Mô phỏng sự ảnh hưởng của tải nổ trong khu vực dân cư bằng phương pháp phần tử hữu hạn

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 Mô hình phần tử hữu hạn 31 3.1.5 Quá trình thiết lập toán 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 tốn 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 65 Pressure 3000.00 2500.00 P, kPa 2000.00 1500.00 1000.00 500.00 0.00 00 01 02 03 04 t, ms T1 T2 T3 T4 T5 T6 T8 T9 T10 T11 T12 T13 T7 Hình 0.51 Kết áp suất sóng nổ luận văn 13 điểm khảo sát 66 Kết vận tốc lan truyền sóng nổ Bảng 0.12 Kết vận tốc lan truyền sóng nổ 0.2 0.1 (ms) (ms) 0.5 0.3 (ms) (ms) 1.4 (ms) (ms) 2.5 1.8 (ms) (ms) 67 Đồ thi kết lan truyền vận tốc sóng nổ đo vị trí T1~T13 Velocity 160 140 120 v, m/s 100 80 60 40 20 t, ms T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 Hình 0.52 Kết vận tốc lan truyền sóng nổ T1~T8 luận văn Velocity 3500 3000 v, m/s 2500 2000 1500 1000 500 t, ms T9 T10 T11 T12 T13 Hình 0.53 Kết vận tốc lan truyền sóng nổ T9~T13 luận văn 68 Kết lƣợng khối thuốc nổ theo thời gian Bảng 0.13 Kết lượng khối thuốc nổ theo thời gian 0.2 0.1 (ms) (ms) 0.5 0.3 (ms) (ms) 1.4 (ms) (ms) 2.5 1.8 (ms) (ms) 69 Đồ thi kết lƣợng sóng nổ đo vị trí T1~T13 INT.ENERGY 290000 INT.ENERGY, J/kg 270000 250000 230000 210000 190000 170000 150000 t, ms T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 Hình 0.54 Kết lượng sóng nổ vị trí T1~T8 luận văn INT.ENERGY 1600000 INTENERGY, J/kg 1400000 1200000 1000000 800000 600000 400000 200000 t, ms T9 T10 T11 T12 T13 Hình 0.55 Kết lượng sóng nổ vị trí T9~T13 luận văn 70 3.2.7 Nhận xét Kết phân tích cho thấy sóng nổ lan truyền khơng gian theo dạng hình cầu, thời điểm 0.1ms sóng nổ bắt đầu va chạm vào tịa nhà A, ban đầu hình thành sóng phản xạ Thời điểm 0.2ms thấy rõ h n cung sóng phản xạ này, mang áp suất lớn tác động hướng ngược lại tạo xung cộng hưởng lan truyền nhanh phía điểm phát nổ Thời điểm 0.3ms đến 0.5ms, sóng nổ phản xạ tạo vùng nổ đan xen Sóng nổ tác động gần hết tồn tịa nhà A Th i điểm 1ms, sóng nổ bắt đầu ảnh hưởng mạnh đến khu vực bên ngồi, dần vượt qua tịa nhà che chắn A tiến đến tịa nhà B Thời điểm 1.4ms sóng nổ bắt đầu tác động mạnh đến tòa nhà B, Các điểm khảo sát bắt đầu tăng mạnh giá trị áp suất Có thể nhận thấy, áp suất sóng nổ điểm khảo sát tòa nhà B giảm đáng kể so với tòa nhà A, hiệu ứng chắn nổ Thời điểm 1.8ms, sóng nổ bắt đầu lan rộng tồn thể khu vực phân tích, lượng nổ giảm đáng kể Kết cho thấy sóng nổ lan truyền cực nhanh không gian, mang theo mức lượng lớn Chỉ tích tắc mà vụ nổ phá hủy tịa nhà, phạm vị ảnh hưởng lan rộng đến khu vực lân cận Một tường chắn nổ phư ng pháp hữu hiệu để đối phó với vụ nổ thực tế 3.3 Bài toán Nghiên cứu ứng dụng phần mềm mô lan truyền sóng nổ mơ hình chiều khu đô thị đơn giản 3.3.1 Đặt vấn đề Phạm vi thực nghiệm bốn khối cubic bê tơng với kích thước cạnh 2,3m đặt cách 2,3m Khảo sát trường hợp có 0,4kg thuốc nổ PETN cách mặt đất 0,2m khối bê tông hình sau, theo [10] 71 Hình 3.56 Kích thước hình học tốn 3.3.2 Mơ hình phần tử hữu hạn Trong mơ hình số, miền vật lý thể phần tử hình hộp chữ nhật 3D Kích thước hình hộp chữ nhật thay đổi dựa cách thức lan truyền vụ nổ Ở đây, phần tử có kích thước (23x23x48) mm3, tư ng ứng 8.106 phần tử cho toàn miền khảo sát Euler 72 Hình 3.57 Mơ hình phần tử hữu hạn Một trình ánh xạ thực từ miền tính tốn 2D đối xứng trục sử dụng lời giải đa vật liệu Euler (Multi-Material Euler) sang miền 3D sử dụng lời giải Euler-FCT với điều kiện khí lý tưởng 3.3.3 Mơ hình vật liệu Thuốc nổ mơ hình hóa dạng phư ng trình trạng thái JWL với cơng thức chuyển đổi tự động sang phư ng trình trạng thái khí lý tưởng Các thông số thống kê bảng sau: Khơng khí Thuốc nổ PETN 1.77 0 1,226 (g/cm3) 0 1,77 (g/cm3)  1,4 Vận tốc C-J 8300 (m/s) P0 101,3 (kPa) Mật độ lượng C-J 1,01.107 (kJ/m3) Áp suất C-J 3,35.107 (kPa) Hình 3.58 Các thơng số vật liệu nổ khơng khí 73 3.3.4 Điều kiện biên a Đối với vật thể Tất mặt vật thể áp đặt tuyệt đối cứng để đạt áp suất cực đại sóng phản xạ theo lý tưởng b Đối với miền Eulerian Bề mặt phía gọi mặt với tính chất tuyệt đối cứng khơng cho dịng lưu chất qua Do tốn có tính chất đối xứng nên mơ hình xây dựng với mặt đối xứng Các mặt lại miền khảo sát xem mặt thống để lưu chất ngồi 3.3.5 Thiết lập thơng số mơ Do kích thước hình học lớn nên thời gian khảo sát trình tác động sóng nổ kéo dài đến 50 ms Đồng thời, thiết lập tư ng tác rắn lỏng miền lưu chất miền kết cấu suốt q trình mơ 3.3.6 Kết mơ Vụ nổ xảy tạo nên sóng xung kích (1) lan tỏa chiều theo dạng hình cầu Trong trường hợp này, vị trí phát nổ đặt hai khối lập phư ng (A) (C), sóng xung kích (1) phân thành nhóm: - Nhóm 1: sóng xung kích truyền áp suất ngồi miền khảo sát - Nhóm 2: sóng xung kích tiếp tục di chuyển phía hai khối lập phư ng (B) (D) - Nhóm 3: sóng xung kích tác động áp lực vào khối (A), (C) tạo nên sóng phản xạ (3) độ lớn ngược chiều hướng vào tâm nổ Sau hai sóng phản xạ (3) tư ng tác, hình thành nên sóng tới (4) theo sau sóng xung kích (1) hướng khối (B) (D) Sóng xung kích (1) gồm nhiều miền áp suất khác nhau, đó, hai sóng xung kích (1) miền áp suất thấp h n tiếp tục va chạm vào khối (A), (C) gây hai sóng phản xạ (5) Hai sóng phản xạ có đặc điểm sóng phản xạ (3) có giá trị áp suất thấp h n 74 Quá trình tiếp tục lượng nổ nguồn nổ yếu dần khơng đủ để tạo thành sóng nổ Ngồi ra, sóng nổ di chuyển đến khối (B), (D), phần lượng sóng nổ bị cản lại tiếp tục hình thành nên sóng phản xạ (6) Lúc đó, xảy tượng giao thoa sóng nổ Hiện tượng dẫn đến hai trường hợp: thứ làm giảm cường độ áp suất sóng nổ sóng ngược chiều thứ hai làm tăng cường độ áp suất sóng nổ sóng chiều Với nhiều sóng phản xạ miền giá trị áp suất khác nhau, tác động lên kết cấu có nhiều giá trị cực đại thể đồ thị 3.49 (a) t = ms (b) t = ms (c) t = ms (d) t = ms 75 (e) t = ms (f) t = 11 ms Hình 3.59 Trường áp suất toán thời điểm giai đoạn ban đầu Trong q trình lan truyền, sóng phản xạ tư ng tác với tạo thành nhiều sóng thứ cấp với cường độ thấp gây nên nhiều đỉnh sóng cực đại cục biểu diễn hình 3.49 Hình 3.60 Đồ thị áp suất tác động lên điểm Gauge (Giá trị thực nghiệm tham khảo từ [10]) Đồ thị hình 3.49 cho thấy tư ng quan đỉnh áp suất cực đại trình lan truyền sóng phân tích Đỉnh áp suất thể cường độ tác động sóng tới (1) lên kết cấu đạt khoảng 152 kPa (chênh lệch 51 kPa so với 76 áp suất ban đầu) Theo sau miền áp suất cực đại sóng tới (1) miền áp suất thấp dần Tiếp đến, sóng tới (4) di chuyển đến vật thể với áp suất cực đại khoảng 124 kPa Và vậy, sóng phản xạ từ khối (A), (C) tư ng tác, hình thành nên sóng tới lan truyền đến vật thể Do đó, đồ thị có nhiều đỉnh biên độ cực đại Mặt khác, khoảng cách đỉnh biên độ cực đại khác Điều này, phụ thuộc vào cường độ áp suất sóng nổ Khi cường độ áp suất sóng nổ yếu dẫn đến vận tốc lan tuyền sóng yếu nên sóng nổ thứ cấp di chuyển đến vật thể nhiều thời gian h n Một khía cạnh khác, độ dốc đỉnh sóng Như đề cập trên, theo sau miền áp suất cực đại có dải miền áp suất thấp h n giảm dần Do vậy, miền áp suất cực đại sóng thấp dẫn đến dải miền áp suất sau thấp dần, đồng thời vận tốc lan truyền chậm h n nên độ dốc đỉnh sóng thoải dần 77 CHƢƠNG KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 4.1 Kết luận Luận văn mô ứng xử tải nổ tác động đến cơng trình dân dụng dựa c sở kết mơ phân tích cấu trúc sóng phức tạp, tầm ảnh hưởng vùng nổ khu vực ảnh hưởng Luận văn cho thấy việc sử dụng cơng cụ ANSYS AUTODYN cung cấp cách tiếp cận hiệu để xác định tải trọng nổ môi trường đô thị Tải trọng nổ thành phần xác định mơ hình nổ phư ng pháp phần tử hữu hạn Một số tính chất vật lý q trình nổ với lượng cao bao gồm lan truyền sóng xung kích trình bày Chư ng Bên cạnh đó, khảo sát tồn diện mơ hình nổ phần mềm AUTODYN thể Chư ng Sử dụng mơ hình khối thuốc nổ (dạng hình cầu) tư ng tác rắn lỏng với vật thể để phân tích phần mềm Các kết tính tốn phần mềm so sánh với kết thực nghiệm báo Khi hai sóng tới tư ng tác theo chiều ngược hình thành nên sóng thứ cấp Và sóng thứ cấp nguyên nhân gây đỉnh áp suất cực đại sau chịu áp lực cực đại ban đầu Trong khu vực gần bề mặt vật thể, tăng áp suất đạt cực đại xem tức thời dẫn đến không liên tục Nhưng điều xảy đỉnh áp suất Các đỉnh biên độ áp suất, độ dốc khoảng cách đỉnh khác phụ thuộc vào cường độ áp suất thời điểm Q trình phân tích toán nghiên cứu tượng nổ cho kết mô luận văn phù hợp với kết báo khoa học uy tín, thực nghiệm 4.2 Kết đạt đƣợc Trên c sở phân tích, đánh giá kết quả, luận văn đạt kết c sau: 78  Luận văn nghiên cứu xuất kết để dự đốn, mơ ứng xử tải trọng nổ không gian  Xuất kết lượng khối thuốc nổ theo thời gian  Xuất kết tốc độ lan truyền sóng nổ khơng gian  Phân tích kết áp suất sóng nổ, so sánh kết với báo khoa học  Phân tích ảnh hưởng sóng nổ, dự đốn vùng ảnh hưởng hướng di chuyển của sóng nổ khả tư ng tác sóng nổ sóng phản xạ với  Ứng dụng phư ng pháp phần tử hữu hạn vào phân tích tốn phi tuyến 4.3 Hạn chế v hƣớng ph t triển Những hạn chế luận văn:  Một số kết sai số so với kết mơ phỏng, thí nghiệm  Chưa xác định mức độ phá hủy vật liệu chịu ảnh hưởng tải nổ Hướng phát triển: - Xét mô hình thực tế giải thuật - Nghiên cứu phư ng pháp khắc phục giảm thiểu tối đa ảnh hưởng sóng nổ gây cho khu dân cư - Nghiên cứu loại vật liệu chống nổ - Ứng dụng tải nổ vào ngành công nghiệp, quân xây dựng hầm, cầu, đường TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Simulation of Blast Action on Civil Structures Using ANSYS Autodyn - N.N Fedorova (1,2, a), S.A Valger (1,2, b), A.V Fedorov (1,2,c) [2] Blast Loading and Blast Effects on Structures – An Overview- T Ngo, P Mendis, A Gupta & J Ramsay [3] Workshop – ANSYS AUTODYN [4] Lý thuyết dẻo kỹ thuật – PGS.TSTrương Tích Thiện [5] Mơ tác động tải trọng nổ lên kết cấu cơng trình biển phân tích tương tác rắn lỏng – PGS.TS Trương Tích Thiện, ThS Trần Kim Bằng, ThS Nguyễn Thanh Hiền [6] Luận án Tiến sỹ “Phân tích động lực học kết cấu cơng trình biển hệ cố định san hô chịu tác dụng tải trọng song biển gió theo mơ hình tóa khơng gian” – Lê Hoàng Anh [7] Numerical Modeling of Underwater Explosion by One-Dimensional ANSYSAUTODYN – Hao Huang [8]Finite Element Modeling and Simulation with ANSYS Workbench - Xiaolin Chen, Yijun Liu [9]ANSYS® Explicit Dynamics and AUTODYN® Applications - Ashish Jaiswal [10] Morgan Johansson, Ola Pramm Larsen, Leo Laine, "Explosion at an intersection in an Urban Enviroment - Experiment and Analyses," Swedish Rescue Agency, Sweden, 2007 [11] Phương pháp phần tử hữu hạn, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, 1997 -Chu Quốc Thắng ... 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... 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... ảnh hưởng vụ nổ khu vực đô thị với độ xác cao Trong luận văn, tác giả lựa chọn kết cấu khu dân cư sử dụng phần mềm ANSYS AUTODYN để mô ứng xử c học kết cấu tác động tải trọng nổ phư ng pháp phần