luận án lập có xem xét đến lý thuyết nhiễu xạ với thử nghiệm thực tế
Mục 3.3, Chƣơng 3 đã thiết lập chƣơng trình tính toán tải trọng sóng nổ dƣới nƣớc lên chƣớng ngại phẳng (UNDEXLOAD) và các chƣớng ngại có hình dạng đặc biệt (UNDEXLOAD-1). Để đánh giá độ tin cậy của phƣơng pháp lý thuyết của Zamyshlyaev kèm theo chƣơng trình tính toán của luận án theo lý thuyết này, dƣới đây so sánh giữa lý thuyết và thực nghiệm đối với chƣớng ngại dạng phẳng. Từ các thí nghiệm 3 và 4 trình bày trong mục 4.1 và
124
4.2, cho phép biểu diễn sự phụ thuộc thực tế của áp suất theo thời gian của sóng nổ khi tƣơng tác với chƣớng ngại tấm bê tông dạng phẳng, theo hình 4.37 và 4.38.
Hình 4.37. Sự phụ thuộc thực tế của áp suất theo thời gian của sóng nổ trên bề mặt chƣớng ngại tấm bê tông dạng phẳng (thí nghiệm 3 với lƣợng nổ
400g ở khoảng cách 8m)
Hình 4.38. Sự phụ thuộc thực tế của áp suất theo thời gian của sóng nổ trên bề mặt chƣớng ngại tấm bê tông dạng phẳng (thí nghiệm 4, với lƣợng nổ
400g ở khoảng cách 10m) 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 0.00000 0.00002 0.00004 0.00006 0.00008 0.00010 Pm ax (KP a) Thoi gian (s)
Theo TN tai Truong Sa
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 0.00000 0.00002 0.00004 0.00006 0.00008 0.00010 A p su at (K p a) Thoi gian (s)
125
Phân tích các hình 4.37 và 4.38 nhận thấy, các quy luật áp suất phụ thuộc theo thời gian đều có thể đƣa về dạng chung đối với sóng phẳng theo phƣơng trình:
( ) ( ) (kPa) (4.3)
Đối với thí nghiệm 3 ta có:
(kPa); τ1 = 0,0001s Đối với thí nghiệm 4 ta có:
(kPa); τ2 = 0,0001s
Phƣơng trình (4.3) và các số liệu pmax1, τ1; pmax2, τ2 đƣợc sử dụng trong chƣơng trình UNDEXLOAD mà luận án xây dựng.
Kết quả biến đổi áp suất sóng nổ theo thời gian trên bề mặt chƣớng ngại tƣơng ứng với hàm sóng nổ p1(t) và p2(t) từ thí nghiệm và kết quả tính toán theo chƣơng trình UNDEXLOAD và so sánh với thí nghiệm thực tế đƣợc thể hiện trong hình4.39 và 4.40.
Hình 4.39 Kết quả phân bố áp lực tại một điểm theo thí nghiệm và chƣơng trình UNDEX với hàm p1(t) (thí nghiệm 3)
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 0.00000 0.00002 0.00004 0.00006 0.00008 0.00010 Pm ax (KP a) Thoi gian (s)
Theo TN tai Truong Sa Theo UNDEXLOAD
126
Hình 4.40 Kết quả phân bố áp lực tại một điểm theo thí nghiệm và chƣơng trình UNDEX với hàm p2(t) (thí nghiệm 4)
Kết quả số liệu so sánh giữa lý thuyết và thực nghiệm của hai hàm sóng nổ đƣợc thể hiện qua các các bảng 4.12 và 4.13.
Bảng 4.12. Kết quả và sai số giữa lý thuyết và thực nghiệm hàm p1(t) (thí nghiệm 3)
Thời gian Số liệu thí nghiệm Số liệu
UNDEXLOAD Sai số % 0,00000 3062 3062 0,0 0,00001 2874,4 2755,8 4,1 0,00002 2686,8 2449,6 8,8 0,00003 2499,2 2143,4 14,2 0,00004 2311,6 1837,2 20,5 0,00005 2124 1531 27,9 0,00006 1750 1224,8 30,0 0,00007 1300 918,6 29,3 0,00008 780 612,4 21,5 0,00009 300 306,2 2,1 0,00010 0 0 # Sai số trung bình % 15,9 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 0.00000 0.00001 0.00002 0.00003 0.00004 0.00005 0.00006 0.00007 0.00008 0.00009 A p su at (K p a) Thoi gian (s) Theo UNDEXLOAD Theo TN tai Truong Sa
127
Bảng 4.13 Kết quả và sai số giữa lý thuyết và thực nghiệm hàm p2(t) (thí nghiệm 4)
Thời gian Số liệu thí nghiệm Số liệu
UNDEXLOAD Sai so % 0,00000 3012 3012,0 0,0 0,00001 2631 2677,3 1,8 0,00002 2250 2342,7 4,1 0,00003 1935 2008,0 3,8 0,00004 1621 1673,3 3,2 0,00005 1134,4 1338,7 18,0 0,00006 890,6 1004,0 12,7 0,00007 646,8 669,3 3,5 0,00008 403 334,7 17,0 0,00009 150 0 # Sai số trung bình % 7,12
Nhận xét: Từ các đồ thị hình 4.39; 4.40 và số liệu giữa hai bảng 4.12 và 4.13 cho sai số trung bình giữa phƣơng pháp tính toán theo lý thuyết đề cập đến nhiễu xạ thông qua chƣơng trình UNDEXLOAD so với các kết quả thí nghiệm không quá 15,9 %. Nhƣ vậy bƣớc đầu có thể thấy rằng tính toán lý thuyết theo sóng phẳng có kể đến nhiễu xạ có thể chấp nhận đƣợc.
4.3.2. So sánh phương pháp tính toán theo phần mềm ANSYS-AUTODYN với thử nghiệm thực tế
a. Kết quả mô phỏng thí nghiệm theo phần mềm ANSYS-AUTODYN
ANSYS là phần mềm thƣơng mại do công ty phần mềm ANSYS Inc (Hoa Kỳ) phát triển, dựa trên phân tích phần tử hữu hạn (Finite Element Analysis-FEA) để mô phỏng ứng xử của một hệ vật lý khi chịu tác động của các loại tải trọng khác nhau. Phần mềm ANSYS đƣợc sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới để giải quyết các bài toán thiết kế, mô phỏng tối ƣu kết cấu và các quá trình truyền nhiệt, dòng chảy, điện/tĩnh điện, điện từ… và tƣơng tác giữa các môi trƣờng hay các hệ vật lý. Chính vì thế nên phần mềm ANSYS đã trở thành một công cụ mô phỏng rất hữu hiệu trong các lĩnh vực nhƣ công
128
nghiệp vũ khí, công nghiệp vũ trụ và hàng không, công nghiệp ô tô, y sinh, xây dựng và cầu đƣờng… ANSYS sử dụng phƣơng pháp PTHH để phân tích các bài toán vật lý - cơ học, chuyển các phƣơng trình vi phân, phƣơng trình đạo hàm riêng từ dạng giải tích về dạng số, sử dụng phƣơng pháp rời rạc hóa và gần đúng để giải. Nhờ ứng dụng phƣơng pháp PTHH, các bài toán kỹ thuật đƣợc mô hình hóa và mô phỏng toán học, cho phép lý giải trạng thái bên trong của vật thể, nhƣ thực, khi chịu một tác động bên ngoài [22], [23],[24].
Trong ANSYS WORKBENCH có nhiều thành phần:
Electric(ANSYS); Explicit Dynamics(ANSYS); Fluid Flow(CFX); Fluid Flow(CFD); HamonicResponse(ANSYS); Linear Bluckling(ANSYS); Magnetostatic(ANSYS); Modal(ANSYS); Response Spectrum(ANSYS); shape optimization(ANSYS); Static Structural(ANSYS); Steady-State Thermal(ANSYS); Thermal-Electric(ANSYS); Transient Structural(ANSYS); Transient Structural(MDB); Transient Thermal(ANSYS).
Các thành phần trên giải quyết rất nhiều bài toán kỹ thuât nhƣ điện, từ trƣờng, nhiệt, nhiệt điện, quang phổ, dòng chảy, khí, kết cấu tĩnh và động, các bài toán tối ƣu…
Ngoài ra còn có các bộ công cụ khác để giải các bài toán riêng rẽ và cũng có thể liên kết với các bài toán trên nhƣ AUTODYN, CFX, Explicit Dynamics(LS-DYNA), Finite Element Modeler, Fluent, Mechanical APDL...
Trong đó, bộ công cụ ANSYS AUTODYN, ANSYS/LS-DYNA thƣờng đƣợc ứng dụng để giải quyết các vấn đề kết cấu có độ phi tuyến cao nhƣ bài toán động lực học biến dạng lớn nhƣ biến dạng do nổ, nổ tạo hình, va chạm tốc độ cao, hay trong gia công áp lực… Bộ xử lý có sẵn trong AUTODYN nhìn chung áp dụng hƣớng tiếp cận sai phân hữu hạn/khối lƣợng hữu hạn, gồm các bộ xử lý [22], [23],[24]:
129
Bộ xử lý Lagrange để mô hình hóa các kết cấu và môi trƣờng liên tục của chất rắn.
Các bộ xử lý Euler để mô hình hóa chất lỏng, khí và sự biến dạng lớn. Các bộ xử lý này gồm các cơ chế chính xác bậc nhất và bậc hai.
Bộ xử lý ALE (Tùy ý lagrange Euler) cho mô hình dòng đặc biệt. Bộ xử lý shell để mô hình hóa các phần tử kết cấu móng.
Smooth Particle Hydrodynamics (SPH) thủy động lực học hạt trơn. Trong nghiên cứu này, tác giả chỉ tập trung vào mô phỏng mô hình tƣơng tác giữa sóng nổ và tấm bê tông nhƣ đã có trong thí nghiệm 3 và 4. Từ các bố trí thí nghiệm nhƣ trình bày ở trên, tác giả nghiên cứu trƣờng hợp sóng nổ tác dụng lên tấm bê tông có đặt đầu đo ở chính giữa, lƣợng nổ và kích thƣớc tấm bê tông trong mô phỏng nhƣ thí nghiệm 3.
Các đầu đo đƣợc đặt tƣơng ứng với các điểm khảo sát trên bề mặt trong chƣơng trình UNDEXLOAD. Trong đó đầu đo 1 đƣợc đặt chính giữa tấm để so sánh với thí nghiệm. Mô hình tƣơng tác giữa tấm bê tông có gắn các đầu đo và lƣợng nổ đặt trong môi trƣờng nƣớc đƣợc thể hiện nhƣ hình 4.41:
Hình 4.41 Mô hình tƣơng tác giữa lƣợng nổ với tấm bê tông có gắn đầu đo trong môi trƣờng nƣớc
130
Hình 4.42 Mô hình tƣơng tác giữa lƣợng nổ và tấm bê tông dƣới nƣớc
Kết quả tƣơng tác giữa sóng nổ và tấm theo các đầu đo trên bề mặt tại thời điểm bắt đầu tƣơng tác đƣợc thể hiện theo bảng 4.8.
Bảng 4.14 Kết quả áp suất tại các đầu đo trên bề mặt mô hình chƣớng ngại
Đầu đo 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Pmax (KPa) 3433 3433 3433 3433 3433 3433 3433 3433 3433 3433 Áp suất thu đƣợc tại đầu đo 1 khi sóng nổ tƣơng tác với tấm bê tông đƣợc thể hiện theo hình 4.43.
Hình 4.43 Tƣơng tác của sóng nổ với tấm tại đầu đo 1 Áp suất tại đầu đo chính giữa tấm bê tông từ khi sóng đến trong khoảng 0,0001 s thể hiện theo bảng 4.15.
131
Bảng 4.15. Giá trị áp suất tại điểm đo giữa tấm theo thời gian Thời gian (s) Pmax theo AUTODYN (KPa)
0,00000 3433 0,00001 3219 0,00002 2840 0,00003 2681 0,00004 2774 0,00005 2830 0,00006 2497 0,00007 2091 0,00008 1754 0,00009 1764 0,00010 1999
Đồ thị phân bố áp suất tại điểm chính giữa tấm bê tông tính theo phần mềm Autodyn đƣợc thể hiện theo hình 4.44.
Hình 4.44 Phân bố áp suất tại điểm giữa tấm bê tông
b. So sánh giữa thử nghiệm và tính toán
So sánh kết quả thí nghiệm tại Trƣờng Sa (hàm p1(t)) với kết quả tính toán theo phần AUTODYN đƣợc thể hiện theo hình 4.45.
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 0 0.00002 0.00004 0.00006 0.00008 0.0001 Pm ax (KP a) Thoi gian (s) Ap suat theo thoi gian tai diem giua tam
132
Hình 4.45 Kết quả phân bố áp lực tại một điểm theo thí nghiệm và phần mềm AUTODYN
Bảng 4.16. Kết quả và sai số giữa lý thuyết và thực nghiệm hàm sóng p1(t)
Thời gian Số liệu TN (1) Số liệu AUTODYN (3) Sai số 0,00000 3062 3433 12,1 0,00001 2874,4 3219 11,99 0,00002 2686,8 2840 5,7 0,00003 2499,2 2681 7,27 0,00004 2311,6 2774 20,00 0,00005 2124 2830 33,24 0,00006 1750 2497 42,68 0,00007 1300 2091 60,84 0,00008 780 1754 124,87 0,00009 300 1764 488 0,00010 0 1999 không xét
Nhận xét: Phần lớn quãng thời gian tƣơng tác giữa sóng nổ và chƣớng ngại dựa theo kết quả thử nghiệm (1) và theo phần mềm AUTODYN (3) là chấp nhận đƣợc, cụ thể xét đến hết giá trị 0,00007s; 0,00008s thì sai số lần lƣợt là 24,23%; 35,4%. 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 0.00000 0.00002 0.00004 0.00006 0.00008 0.00010 Pm ax (KP a) Thoi gian (s)
Theo TN tai Truong Sa Theo AUTODYN
133
4.3.3. So sánh tổng hợp các phƣơng pháp
Từ các so sánh trong 4.3.1 và 4.3.2, cho phép so sánh tổng hợp hai phƣơng pháp tính toán lý thuyết và thí nghiệm đƣợc thể hiện theo hình 4.46.
Hình 4.46 Phân bố áp suất tại điểm đặt đầu đo của tấm bê tông mô hình theo thí nghiệm và các phƣơng pháp tính khác nhau.
Nhận xét: Trong ba đƣờng phân bố áp suất theo thời gian trên hình 4.46 nhận thấy, kết quả tính toán theo phần mềm Autodyn nằm cách xa so với kết quả thử nghiệm và kết quả tính toán theo lý thuyết và chƣơng trình luận án đề xuất. Điều đó cho phép khẳng định độ tin cậy của phƣơng pháp đề xuất.
4.4. Kết luận
Thí nghiệm nổ trên thực tế đã thu đƣợc các tham số sóng nổ quan trọng trong môi trƣờng nƣớc biển. Sự khác biệt ở môi trƣờng nƣớc ngọt với môi trƣờng nƣớc biển thể hiện ở mật độ, độ mặn, mô đun đàn hồi của nƣớc… đã đƣợc thể hiện qua việc xác định đƣợc tốc độ truyền sóng trong môi trƣờng nƣớc biển. Các thí nghiệm cũng đo đƣợc các tham số sóng nổ dƣới nƣớc: áp
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 0.00000 0.00002 0.00004 0.00006 0.00008 0.00010 Pm ax (KP a) Thoi gian (s)
Theo TN tai Truong Sa Theo UNDEXLOAD Theo AUTODYN
134
suất, tốc độ truyền sóng, thời gian pha nén… Từ bộ số liệu này cho phép chúng ta thiết lập đƣợc công thức thực nghiệm xác định thời gian pha nén của sóng xung kích trong môi trƣờng nƣớc, công thức thực nghiệm xác định tải trọng sóng xung kích trong môi trƣờng nƣớc trong điều kiện của vùng biển thuộc quần đảo Trƣờng Sa.
Qua các thí nghiệm, hƣớng nghiên cứu áp dụng các vật liệu hấp thụ sóng, giảm chấn động và bảo vệ cho các công trình quan trọng cần đƣợc đầu tƣ, nghiên cứu nhiều hơn nữa. Với một lớp vật liệu mỏng chƣa đến 1cm nhƣng hiệu quả hấp thụ sóng lên tới 34,55% giá trị áp lực sóng nổ tác dụng lên chƣớng ngại.
Trong các điều kiện cho phép, việc thực hiện các thí nghiệm nổ kết hợp với các lý thuyết tính toán và phƣơng pháp số sẽ làm cho vấn đề nghiên cứu trở nên tƣờng minh và tăng thêm tính thuyết phục. Trong luận án, sai số giữa phƣơng pháp tính toán đề xuất với kết quả thực nghiệm nằm trong phạm vi chấp nhận đƣợc.
135
KẾT LUẬN
Nghiên cứu sự lan truyền sóng nổ trong môi trƣờng nƣớc đã cho thấy đƣợc bức tranh toàn cảnh về quá trình lan truyền sóng từ khi hình thành bóng khí, co giãn và bóng khí phóng vọt ra môi trƣờng ngoài. Các tham số quá trình lan truyền sóng dƣới nƣớc đƣợc đề cập một cách đầy đủ nhờ từ các công bố có tính kế thừa của các thế hệ nhà khoa học nghiên cứu về nổ trong môi trƣờng nƣớc. Các tham số hầu nhƣ không đƣợc đề cập trong các tài liệu trƣớc đây và hiện đƣợc đề cập trong luận án có thể kể tới nhƣ: bán kính bóng khí cực đại, chu kỳ dao động của bóng khí, độ nổi của bóng khí, tốc độ phóng vọt tạo vòm nƣớc, khối lƣợng nƣớc bị đẩy lên, chiều cao vòm nƣớc…
Đối với quá trình sóng nổ tƣơng tác với chƣớng ngại, công trình, trong các lý thuyết hiện đang sử dụng coi chƣớng ngại, công trình có kích thƣớc vô hạn, các giá trị áp suất áp dụng cũng thƣờng lấy từ các công thức của nổ trong môi trƣờng nƣớc vô hạn và việc không xét đến yếu tố nhiễu xạ sóng xung kích khi sóng nổ tƣơng tác với chƣớng ngại đã dẫn đến sai số của các tính toán này lớn hơn và không phản ánh hết đƣợc bản chất của vấn đề. Dựa trên việc nghiên cứu các lý thuyết đã có, luận án nghiên cứu, ứng dụng lý thuyết tải trọng động của sóng nổ trong môi trƣờng nƣớc có xét đến yếu tố nhiễu xạ sóng đã giải quyết khá đầy đủ bài toán tƣơng tác của sóng nổ trong môi trƣờng nƣớc đối với chƣớng ngại công trình. Từ các chƣớng ngại có kích thƣớc vô hạn, đến các loại chƣớng ngại hữu hạn mang tính phổ biến trong thực tế, các bài toán trong luận án đã giải đƣợc các đáp án cần tìm cho các vấn đề này.
Qua quá trình nghiên cứu các vấn đề khoa học trong luận án thu đƣợc những kết quả mới là:
- Tác giả đã tập trung nghiên cứu lời giải phƣơng trình sóng trong môi trƣờng nƣớc, có xét đến hiện tƣợng phản xạ, nhiễu xạ và tác động với chƣớng ngại. Trên cơ sở đó đã xây dựng đƣợc thuật toán, 02 chƣơng trình
136
UNDEXLOAD (chƣớng ngại tấm phẳng) và UNDEXLOAD-1 (chƣớng ngại dạng đặc biệt) cho phép tính phân bố áp lực sóng nổ lên chƣớng ngại với các hình dạng khác nhau (hình dạng chƣớng ngại có thể coi là tùy ý).
- Đã vận dụng chƣơng trình tính phân bố áp lực lên chƣớng ngại hình cầu, hình trụ dài vô hạn, hình elipxoit. Đặc biệt đã tính phân bố áp lực lên công trình xét đến phản xạ và chảy bao.
- Đề xuất đƣợc giải pháp giảm thiểu tác dụng của tải trọng nổ dƣới nƣớc lên công trình cần bảo vệ bằng cách sử dụng vật liệu có tính chất hấp thụ sóng và giảm chấn.
- Đã tiến hành thử nghiệm nổ tại quần đảo Trƣờng Sa, hiệu chỉnh công thức thực nghiệm tính tham số sóng xung kích phù hợp hơn, tin cậy hơn khi xét đến ảnh hƣởng nền san hô tại Trƣờng Sa.
Từ các kết quả nghiên cứu của luận án có thể rút ra các kết luận:
- Lƣợng nổ gián tiếp dƣới nƣớc có lƣợng nổ đặt xa đáy nên tác dụng cơ học lên đáy ở phạm vi rộng hơn nhƣng sự phá hủy nền đáy tạo phễu nhỏ hơn lƣợng nổ đặt trực tiếp lên đáy và phụ thuộc khá nhiều vào cơ tính của nền đáy;
- Việc xác định hệ số phản xạ của sóng nổ lên các dạng chƣớng ngại cần đƣợc nghiên cứu cẩn thận và phải bằng nhiều thí nghiệm, các lý thuyết cảnh báo sự phức tạp của hệ số này và thông thƣờng đƣợc lấy: Kpx = 2, các thí