mm
Các kết quả thu được khi vị trí nổ là 5 m và khối lượng thuốc nổ lần lượt là 250, 350 và 450 kg được trình bày trong hình 3.16.
61
3.16a. 250 kg HBX-1 3.16b. 350 kg HBX-1
t=4.5x10-3s t=6.5x10-3s
t=10x10-3s 3.17c. 450 kg HBX-1
Hình 3.17 Các kết quả thu được khi vụ nổ xảy ra cách đáy tàu 5 m
Theo như các kết quả trình bày trong hình 3.16 chúng ta thấy rằng khi khối lượng thuốc nổ là 250 và 350 kg HBX-1 thì vỏ tàu chỉ bị biến dạng mà không bị phá hủy. Khi khối lượng thuốc nổ là 450 kg thì vỏ tàu bị phá hủy tại khu vực đáy tàu. Vỏ tàu bắt đầu bị phá huỷ ở khoảng thời gian là 4.5x10-3s và tiếp tục phát triển như trong hình 3.17c. Để hiểu rõ hơn về nguyên nhân gây ra phá hủy tại khu vực đáy tàu, ứng suất và biến dạng tại khu vực đáy tàu được khảo sát. Hình 3.18 và 3.19 chỉ ra mối quan hệ giữa ứng suất theo thời gian và ứng suất-biến dạng tại khu vực đáy tàu.
Vật liệu bị phá hủy
62
Hình 3.18 Đồ thị ứng suất theo thời gian tại khu vực đáy tàu
Hình 3.19Đồ thị ứng suất-biến dạng tại khu vực đáy tàu
Nhìn vào đồ thị trong hình 3.18 chúng ta thấy rằng ứng suất tại khu vực đáy tàu khi vụ nổ dưới nước xảy ra là liên tục tăng và đạt giá trị lớn nhất khi thời gian là 6.2x10-3s và tại giá trị ứng suất đã gây ra phá hủy vỏ tàu. Quan sát đồ thị trong hình4.19 chúng ta thấy rằng ứng suất tăng thì biến dạng tăng và khi ứng suất đạt đến giá trị lớn nhất thì biến dạng đạt giá trị lớn nhất. Khi biến dạng tại khu vực đáy
63
tàu đạt giá trị lớn nhất thì ứng suất đột ngột chuyển về giá trị 0 chứng tỏ rằng tại thời điểm này vật liệu đã xảy ra phá hủy.
3.4.3.3 Khoảng cách từ nguồn nổ tới đáy tàu là 2 m với chiều dày vỏ tàu là 15 mm mm
Để so sánh ảnh hưởng vụ nổ dưới nước tới vỏ tàu khi thay đổi chiều dày ta khảo sát vụ nổ cách đáy tàu 2 m và khối lượng thuốc nổ lần lượt là 250, 350 và 400 kg. Chiều dày vỏ tàu được chọn dày 15 mm. Các kết quả thu được như trong hình 3.20.
3.20a. 250 kg HBX-1 3.20b. 350 kg HBX-1
t=1.5x10-3 s t=5x10-3 s
t=10x10-3 s 3.20c. 400kg HBX-1
Hình 3.20 Các kết quả thu được khi vụ nổ xảy ra cách đáy tàu 2 m
Nhìn vào các kết quả thu được trong hình 3.20 chúng ta thấy rằng khi chiều dày vỏ tàu là 15 mm thì khối lượng thuốc nổ 250 và 350 kg HBX-1 chỉ làm biến dạng vỏ tàu chứ vỏ tàu không hề bị phá hủy. Khi khối lượng thuốc nổ là 400 kg thì vỏ tàu
Vật liệu bị phá hủy
64
chịu tác động lớn khi vụ nổ xảy ra và kết quả là vỏ tàu bị phá hủy như trong hình 3.20c. Để so sánh ảnh hưởng vụ nổ tới vỏ tàu khi chiều dày khác nhau thì ta so sánh ứng suất tại khu vực vỏ tàu bị phá hủy khi chiều dày là 10 mm và 15 mm như 3.21. Trong trường hợp vỏ tàu dày 10 mm thì khối lượng thuốc nổ làm phá hủy vỏ tàu là 250 kg, khi chiều dày vỏ tàu là 15 mm thì khối lượng thuốc nổ gây ra phá hủy vỏ tàu là 400 kg.
Hình 3.21 Ứng suất tại khu vực vỏ tàu bị phá hủy
Nhìn vào đồ thị trong hình 3.21 chúng ta thấy rằng ứng suất tại khu vực vỏ tàu bị phá hủy là gần sát nhau điều này chứng tỏ rằng khi vụ nổ xảy ra làm cho vỏ tàu biến dạng và ứng suất tăng dần tới khi đạt tới giá trị tới hạn của vật liệu và gây ra phá hủy. Do đó khi chiều dày tăng thì yêu cầu khối lượng thuốc nổ lớn để có thể gây ra biến dạng và ứng suất đủ lớn mới có thể phá hủy vỏ tàu. Để chứng minh vấn đề trên chúng ta có thể so sánh ứng suất cũng như biến dạng tại khu vực đáy tàu khi chiều dày vỏ tàu là 10 và 15 mm với cùng lượng thuốc nổ là 250 kg và vị trí nổ cách đáy tàu là 2 m.
65
Hình 3.22 Đồ thị so sánh biến dạng tại khu vực đáy tàu
Hình 3.23 Đồ thị so sánh ứng suất tại khu vực đáy tàu
Phân tích đồ thị trong hình 3.22 chúng ta thấy rằng mức độ biến dạng tại khu vực đáy tàu trong trường hợp chiều dày vỏ tàu là 15 mm so với chiều dày vỏ tàu 10 mm là nhỏ hơn rất nhiều. Vậy trong trường hợp vỏ tàu là 10 mm thì biến dạng lớn làm cho tham số phá hủy vật liệu D đạt tới giá trị 1 nên vỏ tàu bị phá hủy còn trong
66
trường hợp vỏ tàu dày 15 mm do biến dạng nhỏ nên tham số phá hủy D nhỏ hơn 1 và vỏ tàu được an toàn. Nhìn vào đồ thị trong hình 3.23 ta thấy rằng ứng suất khi vỏ tàu là 10 mm thì tăng dần tới giá trị tới hạn của vật liệu nên gây ra phá hủy vỏ tàu. Khi vỏ tàu dày 15 mm thì ứng suất tăng tới giá trị lớn nhất nhưng cách giá trị tới hạn của vật liệu một khoảng khá lớn sau đó tăng giảm quanh giá trị đó nên vật liệu không bị phá hủy và vỏ tàu được an toàn.
3.4.3.4 Kết luận
Từ các kết quả mô phỏng với tàu có kết cấu khung bên trong ta có thể kết luận như sau:
Khi vụ nổ dưới nước xảy ra thì ảnh hưởng của vụ nổ tới tàu chủ yếu phụ thuộc và vị trí nguồn nổ so với tàu, chiều dày vỏ tàu và khối lượng thuốc nổ. Với các kết quả thu được ở trên chúng ta thấy rằng với chiều dày vỏ tàu là 10 mm thì vỏ tàu sẽ bị phá hủy khi khối lượng thuốc nổ là 250 kg nếu vị trí nguồn nổ cách tàu là 2 m. Nếu vị trí nguồn nổ cách tàu là 5 m thì vỏ tàu sẽ được an toàn khi khối lượng thuốc nổ dưới 450 kg. Khi vỏ tàu dày 15 mm thì khối lượng thuốc nổ để phá hủy được vỏ tàu là 400 kg.
3.5 Kết luận chung
Khi một vụ nổ xảy ra thì mức độ ảnh hưởng của nó tới kết cấu tàu phụ thuộc vào vị trí nổ, chiều dày vỏ tàu và khối lượng thuốc nổ. Với khoảng cách càng gần và khối lượng thuốc nổ càng lớn thì khả năng biến dạng/phá hủy kết cấu tàu càng cao. Trong trường hợp vụ nổ xảy ra ngay phía dưới đáy tàu thì khu vực chịu ảnh hưởng nhiều nhất và có khả năng bị biến dạng/phá hủy cao nhất là đáy tàu và bên sườn tàu. Trên cơ sở làm chủ được mô hình truyền sóng xung kích dưới nước, có thể áp dụng phương pháp mô phỏng để đánh giá nguy cơ hư hại của vật thể trong lòng nước dưới tác động của các vụ nổ.
Khi tàu có kết cấu khung thì khả năng chống lại các tác động từ vụ nổ dưới nước là cao hơn so với tàu không có kết cấu khung bên trong. Tàu có kết cấu khung sẽ ít bị
67
biến dạng hơn và khả năng bị phá hủy sẽ thấp hơn nhiều so với tàu vỏ liền không có kết cấu khung.
Dựa vào các kết quả nghiên cứu trên thì hướng phát triển tiếp theo sẽ là khảo sát ảnh hưởng vụ nổ dưới nước tới vỏ tàu khi vỏ tàu được làm bằng một số vật liệu khác như composite hay nghiên cứu về ảnh hưởng vụ nổ dưới nước tới thân tàu khi có nhiều vụ nổ xảy ra đồng thời…
68
Tài liệu tham khảo
[1] Cole R.H., Underwater explosion, Princeton University Press, New Jersey, 1948 [2] Gleyzal A.N., Plastic deformation and absorption of energy by thin circular
plates under normal loading, Compendium onUnderwater Explosion Research, 1950
[3] Ramajeyathilagam K., Vendhan C. P.; Non-linear transient dynamic response of rectangular plates under shock loading,International Journal of Impact Engineering, 24(10), 2000, p.999–1015
[4] Nurick G. N., Martin J. B., Deformation of thin plates subjected to impulsive loading- A review, part II: experimental studies,International Journal of Impact Engineering, 8(2), 1989, p. 171–86
[5] GongS. W., Zong Z., LamK. Y., Lee K. L.; Effect of close-in explosion
onsubmerged structures in shallowwater, US/Singaporeworkshopon Computational Mechanics and Simulation of Underwater Explosion Effects held inWashington DC, 1–2 Nov, 2000
[6] Zong Z., Hung K. C.; Computational mechanics of underwater explosion and its effects on the survivability of submarines,Submarine & ASW ASIA 2003 International Conference, 4th–5th March, Singapore, 2003
[7]Zhi Zong, Yanjie Zhao, Haitao Li; A numerical study of whole ship structuraldamage resulting from close-in underwaterexplosion shock,Marine Structures 31, 2013,p. 24–43
[8] Jong Wan Park, Underwater explosion testing of catamaran-like structure vs.
simulation and feasibility of using scaling law
[9] Geers, T.L. and Hunter, L.S., 2002. An Integrated Wave-Effects Model for anUnderwater Explosion Bubble, Journal of Acoustical Society ofAmerica, 111, 1548-1601.
69
[10]Coles, R.H., 1948. Underwater Explosions, Princeton University Press,Princeton.
[11] Abaqus, 2010. Version 6.10.1, Analysis User Manual.
[12] Swisdak, M.M., 1978. Explosion effects and properties: Part II-
Explosioneffects in water, Naval Surface Weapons Center Report,NSWC/WOL/TR-77-116, Naval Surface Weapons Center, Virginia.
[13] Shin Y.S., 2004. Ship Shock Modeling and Simulation for Far-
FieldUnderwater Explosion, Computers and Structures, 82, 2211-2219.
[14] Kaminski, M.L., Besnier, F., Du, S., Ergin, A., and others, 2006. Committee II.2; Dynamic Response, 16th International Ship and OffshoreStructures Congress, Southampton, UK, August 2006, 301-302.
[15] Abaqus, 2010. Version 6.10.1, Theory Manual.
[16] Didoszak, J.M., 2004. Parametric Studies of DDG-81 Ship Shock
TrialSimulations, Master of Science Thesis, Naval Postgraduate School,Monterey, California.
[17] Rajendran, R. and Narsimhan, K., 2004. Deformation and rupture of thin rectangular plates subjected to underwater shock, InternationalJournal of Impact Engineering, 30, 699-719.
[18] Liang C.C. and Tai Y.S., 2006. Shock responses of a surface ship subjected to non-contact underwater explosions, Ocean Engineering, 33, 748-772.
[19] Hugh, C.F., Hsu, P.Y. and Hwang-Fuu, J.J., 2005. Elastic shock response of an air-backed plate to underwater explosion, International Journal ofImpact Engineering, 31, 151-168.
[20] Abaqus, 2010. Version 6.10.1, Structural-Acoustic Analysis using ABAQUS lecture notes.
[21]Damage evolution and element removal for ductile metals, https://www.sharcnet.ca/Software/Abaqus/6.11.2/books/usb/default.htm. March 27th, 2012th.
70
[22] Cowper G. R., Symonds P. S.; Strain hardening and strain-rate effects in the
impact loading of cantilever beams, BrownUniversity Division of Applied Mathematics, September, Report No. 28, 1957
[23] Zhi Zong, Yanjie Zhao, Haitao Li; A numerical study of whole ship
structuraldamage resulting from close-in underwaterexplosion shock,Marine Structures 31, 2013,p. 24–43
[24] J. W Hancock and A.C. Mackenzie. On the mechanisms of ductile failure in high strength steels subjected to multi-axial stress-states. Journal of the mechanics and Physics of Solids. 24(1976) 147-169.