Mô phỏng ứng xử cơ học phi tuyến của kết cấu thép ngoài khơi dưới tác động của tải nổ bằng phương pháp phần tử hữu hạn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ CÔNG NGHIỆP LONG AN LÊ QUANG TẤN MÔ PHỎNG ỨNG XỬ CƠ HỌC PHI TUYẾN CỦA KẾT CẤU THÉP NGOÀI KHƠI DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA TẢI NỔ BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng Mã số: 8.58.02.01 Long An, tháng 07 năm 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ CÔNG NGHIỆP LONG AN LÊ QUANG TẤN MÔ PHỎNG ỨNG XỬ CƠ HỌC PHI TUYẾN CỦA KẾT CẤU THÉP NGOÀI KHƠI DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA TẢI NỔ BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng Mã số: 8.58.02.01 Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Trương Tích Thiện Long An, tháng 07 năm 2019 i LỜI CAM ĐOAN Ngồi kết tham khảo từ cơng trình khác ghi luận văn, tơi xin cam kết luận văn 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 ơn thơng tin trích dẫn luận văn ghi rõ nguồn gốc HỌC VIÊN THỰC HIỆN Lê Quang Tấn 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 chương 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 ơn thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Trương 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 ơn gia đình, bạn bè, tập thể lớp Cao học Xây dựng hỗ trợ trình học tập thực luận văn HỌC VIÊN THỰC HIỆN Lê Quang Tấn iii Tóm tắt luận văn Việc nổ giàn khoan làm cho hàng triệu thùng dầu loang biển gây hậu nặng nề lâu dài cho sức khỏe người ô nhiễm hệ sinh thái khu vực bị ảnh hưởng Do vậy, việc phân tích ứng xử giàn khoan tác dụng tải nổ cần thiết để dự đốn vị trí bị phá hủy nhiều tượng nổ diễn Kết cấu giàn khoan biển chọn làm đối tượng khảo sát tác động tải trọng nổ Tải trọng nổ mơ hình hóa tương đương với khối lượng thuốc nổ TNT Trong báo này, nhóm tác giả lựa chọn phương pháp ALE (Arbitrary Lagrangian-Eulerian) tích hợp phần mềm ANSYS thay quy đổi tương đương dạng tải áp suất theo thời gian Chính vậy, đáp ứng kết cấu phụ thuộc vào lan truyền áp suất sóng nổ mơi trường lưu chất khác Mơ hình vật liệu thuốc nổ TNT, khơng khí, thép (bao gồm thông số phá hủy) sử dụng cho loại đối tượng khác q trình mơ Những kết mơ từ lúc kích nổ q trình lan truyền sóng nổ cho thấy vị trí phá hủy nguy hiểm kết cấu giàn khoan iv MỤC LỤC DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xi CHƯƠNG TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan cơng trình biển 1.1.1 Quá trình phát triển ngành cơng trình biển giới 1.1.2 Q trình phát triển ngành cơng trình biển Việt Nam 1.1.3 Phân loại theo vị trí cơng trình biển so với bờ 1.2 Thảm họa cháy nổ cơng trình biển 1.3 Hiện tượng nổ 1.3.1 Giới thiệu 1.3.2 Sóng nổ 1.3.3 Sóng xung kích 1.3.4 Dự đoán áp suất nổ 11 1.4 Tình hình nghiên cứu 12 1.4.1 Nghiên cứu nước 12 1.4.2 Nghiên cứu nước 13 1.5 Mục tiêu đề tài nghiên cứu 14 1.6 Đối tượng phương pháp nghiên cứu 14 1.7 Ý nghĩa đề tài 15 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 16 2.1 Phương pháp phần tử hữu hạn 16 2.1.1 Giới thiệu chung phương pháp phần tử hữu hạn 16 2.1.2 Định nghĩa hình học phần tử hữu hạn 19 2.1.3 Lực, chuyển vị, biến dạng ứng suất 20 2.1.4 Sơ đồ tính tốn phần tử hữu hạn 21 v 2.2 Các thuật toán giải toán động lực học PPTHH 23 2.2.1 Thuật toán Implicit 23 2.2.2.Thuật toán Explicit 24 2.3 Tích phân theo thời gian dạng tường minh 24 2.4 Phương pháp phần tử hữu hạn Arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) 25 CHƯƠNG MÔ HÌNH TÍNH TỐN 30 3.1 Giới thiệu module ANSYS Autodyn 30 3.2 Các bước phân tích tương tác sóng nổ lên kết cấu 30 3.2.1 Xây dựng mô hình CAD 31 3.2.2 Thiết lập thông số vật liệu 31 3.2.3 Định nghĩa miền lưu chất miền phân tích nổ (miền Euler) 32 3.2.4 Xây dựng mô hình phần tử hữu hạn 34 3.2.5 Thiết lập điều kiện biên thơng số phân tích ANSYS Explicit Dynamics ANSYS Autodyn 36 3.3 Các trường hợp phân tích tốn 45 3.3.1 Trường hợp 1: nổ không khí, vị trí khối thuốc nổ A 45 3.3.2 Trường hợp 2: nổ nước, vị trí đặt tải nổ A 54 3.3.3 Trường hợp 3: Nổ khơng khí, vị trí đặt tải nổ B 61 3.4 So sánh kết trường hợp 68 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 71 4.1 Kết luận 71 4.2 Kiến nghị 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO 72 PHỤ LỤC 73 vi DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Giàn khoan Bullwinkle (Hoa Kỳ) Hình 1.2 Giàn khoan Troll-A (Na Uy) Hình 1.3 Giàn khoan tự nâng Tam Đảo (Việt Nam) Hình 1.4 Giàn khoan Independence Hub (Hoa Kỳ) Hình 1.5 Tàu khoan Stones (Hoa Kỳ) Hình 1.6 Một số cơng trình biển giới Hình 1.7 Thảm họa nổ giàn khoan Deepwater Horizon (2010) & dầu tràn Vinh Mexico (ảnh chụp từ vệ tinh) Hình 1.8 Vụ nổ bom đạn thông thường Hình 1.9 Sự thay đổi áp suất sóng nổ theo khoảng cách Hình 1.10 Đặc điểm tải nổ Hình 1.11 Sóng xung kích bao quanh nguồn nổ 10 Hình 1.12 Mơ hình PTHH cơng trình biển tác giả Lê Hoàng Anh nghiên cứu 13 Hình 2.1 Chương trình ANSYS 16 Hình 2.2 Chương trình ABAQUS 17 Hình 2.3 Chương trình SAP 2000 17 Hình 2.4 Một vật thể chia lưới phần tử hữu hạn 18 Hình 2.6 Các dạng biên chung phần tử 19 Hình 2.7 Phần tử chiều 19 Hình 2.8 Phần tử hai chiều 20 Hình 2.9 Phần tử ba chiều 20 Hình 2.10 Sơ đồ khối chương trình PTHH 23 Hình 2.11 Lưới Lagrange lưới Euler 26 Hình 2.12 Sóng nổ miền Euler 26 vii Hình 2.13 Vận tốc sóng nổ miền Euler 27 Hình 2.14 ALE chưa biến dạng 27 Hình 2.15 ALE sau biến dạng 28 Hình 3.1 ANSYS Autodyn 30 Hình 3.2a Mô va chạm ANSYS Autodyn 30 Hình 3.2b Lưu đồ mô 30 Hình 3.3 Thiết kế mơ hình giàn khoan 31 Hình 3.4 Chọn vật liệu thư viện 32 Hình 3.5 Mơ hình sau đưa vào ANSYS Explicit Dynamics 33 Hình 3.6 Miền khơng khí nước chọn Fluid 33 Hình 3.7 Chọn giải Lagrange cho kết cấu 34 Hình 3.8 Chọn giải Euler cho TNT, khơng khí nước 34 Hình 3.9 Thiết lập vật liệu giải cho vật liệu 34 Hình 3.10 Điều kiện chia lưới 35 Hình 3.11 Lưới phần tử hữu hạn mơ hình 35 Hình 3.12 Đánh giá chất lượng lưới PTHH phương pháp Skewness 36 Hình 3.13 Tạo vùng khảo sát 36 Hình 3.14 Thiết lập gia tốc trọng trường 37 Hình 3.15 Thiết lập vị trí điểm kích nổ 37 Hình 3.16 Thiết lập thời điểm kích nổ 37 Hình 3.17 Thiết lập nhiệt độ mơi trường cho tốn 38 Hình 3.18 Thiết lập thời gian giải ANSYS Explicit Dynamics 38 Hình 3.19 Thiết lập “On material failure” 39 Hình 3.20 Chọn đại lượng để xuất kết 40 Hình 3.21 Xuất kết ứng xử tổng thể kết ứng xử vùng khảo sát 41 viii Hình 3.22 Đưa tốn vào ANSYS Autodyn để phân tích 42 Hình 3.23 Thiết lập miền Lagrange (trái) Euler (phải) 43 Hình 3.24 Chọn xuất kết áp suất sóng nổ 43 Hình 3.25 Thiết lập thời gian giải cho toán 44 Hình 3.26 Thiết lập điểm Gauge 45 Hình 3.27 Giải toán ANSYS Autodyn 45 Hình 3.28 Trường hợp 46 Hình 3.29 Vùng khảo sát 1, trường hợp1 46 Hình 3.30 Vùng khảo sát 2, trường hợp1 47 Hình 3.31 Vùng khảo sát 3, trường hợp 47 Hình 3.32 Kết ứng xử kết cấu trường hợp1 0,022s 48 Hình 3.33 Kết ứng xử kết cấu trường hợp1 0,05s 48 Hình 3.34 Kết ứng xử vùng khảo sát thời điểm 0,022s 48 Hình 3.35 Kết ứng xử vùng khảo sát thời điểm 0,05s 49 Hình 3.36 Kết ứng xử vùng khảo sát thời điểm 0,022s 49 Hình 3.37 Kết ứng xử vùng khảo sát thời điểm 0,05s 50 Hình 3.38 Kết ứng xử vùng khảo sát thời điểm 0,022s 50 Hình 3.39 Kết ứng xử vùng khảo sát thời điểm 0,05s 51 Hình 3.40 Biều đồ ứng xử phần tử trường hợp1 theo thời gian 51 Hình 3.41 Hình dạng sóng nổ lan truyền theo thời gian (trường hợp1) 52 Hình 3.42 Áp suất sóng nổ trường hợp 0,022s 53 Hình 3.43 Áp suất sóng nổ trường hợp 0,05s 53 Hình 3.44 Năng lượng khối thuốc nổ theo thời gian (trường hợp1) 54 Hình 3.45 Trường hợp 54 Hình 3.46 Các vùng khảo sát trường hợp2 55 59 Hình 3.56 Hình dạng sóng nổ lan truyền theo thời gian (trường hợp2) Đây kết áp suất sóng nổ thời điểm 0,022s Giá trị lớn áp suất 1,545.103KPa Hình 3.57 Áp suất sóng nổ trường hợp2 0,022s 60 Đây kết áp suất sóng nổ thời điểm 0,05s Giá trị lớn áp suất 8,163.102KPa Hình 3.58.Áp suất sóng nổ TRƯỜNG HỢP 0,05s Hình 3.59 Năng lượng khối thuốc nổ theo thời gian (trường hợp 2) 61 3.3.3 Trường hợp 3: Nổ khơng khí, vị trí đặt tải nổ B Sóng nổ lan truyền mơi trường khơng khí Vị trí đặt thuốc nổ B (trong khơng khí) Hình 3.60 Trường hợp Tạo vùng khảo sát tương tự trường hợp1 để so sánh kết với trường hợp1 Hình 3.61.Các vùng khảo sát trường hợp Kết ứng xử kết cấu trường hợp tượng nổ xảy theo thời gian 62 Hình 3.62 Kết ứng xử kết cấu trường hợp3 0,05s Hình 3.63 Kết ứng xử kết cấu trường hợp 0,05s 63 Hình 3.64 Kết ứng xử vùng khảo sát thời điểm 0,022s Hình 3.65 Kết ứng xử vùng khảo sát thời điểm 0,05s 64 Hình 3.66 Kết ứng xử vùng khảo sát thời điểm 0,022s Hình 3.67 Kết ứng xử vùng khảo sát thời điểm 0,05s 65 Hình 3.68 Kết ứng xử vùng khảo sát thời điểm 0,022s Hình 3.69 Kết ứng xử vùng khảo sát thời điểm 0,05s Kết hình dạng sóng nổ theo thời gian không gian chiều 66 0,005s0,0225s0,05s Hình 3.70 Hình dạng sóng nổ lan truyền theo thời gian (trường hợp 3) Sau phân tích, tác giả đưa đồ thị so sánh kết ứng xử lớn phần tử nêu trường hợp2 chịu tải nổ theo thời gian Biểu đồ ứng xử vùng khảo sát TRƯỜNG HỢP 1200000 1000000 800000 600000 400000 200000 0 0.0225 Selection Selection 0.05 Selection Hình 3.71 Biều đồ ứng xử phần tử trường hợp theo thời gian Qua biểu đồ nhận thấy phần tử bị phá hủy nhanh Trường hợp khối thuốc nổ đặt tâm giàn khoan, sóng nổ lan truyền theo hình cầu tất phần tử giàn khoan bị ảnh hưởng sóng nổ, phần tử gần tâm mức độ phá hủy cao Kết áp suất sóng nổ thời điểm 0,022s Giá trị lớn áp suất 8,658.103KPa 67 Hình 3.72 Áp suất sóng nổ trường hợp3 0,022s Kết áp suất sóng nổ thời điểm 0,05s Giá trị lớn áp suất là2,736.103KPa Hình 3.73 Áp suất sóng nổ trường hợp 0,05s 68 Hình 3.74 Năng lượng khối thuốc nổ theo thời gian (trường hợp 3) 3.4 So sánh kết trường hợp Biểu đồ ứng suất lớn theo thời gian 1600000 1400000 1200000 1000000 800000 600000 400000 200000 0 0.0225 TH1 TH2 0.05 TH3 Hình 3.75 Biểu đồ ứng suất lớn theo thời gian trường hợp Qua biểu đồ, tác giả nhận xét q trình sóng nổ lan truyền lượng khối thuốc nổ giảm dần theo thời gian ứng suất lớn xảy ran gay thời điểm nổ 69 Trường hợp 3, khối thuốc nổ đặt khối tâm giàn khoan nên tác động đến kết cấu nên ứng suất cao thời điểm ban đầu Trường hợp trường hợp2 khối thuốc nổ nằm cách xa giàn khoan nên khoảng thời gian áp suất sóng nổ tác động đến kết cấu, lan truyền khơng khí dễ dàng nước nên tác động sóng nổ lên trường hợp nhanh trường hợp2 Biểu đồ so sánh kết ứng suất Vùng khảo sát 1000000 800000 600000 400000 200000 0 0.0225 TH1-S1 TH2-S1 0.05 TH3-S1 Biểu đồ so sánh kết ứng suất Vùng khảo sát 1500000 1000000 500000 0 0.0225 TH1-S2 TH2-S2 0.05 TH3-S2 Biểu đồ so sánh kết ứng suất Vùng khảo sát 1500000 1000000 500000 0 0.0225 TH1-S3 TH2-S3 0.05 TH3-S3 Hình 3.76 Đồ thị kết ứng suất vị trí trường hợp 70 Kết so sánh cho thấy, trường hợp nổ nước, ứng suất thời điểm nhau, không tăng đột ngột giảm nhanh chóng trường hợp nổ khơng khí Các trường hợp tải nổ đặt mơi trường khơng khí gây phá hủy lớn kết cấu 71 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 4.1 Kết luận Luận văn mơ hình kết cấu giàn khoan phần mềm Solidwork, sau chuyển file hình học sang mô đun Explicit Ansys Workbench để thiết lập tốn mơ phỏng, xây dựng miền Euler cho lưu chất Lagrange cho kết cấu, thiết lập khối thước nổ, tiến hành mơ q trình nổ xuất kết sóng nổ Autodyne So với việc nổ miền khơng khí, nổ nước cho thấy việc lượng nhiều sức cản nước Do vậy, việc ảnh hưởng đến kết cấu không phá hủy kết cấu tượng nổ miền khơng khí Năng lượng nổ giải phóng lớn dẫn đến áp suất tác động vào kết cấu lớn vượt giới hạn vật liệu cấu tạo nên giàn khoan, nguyên nhân cho việc phá hủy kết cấu kết Sóng nổ tạo hình cách nhờ áp suất giải phóng chất nổ đẩy miền khơng khí ngồi Tuy nhiên, gặp mơi trường nước sóng nổ khó đẩy Quả kết mơ phỏng, thấy khác biệt lớn sóng nổ lan truyền hai môi trường lưu chất tác động lên kết cấu 4.2 Kiến nghị Bài toán động lực học sóng nổ dạng tốn khó Bước đầu nghiên cứu, luận văn giải số vấn đề sau  Phân tích mức độ phá hủy tải nổ tác động lên kết cấu giàn khoan thép  Xác định hệ áp suất sóng nổ lan truyền mơi trường lưu chất lỏng khí  Áp dụng tối ưu kết từ phần mềm  Xác định vị trí đặt tải nổ tác động lớn đến kết cấu mơ Tuy nhiên việc tìm kiếm tài liệu số liệu thực tế nhiều hạn chế giới hạn tài ngun tính tốn nên việc mơ tả kết cấu giàn khoan cách chi tiết gặp khó khăn Hướng phát triển đề tài mô ảnh hưởng sóng nổ người có vụ nổ xảy 72 Tài liệu kham khảo [1] Trương Tích Thiện, Nguyễn Thanh Nhã.Phân tích kết cấu, Nhà xuất Đại học Quốc Gia Tp HCM, 2016 [2] Chu Quốc Thắng Phương pháp phần tử hữu hạn, NXB khoa học kỹ thuật, 1997 [3] Mai Hồng Quân, Vũ Đan Chỉnh, Bùi Thế Anh Đánh giá an tồn bền kết cấu cơng trình biển cố định thép chịu tải trọng sóng ngẫu nhiên vùng nước sâu, áp dụng vào điều kiện biển việt nam, Hội nghị Khoa học Công nghệ Biển toàn quốc lần thứ V, 2011 [4] Lê Hoàng Anh.Phân tích động lực học kết cấu cơng trình biển hệ thanhcố định san hô chịu tác dụng tải trọngsóng biển gió theo mơ hình tốn khơng gian, luận án tiến sĩ kỹ thuật, 2016 [5] Đào Văn Tuấn.Nghiên cứu tính tốn cơng trình biển dạngkhung chịu tải trọng sóng ngẫu nhiên, Đề tài nghiên cứu khoa học, 2016 [6].http://petrotimes.vn/deepwater-horizon-tham-hoa-tran-dau-lon-nhat-lich-su 492564.html [7] M Tajari, F Azarsina, N Ashrafi Khorasani Nonlinear statics analysis of on offshore jaket platform in the case of explosion , Int J.MAr.Sci.Eng., 3(1), pp 33-42, Winter, 2013 [8] Steve Walker, Rod Bleach, S Carney, Greg Fairlie and L A Louca, New Guidance on the Design of Offshore Structures to Resist the Explosion Hazard, ASME 2003 22nd International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering, Paper No OMAE2003-37120, pp 111-117, 2003 [9] Workshop – ANSYS AUTODYN [10] https://www.shell.com 73 PHỤ LỤC Nội dung luận văn chấp nhận báo cáo Hội nghị Cơ học kỹ thuật toàn quốc Kỷ niệm 40 năm thành lập Viện Cơ học Hà Nội vào ngày 09/04/2019 với chủ đề Mô tương tác sóng nổ kết cấu cơng trình biển ... TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ CÔNG NGHIỆP LONG AN LÊ QUANG TẤN MÔ PHỎNG ỨNG XỬ CƠ HỌC PHI TUYẾN CỦA KẾT CẤU THÉP NGOÀI KHƠI DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA TẢI NỔ BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN LUẬN VĂN THẠC... này, tác giả lựa chọn kết cấu giàn khoan thực tế sử dụng phần mềm ANSYS để mô ứng xử học kết cấu tác động tải trọng nổ phân tích tương tác rắn lỏng dựa phương pháp phần tử hữu hạn phương pháp. .. hình phi tuyến hình học kết cấu chịu tác động tải nổ Việc tính tốn thành cơng phương trình động lực học thích hợp để áp dụng vào toán tải trọng nổ Như vậy, vấn đề đặt cần xác lập mô hình phi tuyến