = _nsteps / _nchunks loop _chnk (1,_nchunks) if _close = then _vel = _chnk*(_vfinal/_nchunks) else _vel = -_chnk*(_vfinal/_nchunks) end_if _mvel = -_vel command wall id yvel= _vel wall id yvel= _mvel cycle _niter end_command end_loop end macro zero 'ini xvel yvel spin 0' walladdress zero iterate set_ini history id=1 conf history id=2 devi history id=3 deax history id=4 devol def vatlieu E1=devi/deax nhiu1=1-abs(devol)/deax 197 end set y_servo=0 zero setup set _vfinal= 0.005 set _nsteps= 2000 set _nchunks= 80 set _close= accel_platens cyc 11000 vatlieu zero set _close= accel_platens cyc 11000 zero set _close= accel_platens cyc 11000 plot his vs line blue plot set title text 'Bieu ung suat lech truc va ung suat truc' plot set back white set plot bmp set out ungsuat.bmp plot hard plot his vs line blue plot set title text 'Bieu tong bien dang va bien dang truc' plot set back white; set plot bmp; set out biendang.bmp; plot hard; plotout; 198 PHỤ LỤC CHƯƠNG TRÌNH File BandanAK.dat new set random set echo on set disk 7.62e-3 set grav -9.81 set max_balls 20000 set dt max 6.9e-7 title 'Thi nghiem ban dan AK 47 vao tam be tong' def init1 B=7.62e-3 n_stiffwall=1e20 s_stiffwall=1e20 width=0.1 height=0.5 S=width*height poros=0.001 num=3500 rat=4 mult=2.5 n0=1-(1- poros)/(mult*mult) r0=sqrt(S*(1-n0)/(pi*num)) rlo=2*r0/(1+rat) rhi=rat*rlo width1=width+0.2 height1=height+0.2 199 r1=r0*mult rmin=rlo*mult rmax=rhi*mult dens1=2500 dens1=dens1/(1-poros) E1=2.90e10 E1=E1*1.002500010005 fric1=0.3 damplocal1=0.05 dampviscous1=0.05 E1c=2.90e10 E1c=E1c*1.00250010005 keo1=3.0e6 keo1=keo1*4 cat1=3.0e6 cat1=cat1*4 L1=2*r1 kn1=2*E1*B ks1=kn1/4 kn1p=E1c/L1 ks1p=kn1p/4 sxxreq=-3.0e7 syyreq=-3.0e7 y_servo=1 sig_tol=5e-3 r3=0.0025 end init1 200 makewall makestructure getporos result1 cyc 2000 macro zero 'ini xvel yvel spin 0' walladdress zero iterate newwall deletefloat makeboundary setup1 del wall fix x y spin range boundary1 fix x y spin range boundary2 def init2 r2=0.001 ncolb=4 ncolb2=5 P=7.97e-3 E2=2.10e11 fric2=0.42 damplocal2=0.15 dampviscous2=0 E2c=2.10e11 keo2=35e15 cat2=35e15 201 L2=2*r2 kn2=2*E2*B ks2=kn2 kn2p=E2c/L2 ks2p=kn2p end def makebomb ib=iPhantu ibomb=iPhantu xbomb=xw2+r2 ybomb=yw1+(yw2-yw1)/2 -r1 loop col (1,ncolb) ybomb1=ybomb-(col+1)*r2 loop row (1,col) command ball id ibomb x xbomb y ybomb1 rad r2 end_command numbomb=ibomb ibomb=ibomb+1 ybomb1=ybomb1+2*r2 end_loop xbomb=xbomb+2*r2*sin(degrad*60) xbomb1=xbomb-2*r2*sin(degrad*60) end_loop ybomb=ybomb+r2 xbomb=xbomb1+2*r2 loop col (1,ncolb2) ybomb1=ybomb 202 loop row (1,ncolb) command ball id ibomb x xbomb y ybomb1 rad r2 end_command numbomb=ibomb ibomb=ibomb+1 ybomb1=ybomb1-2*r2 end_loop xbomb=xbomb+2*r2 end_loop numbomb=ibomb nbomb=numbomb-ib dens2=P/(nbomb*B*pi*r2^2) command range name bomb id ib numbomb ini xvel -715 range bomb end_command end def setup2 command prop kn kn2 ks ks2 dens dens2 fric fric2 range bomb prop pb_rad pb_kn kn2p pb_ks ks2p pb_nstren keo2 pb_sstren cat2 range bomb damp default local damplocal2 range bomb damp default viscous normal dampviscous2 shear dampviscous2 range bomb end_command end def diagmuf 203 command plot his line blue plot set title text 'Bieu luc trung binh chua can bang cua he' plot set back white set plot bmp set out ketqua1.bmp plot hard end_command end def posbombx command plot his line blue plot set title text 'Bieu vi tri dau dan theo phuong x' plot set back white set plot bmp set out ketqua2.bmp plot hard end_command end def velbombx command plot his line blue plot set title text 'Bieu van toc dau dan theo phuong x' plot set back white set plot bmp set out ketqua3.bmp plot hard end_command 204 end init2 makebomb setup2 result2 plotout deleteball cyc 5000 plot show 205 MỘT SỐ HÌNH ẢNH TRONG PHỊNG THÍ NGHIỆM BẮN Hình Kết đo chiều sâu xuyên lần Hình Kết đo chiều sâu xuyên lần Hình Kết đo chiều sâu xuyên lần 206 Hình Kết đo chiều sâu xuyên lần Hình Kết đo chiều sâu xuyên lần Hình Kết đo chiều sâu xuyên lần 207 Hình Kết đo chiều sâu xuyên lần Hình Kết đo chiều sâu xuyên lần Hình Kết đo chiều sâu xuyên lần 208