Trong bài toán 2 này, tác giải chọn vật liệu nổ là TNT, khối lượng thuốc nổ tư ng tự bài toán 1 (luận văn trang 19), miền không khí bao quanh 2 tòa nhà A và B.
3.2.3. Mô hình hình học
Hình 0.81. Hình dạng hình học mô hình bài toán 2
Cả hai tòa nhà đều được mô hình dạng khối lập phư ng để tiết kiệm thời gian tính toán. Các điểm khảo sát được đặt trên bề mặt tòa nhà A và B để đo áp suất sóng nổ và tốc độ lan truyền của sóng nổ trong không gian.
Bảng 0.9. Kích thước mô hình trong bài toán 2
Vị trí z (mm) y (mm) z (mm)
Tòa nhà A 460 340 340
Tòa nhà B 550 740 550
Vùng Euler 1400 1400 2800
Bảng 0.10. Tọa độ vị trí các điểm khảo sát của bài toán 2
Vị trí x (mm) y (mm) z (mm) T1 0 0 0 T2 0 100 0 T3 0 200 0 T4 0 300 0 T5 0 400 0 T6 0 500 0 T7 0 600 0 T8 0 700 0 T9 -640 0 0 T10 -640 100 0 T11 -640 200 0 T12 -640 300 0 T13 -640 400 0
Hình 0.82. Vị trí các điểm khảo sát
3.2.4. Mô hình phần tử hữu hạn
Luận văn sử dụng phần tử SOLID186 của chư ng trình Ansys để mô hình bài toán. Mỗi phần tử gồm 20 nút, mỗi nút có 3 bậc tự do. Lưới phần tử mô hình cho không khí và TNT được sử dụng gồm 92016 nút với 85750 phần tử.
Mô hình tòa nhà A và B được chia lưới gồm 13525 nút và 11500 phần tử.
Tiêu chuẩn lưới Skewness: min: 1,3057e-10; max: 1,3061e-10 và average 1,3058e-10 Tiêu chuẩn lưới Element quality: min: 0,99995; max: 0,99999và average 0,99996 Tiêu chuẩn lưới Aspect ratio: min: 1,0031; max: 1,0091 và average 1,0072
3.2.5. Qu trình thiết lập b i to n
Bài toán 2 sử dụng khối thuốc nổ tư ng tự như bài toán 1 nên tác giả đả lược bỏ bước thiết lập mô hình khối thuốc nổ.
Bước 2: Thiết lập mô hình và tính toán
Hình 0.37. Thiết lập thời gian nổ là 6ms
Hình 0.38. Thiết lập gia tốc trọng trường
Sau khi thiết lập điều kiện trong Ansys Explicit Dynamics, tác giả tiếp tục thiết lập vật liệu, phạm vi nổ,... và giải trong Ansys Autodyn.
Hình 0.42. Thiết lập Boundaries cho bài toán
Hình 0.45. Xác lập các vị trí điểm khảo sát
Hình 0.46. Nhấn Run để bắt đầu giải bài toán
3.2.6. Kết quả tính to n
Bảng 0.11. Kết quả áp suất sóng nổ theo thời gian
Time (ms)
Kết quả mô phỏng Kết quả của TS. Valger [1]
0.1
0.2
0.3
1
1.4
Đồ thi so sánh kết quả phân tích với kết quả nghiên cứu của Tiến sỹ S.A. Valger
Hình 0.47. Đồ thị kết quả áp suất sóng nổ tại T1~T8 của Tiến sỹ Valger
Hình 0.48. Đồ thị kết quả áp suất sóng nổ tại T1~T8 của luận văn
0 100 200 300 P, k Pa t, ms Pressure T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8
Hình 0.49. Đồ thị kết quả áp suất sóng nổ tại T9~T13 của Tiến sỹ Valger
Hình 0.50. Đồ thị kết quả áp suất sóng nổ tại T9~T13 của luận văn
0 500 1000 1500 2000 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 P, kP a t, ms Pressure T9 T10 T11 T12 T13
Hình 0.51. Kết quả áp suất sóng nổ của luận văn tại 13 điểm khảo sát 0.00 500.00 1000.00 1500.00 2000.00 2500.00 3000.00 00 01 02 03 04 P, k Pa t, ms Pressure T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 T11 T12 T13
Kết quả vận tốc lan truyền sóng nổ
Bảng 0.12. Kết quả vận tốc lan truyền sóng nổ
0.1 (ms) 0.2 (ms) 0.3 (ms) 0.5 (ms) 1 (ms) 1.4 (ms) 1.8 (ms) 2.5 (ms)
Đồ thi kết quả lan truyền vận tốc sóng nổ đo tại vị trí T1~T13
Hình 0.52. Kết quả vận tốc lan truyền sóng nổ tại T1~T8 của luận văn
Hình 0.53. Kết quả vận tốc lan truyền sóng nổ tại T9~T13 của luận văn
0 20 40 60 80 100 120 140 160 v, m/s t, ms Velocity T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 v, m/s t, ms Velocity T9 T10 T11 T12 T13
Kết quả năng lƣợng khối thuốc nổ theo thời gian
Bảng 0.13. Kết quả năng lượng khối thuốc nổ theo thời gian
0.1 (ms) 0.2 (ms) 0.3 (ms) 0.5 (ms) 1 (ms) 1.4 (ms) 1.8 (ms) 2.5 (ms)
Đồ thi kết quả năng lƣợng sóng nổ đo tại vị trí T1~T13
Hình 0.54. Kết quả năng lượng sóng nổ vị trí T1~T8 của luận văn
Hình 0.55. Kết quả năng lượng sóng nổ vị trí T9~T13 của luận văn
150000 170000 190000 210000 230000 250000 270000 290000 IN T.E N ERG Y, J/kg t, ms INT.ENERGY T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 0 200000 400000 600000 800000 1000000 1200000 1400000 1600000 IN TE N ERG Y, J /kg t, ms INT.ENERGY T9 T10 T11 T12 T13
3.2.7. Nhận xét
Kết quả phân tích cho thấy sóng nổ lan truyền trong không gian theo dạng hình cầu, tại thời điểm 0.1ms sóng nổ bắt đầu va chạm vào tòa nhà A, ban đầu hình thành sóng phản xạ.
Thời điểm 0.2ms có thể thấy rõ h n cung sóng phản xạ này, nó mang áp suất lớn và tác động về hướng ngược lại tạo ra xung cộng hưởng lan truyền nhanh về phía điểm phát nổ.
Thời điểm 0.3ms đến 0.5ms, sóng nổ và phản xạ tạo ra 2 vùng nổ đan xen nhau. Sóng nổ tác động gần hết toàn bộ tòa nhà A.
Th i điểm 1ms, sóng nổ bắt đầu ảnh hưởng mạnh đến khu vực bên ngoài, dần vượt qua tòa nhà che chắn A tiến đến tòa 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 tại các điểm khảo sát trên tòa nhà B giảm đáng kể so với tòa nhà A, do hiệu ứng chắn nổ.
Thời điểm 1.8ms, sóng nổ bắt đầu lan rộng ra toàn thể khu vực phân tích, năng lượng nổ đã giảm đáng kể.
Kết quả cho thấy sóng nổ lan truyền cực nhanh trong không gian, mang theo mức năng lượng lớn. Chỉ trong tích tắc mà một vụ nổ có thể phá hủy cả một tòa nhà, và phạm vị ảnh hưởng còn lan rộng đến các khu vực lân cận. Một bức tường chắn nổ là phư ng pháp khá hữu hiệu để đối phó với các vụ nổ trong thực tế.
3.3. Bài toán 3
Nghiên cứu ứng dụng phần mềm trong mô phỏng lan truyền sóng nổ đối với mô hình 3 chiều khu đô thị đơn giản
3.3.1. Đặt vấn đề
Phạm vi thực nghiệm trên bốn khối cubic bê tông với kích thước mỗi cạnh là 2,3m và đặt cách nhau 2,3m. Khảo sát trường hợp có 0,4kg thuốc nổ PETN cách mặt đất 0,2m và ở giữa 2 khối bê tông như hình sau, theo [10].
Hình 3.56. Kích thước hình học của bài toán
3.3.2. Mô hình phần tử hữu hạn
Trong mô hình số, miền vật lý được thể hiện bằng các phần tử hình hộp chữ nhật 3D. Kích thước của các hình hộp chữ nhật thay đổi dựa trên cách thức lan truyền của vụ nổ. Ở đây, mỗi phần tử đều có kích thước (23x23x48) mm3, tư ng ứng 8.106
Hình 3.57. Mô hình phần tử hữu hạn
Một quá trình ánh xạ được thực hiện từ miền tính toán 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. Mô hình vật liệu
Thuốc nổ được mô hình hóa dưới dạng phư ng trình trạng thái JWL cùng với công thức chuyển đổi tự động sang phư ng trình trạng thái khí lý tưởng. Các thông số được thống kê như bảng sau:
Không khí Thuốc nổ PETN 1.77
1,226 (g/cm3) 1,77 (g/cm3) 1,4 Vận tốc C-J 8300 (m/s) P0 101,3 (kPa) Mật độ năng lượng C-J 1,01.107 (kJ/m3)
Áp suất C-J 3,35.107 (kPa)
Hình 3.58. Các thông số vật liệu nổ và không khí
0
0
3.3.4. Điều kiện biên
a. Đối với vật thể
Tất cả các mặt của vật thể được áp đặt tuyệt đối cứng để đạt áp suất cực đại của sóng phản xạ theo lý tưởng.
b. Đối với miền Eulerian
Bề mặt phía dưới được gọi là mặt nền với tính chất tuyệt đối cứng và không cho dòng lưu chất đi qua. Do bài toán có tính chất đối xứng nên mô hình được xây dựng với một mặt đối xứng. Các mặt còn lại của miền khảo sát được xem như là mặt thoáng để lưu chất có thể đi ra ngoài.
3.3.5. Thiết lập thông số mô phỏng
Do kích thước hình học lớn nên thời gian khảo sát quá trình tác động của sóng nổ kéo dài đến 50 ms. Đồng thời, thiết lập các tư ng tác rắn lỏng giữa miền lưu chất và miền kết cấu trong suốt quá trình mô phỏng.
3.3.6. Kết quả mô phỏng
Vụ nổ xảy ra tạo nên sóng xung kích (1) lan tỏa 3 chiều theo dạng hình cầu. Trong trường hợp này, vị trí phát nổ được đặt ở giữa hai khối lập phư ng (A) và (C), do vậy sóng xung kích (1) được phân thành 3 nhóm:
- Nhóm 1: sóng xung kích truyền áp suất ra ngoài miền khảo sát.
- Nhóm 2: sóng xung kích tiếp tục di chuyển về phía hai khối lập phư ng (B) và (D).
- Nhóm 3: sóng xung kích tác động áp lực vào khối (A), (C) tạo nên 2 sóng phản xạ (3) cùng độ lớn nhưng ngược chiều và hướng vào tâm nổ.
Sau khi hai sóng phản xạ (3) tư ng tác, hình thành nên sóng tới (4) theo sau sóng xung kích (1) hướng về khối (B) và (D).
Sóng xung kích (1) gồm nhiều miền áp suất khác nhau, do đó, hai sóng xung kích (1) ở miền áp suất thấp h n tiếp tục va chạm vào khối (A), (C) gây ra hai sóng phản xạ (5). Hai sóng phản xạ này có đặc điểm như sóng phản xạ (3) nhưng có giá trị
Quá trình sẽ tiếp tục cho đến khi năng lượng nổ của nguồn nổ yếu dần đi và không đủ để tạo thành sóng nổ.
Ngoài ra, khi sóng nổ di chuyển đến khối (B), (D), một phần năng lượng sóng nổ bị cản lại và tiếp tục hình thành nên sóng phản xạ (6). Lúc đó, sẽ xảy ra hiện tượng giao thoa giữa các sóng nổ. Hiện tượng này dẫn đến hai trường hợp: thứ nhất là làm giảm cường độ áp suất của sóng nổ đối với 2 sóng ngược chiều và thứ hai là làm tăng cường độ áp suất của sóng nổ đối với 2 sóng cùng chiều.
Với nhiều sóng phản xạ ở các miền giá trị áp suất khác nhau, sự tác động lên kết cấu cũng có nhiều giá trị cực đại như được thể hiện trên đồ thị 3.49.
(a) t = 1 ms (b) t = 3 ms
(e) t = 9 ms (f) t = 11 ms
Hình 3.59. Trường áp suất của bài toán tại từng thời điểm ở giai đoạn ban đầu
Trong quá trình lan truyền, các sóng phản xạ tư ng tác với nhau tạo thành nhiều sóng thứ cấp với cường độ thấp gây nên nhiều đỉnh sóng cực đại cục bộ được biểu diễn trên 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 sự tư ng quan giữa các đỉnh áp suất cực đại và quá trình lan truyền sóng như được phân tích ở trên. Đỉnh áp suất đầu tiên thể hiện cường độ tác động của sóng tới (1) lên kết cấu đạt khoảng 152 kPa (chênh lệch 51 kPa so với
áp suất ban đầu). Theo sau miền áp suất cực đại của sóng tới (1) là các miền áp suất thấp dần.
Tiếp đến, sóng tới (4) di chuyển đến vật thể với áp suất cực đại khoảng 124 kPa. Và cứ như vậy, các 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 của các đỉnh biên độ cực đại cũng khác nhau. Điều này, phụ thuộc vào cường độ áp suất của sóng nổ. Khi cường độ áp suất của sóng nổ yếu đi dẫn đến vận tốc lan tuyền của sóng cũng yếu đi nên các sóng nổ thứ cấp tiếp theo di chuyển đến vật thể mất nhiều thời gian h n.
Một khía cạnh khác, độ dốc của từng đỉnh sóng. Như đã đề cập ở trên, theo sau miền áp suất cực đại sẽ có các dải miền áp suất thấp h n giảm dần. Do vậy, miền áp suất cực đại của sóng thấp dẫn đến dải miền áp suất sau đó cũng thấp dần, đồng thời vận tốc lan truyền chậm h n nên độ dốc của các đỉnh sóng sẽ thoải dần.
CHƢƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 4.1. Kết luận
Luận văn mô phỏng ứng xử của tải nổ tác động đến công trình dân dụng đã dựa trên c sở kết quả mô phỏng đã phân tích được cấu trúc sóng phức tạp, tầm ảnh hưởng tại vùng nổ và các khu vực ảnh hưởng. Luận văn còn cho thấy việc sử dụng công cụ ANSYS AUTODYN có thể cung cấp một cách tiếp cận hiệu quả để xác định tải trọng nổ trong môi trường đô thị.
Tải trọng nổ và các thành phần được xác định bởi mô hình nổ trong phư ng pháp phần tử hữu hạn. Một số tính chất vật lý của quá trình nổ với năng lượng cao bao gồm lan truyền sóng xung kích được trình bày ở Chư ng 2. Bên cạnh đó, một cuộc khảo sát toàn diện về mô hình nổ trong phần mềm AUTODYN cũng được thể hiện ở Chư ng 3.
Sử dụng mô hình khối thuốc nổ (dạng hình cầu) và sự tư ng tác rắn lỏng với vật thể để phân tích trong phần mềm. Các kết quả tính toán trong phần mềm được so sánh với kết quả thực nghiệm trong các bài báo.
Khi hai sóng tới tư ng tác theo chiều ngược nhau thì sẽ hình thành nên sóng thứ cấp. Và sóng thứ cấp này là nguyên nhân gây ra các đỉnh áp suất cực đại sau khi chịu áp lực cực đại ban đầu.
Trong khu vực gần bề mặt vật thể, sự tăng áp suất đạt cực đại được xem là tức thời dẫn đến không liên tục. Nhưng điều này chỉ xảy ra ở đỉnh áp suất đầu tiên.
Các đỉnh biên độ áp suất, độ dốc và khoảng cách các đỉnh sẽ khác nhau phụ thuộc vào cường độ áp suất tại thời điểm đó.
Quá trình phân tích 2 bài toán nghiên cứu về hiện tượng nổ cho kết quả mô phỏng của luận văn khá phù hợp với kết quả của bài báo khoa học uy tín, và thực nghiệm.
4.2. Kết quả đạt đƣợc
Luận văn nghiên cứu và xuất được kết quả để dự đoán, mô phỏng những ứng xử của tải trọng nổ trong không gian.
Xuất được kết quả năng lượng khối thuốc nổ theo thời gian.
Xuất được kết quả tốc độ lan truyền sóng nổ trong không gian.
Phân tích được kết quả áp suất sóng nổ, so sánh kết quả với bài báo khoa học.
Phân tích sự ảnh hưởng sóng nổ, dự đoán được vùng ảnh hưởng và hướng di chuyển của của sóng nổ và khả năng tư ng tác của các sóng nổ và sóng phản xạ với nhau.
Ứng dụng của phư ng pháp phần tử hữu hạn vào phân tích bài toán phi tuyến.
4.3. Hạn chế v hƣớng ph t triển
Những hạn chế của luận văn:
Một số kết quả vẫn còn sai số so với kết quả mô phỏng, thí nghiệm.
Chưa xác định được mức độ phá hủy của vật liệu chịu ảnh hưởng bởi tải nổ.
Hướng phát triển:
- Xét mô hình thực tế và giải thuật.
- Nghiên cứu các phư ng pháp khắc phục và giảm thiểu tối đa ảnh hưởng do sóng nổ gây ra cho các khu dân cư.
- Nghiên cứu các loại vật liệu mới chống nổ.
- Ứng dụng tải nổ vào các ngành công nghiệp, quân sự cũng như 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