TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
Đối tượng và phư ng pháp nghiên cứu Error! Bookmark not defined 1.3 Giới thiệu về module Ansys Autodyn
2.1 Quan hệ giữa trạng thái ứng suất và trạng thái biến dạng
Vật thể đàn hồi khi chịu tác động sẽ trải qua biến dạng và ứng suất Để hiểu rõ mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng, cần xem xét các tính chất vật lý của vật thể.
Trong bài toán không gian với vật liệu đẳng hướng, quan hệ giữa biến dạng và ứng suất được thể hiện bằng định luật Hooke:
Thành phần biến dạng ban đâu:
* + * + là vector biến dạng ban đầu
[C] là ma trận hệ số đàn hồi
Với: E là module đàn hồi của vật liệu, Pa
G là module đàn hồi trượt, Pa v là hệ số Poisson của vật liệu.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Quan hệ giữa trạng thái ứng suất và trạng thái biến dạng
Vật thể đàn hồi khi chịu tác động sẽ trải qua biến dạng và ứng suất Để hiểu rõ mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng, cần xem xét các tính chất vật lý của vật thể.
Trong bài toán không gian với vật liệu đẳng hướng, quan hệ giữa biến dạng và ứng suất được thể hiện bằng định luật Hooke:
Thành phần biến dạng ban đâu:
* + * + là vector biến dạng ban đầu
[C] là ma trận hệ số đàn hồi
Với: E là module đàn hồi của vật liệu, Pa
Module đàn hồi trượt G được xác định bằng thí nghiệm xoắn thanh tròn, trong khi hệ số Poisson v của vật liệu cũng được tính toán Công thức liên hệ giữa G và v cho phép xác định mối quan hệ giữa hai đại lượng này trong nghiên cứu vật liệu.
Bằng cách khác, ta có biểu thức biểu diễn ứng suất biến dạng bằng cách nghịch đảo (2.2)
Trong kỹ thuật, ngoài vật liệu đẳng hướng (isotropic), còn có vật liệu không đẳng hướng (anisotropic) như bê tông cốt thép và các vật liệu composite Tính chất của vật liệu không đẳng hướng tại một điểm sẽ khác nhau tùy theo các phương khác nhau Định luật Hooke tổng quát mô tả mối quan hệ tuyến tính giữa biến dạng và ứng suất.
Trong ma trận, các hệ số đàn hồi C là đối xứng và có 21 hằng số độc lập Các chỉ số
1, 2, 3 được dùng thay thế tư ng ứng các chỉ số x, y, z Đối với vật liệu trực hướng (orthotropic), số hằng số độc lập của ma trận [C] rút xuống còn 9
E1, E2, E3 là module đàn hồi trong các mặt phẳng được xác định tư ng ứng bởi các trục
G12, G23, G31 là các module đàn hồi trượt trong các mặt phẳng 12, 23 và 31 v12, v23, v31 là các hệ số Poisson
Khi vượt qua miền đàn hồi của vật liệu, chúng sẽ đến trạng thái chảy dẻo và phá huỷ, các miền đó được thể hiện ở hình 2.1
Hình 0.46 Đường cong ứng suất - biến dạng của vật liệu
Biến cứng hay tái bền của vật liệu là hiện tượng mà giá trị ứng suất chảy tăng lên khi biến dạng dẻo gia tăng Quy luật này mô tả cách mà vật liệu có ứng xử dẻo phản ứng với sự thay đổi của biến dạng.
Hai loại biến cứng phổ biến là biến cứng đẳng hướng và biến cứng động học Sự phân bố của hai loại biến cứng này phụ thuộc vào thông số β, với β bằng 0 cho biến cứng động học và bằng 1 cho biến cứng đẳng hướng Tốc độ biến dạng được xác định theo mô hình Cowper-Symonds, với công thức cụ thể được miêu tả trong bài viết.
Trong đó: là ứng suất, Pa là ứng suất ban đầu, Pa ̇ là tốc độ biến dạng
C và P là thông số tốc độ biến biến dạng của mô hình Cowper-Symonds là biến dạng dẻo dự đoán là module dẻo, Pa
Với: là module tiếp tuyến, Pa
2.2 Tổng qu n về lý thuyết phần tử hữu hạn (FEM)
Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) là một kỹ thuật số gần đúng dùng để giải quyết các bài toán vi phân đạo hàm riêng trên miền có hình dạng và điều kiện biên phức tạp, khi mà nghiệm chính xác không thể tìm thấy bằng phương pháp giải tích Cốt lõi của FEM là rời rạc hóa miền xác định bằng cách chia nó thành các phần tử nhỏ hơn, liên kết tại các điểm nút chung Trong mỗi phần tử, đại lượng cần tìm được xấp xỉ bằng một hàm đơn giản gọi là hàm xấp xỉ, với các giá trị hàm tại các điểm nút được coi là bậc tự do của phần tử, đây là các ẩn số cần xác định trong bài toán.
2.2.2 Trình tự phân tích b i to n theo FEM
Bước 1: Rời rạc hóa miền khảo sát
Miền khảo sát được chia thành nhiều miền con hay thành các phần tử có dạng hình học thích hợp
Để giải quyết bài toán, cần xác định rõ số lượng, hình dạng và kích thước của các phần tử Số điểm nút của mỗi phần tử không thể được chọn một cách ngẫu nhiên mà phải dựa vào hàm xấp xỉ đã được lựa chọn.
Bảng 0.1 Dạng hình học đơn giản của các phần tử
Phần tử bậc nhất Phần tử bậc hai Phần tử bậc ba
Bước 2: Chọn hàm xấp xỉ thích hợp
Để tìm đại lượng chưa biết, ta thường giả định một dạng xấp xỉ đơn giản cho việc tính toán bằng máy tính, đồng thời đảm bảo các tiêu chuẩn hội tụ Dạng đa thức thường được lựa chọn cho mục đích này.
Rồi biểu diễn hàm xấp xỉ theo tập hợp giá trị và có thể có cả các đạo hàm của nó tại các nút của phần tử * +
Bước 3: Xây dựng phư ng trình phần tử, hay thiết lập ma trận độ cứng phần tử , -và vector tải phần tử * +
Có nhiều cách thiết lập: trực tiếp, hoặc sử dụng nguyên lý biến phân, hoặc các phư ng pháp biến phân…
Kết quả nhận được có thể biểu diễn một cách hình thức như một phư ng trình phần tử:
Bước 4: Ghép nối các phần tử trên cơ sở mô hình tương thức mà kết quả là hệ thống phương trình
K̅ : Ma trận độ cứng tổng thể
{ ̅ : Vector chuyển vị nút tổng thể
Sử dụng điều kiện biên của bài toán, ta nhận được hệ phư ng trình sau:
K*̅̅̅̅ {U*̅̅̅̅ {F*̅̅̅ (0.13) Đây chính là phư ng trình hệ thống
Bước 5: Giải hệ phương trình đại số
Với bài toán tuyến tính việc giải phư ng trình đại số là không khó khăn Kết quả tìm được là các chuyển vị của các nút
Trong bài toán phi tuyến, nghiệm được tìm thấy thông qua một chuỗi các bước lặp Mỗi bước lặp, ma trận cứng K̅ sẽ thay đổi trong trường hợp phi tuyến vật lý, hoặc vector lực nút {F̅ sẽ thay đổi trong trường hợp phi tuyến hình học.
Từ kết quả ở trên, tiếp tục tìm ứng suất, chuyển vị hay biến dạng của tất cả các phần tử
2.3 FEM trong b i to n động lực học ( Explicit Dyn ic)
Phư ng trình động lực học tổng quát trong phân tích phần tử hữu hạn được thể hiện qua biểu thức sau:
M là ma trận khối lượng, C là ma trận giảm chấn, K là ma trận độ cứng, F là vector tải ngoại lực, U là vector chuyển vị
Nổ là hiện tượng vật lý phức tạp, xảy ra trong thời gian ngắn với biến dạng lớn, thuộc bài toán động lực học phi tuyến Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) thường được áp dụng trong các bài toán động lực học (Explicit dynamic), đặc biệt trong các tình huống tương tác và va chạm Phương pháp này đang ngày càng được cải tiến để giải quyết hiệu quả các bài toán tiếp xúc trên phạm vi rộng.
Trong các hiện tượng vật lý, hầu hết đều xảy ra theo dạng phi tuyến, trong đó hai dạng phi tuyến phổ biến là phi tuyến hình học và phi tuyến vật liệu Đặc biệt, trong hiện tượng va chạm, sự phi tuyến của hình học và vật liệu đóng vai trò quan trọng Va chạm đột ngột làm biến đổi hình học từ dạng đơn giản (đường thẳng) thành đường cong phi tuyến, trong khi vật liệu cũng có thể nhanh chóng chuyển từ miền đàn hồi tuyến tính sang miền chảy dẻo và phá hủy Do đó, phương trình (2.15) có thể là tuyến tính hoặc phi tuyến tùy thuộc vào đối tượng bài toán, nhưng trong hiện tượng va chạm, phương trình này thường sẽ chuyển thành dạng phi tuyến.
Ta xét phư ng trình chủ đạo cho phân tích biến dạng nhỏ có dạng sau:
Với: {F} là ngoại lực cân bằng tác động lên điểm nút
[B] là ma trận biến dạng
Nếu quan hệ ứng suất – biến dạng đàn hồi tuyến tính được giả định, phư ng trình (2.16) có thể thu được cho phân tích tuyến tính như sau:
Trong đó: K là ma trận độ cứng kết cấu
Trong tính toán đàn - dẻo, mối quan hệ giữa ứng suất {σ} và biến dạng {ε} có thể phi tuyến, với phương trình chủ đạo (2.16) là phương trình phi tuyến của biến dạng, và do đó, là hàm phi tuyến của chuyển vị nút {U} Các phương pháp lặp thường được sử dụng để giải phương trình (2.16) cho {U} tương ứng với tập hợp ngoại lực đã cho Trong phân tích gia số, tải tổng {R} tác động lên cấu trúc được thêm vào từng bước bởi các gia số, và ở bước thứ (m+1), tải được biểu diễn theo cách cụ thể.
Giả sử lời giải ở bước tải thứ m, ta biết * + * + * +thì ở bước tải (m+1) ta có:
(0.21) Ở đây chữ viết lên trên bên trái đối với các gia số được bỏ qua Phư ng trình (3.16) viết lại như sau:
Trong đó: * + là lực cân bằng của ứng suất tác động lên các điểm nút
Vụ nổ được định nghĩa là sự giải phóng năng lượng đột ngột, nhanh chóng và quy mô lớn, có thể được phân loại thành ba loại chính: vật lý, hạt nhân và hóa học Vụ nổ vật lý xảy ra khi năng lượng được giải phóng từ các nguồn như xi lanh khí nén, phun trào núi lửa hoặc sự trộn lẫn hai chất lỏng ở nhiệt độ khác nhau Trong khi đó, vụ nổ hạt nhân giải phóng năng lượng thông qua sự tái cấu trúc của các hạt nhân nguyên tử, liên quan đến sự phân phối lại proton và neutron Cuối cùng, vụ nổ hóa học chủ yếu dựa vào quá trình oxy hóa nhanh chóng các nguyên tố nhiên liệu như carbon và hydro để tạo ra năng lượng.
Vật liệu nổ được phân loại theo trạng thái vật lý thành chất rắn, chất lỏng và chất khí Chất nổ rắn, chủ yếu là chất nổ cao, là loại phổ biến nhất và có hiệu ứng vụ nổ được biết đến rộng rãi Ngoài ra, chúng còn được phân loại theo độ nhạy cảm với đánh lửa, bao gồm chất nổ thứ cấp và chất nổ chính Chất nổ thứ cấp dễ dàng bị kích nổ bởi tia lửa, ngọn lửa hoặc tác động, trong khi các vật liệu như thủy ngân tối ưu và azide chì được xem là chất nổ chính.
Chất nổ thứ cấp như trinitrotoluene (TNT) và ANFO khi phát nổ tạo ra sóng nổ có thể gây thiệt hại lớn cho môi trường Tiếng nổ từ chất nổ cao đặc tạo ra khí nóng với áp suất lên tới 300 kilo bar và nhiệt độ khoảng 3000-4000°C Kết quả là, một lớp khí nén hình thành, chứa phần lớn năng lượng giải phóng từ vụ nổ Sóng nổ tức thời tạo ra áp suất vượt quá áp suất khí quyển, được gọi là quá áp, trước khi phân rã và mở rộng ra xa nguồn nổ Sau một thời gian ngắn, áp suất phía sau có thể giảm xuống dưới áp suất xung quanh, tạo ra chân không và hút không khí vào, kèm theo những cơn gió mạnh mang theo mảnh vỡ xa nguồn nổ.
Phư ng pháp phần tử hữu hạn Arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE)
Hình 0.49 Giới thiệu về bài toán 1
Trong bài toán 1, luận văn mô phỏng quá trình lan truyền sóng nổ lên kết cấu khu dân cư bằng phần mềm ANSYS AUTODYN Kết quả mô phỏng sẽ được so sánh với nghiên cứu của Tiến sỹ A.V Fedorov Các thuộc tính của không khí và TNT được lấy từ thư viện AUTODYN tiêu chuẩn Phương trình Euler 3D được sử dụng cho các tính toán bổ sung cho phương trình trạng thái khí lý tưởng đối với không khí và phương trình trạng thái JWL cho TNT.
KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
Bài toán 1
Hình 0.49 Giới thiệu về bài toán 1
Bài toán 1 mô phỏng quá trình lan truyền sóng nổ lên kết cấu khu dân cư bằng phần mềm ANSYS AUTODYN, với kết quả so sánh cùng mô phỏng của Tiến sỹ A.V Fedorov Các thuộc tính không khí và TNT được lấy từ thư viện AUTODYN tiêu chuẩn, sử dụng phương trình Euler 3D cho các tính toán bổ sung cho phương trình trạng thái khí lý tưởng với không khí và phương trình trạng thái JWL cho TNT.
- là mật độ khối thuốc nổ
- là mật độ tư ng đối của khối thuốc nổ
- e là năng lượng trên một đ n vị thể tích
- Các thông số của thuốc nổ TNT được thể hiện ở bảng 3.1
Bảng 0.2 Thông số TNT trong phương trình JWL (3.1)
Bảng 0.3 Thông số vật liệu của TNT
Năng lượng trên đ n vị thể tích, e (kJ/m 3 ) 6,0.10 6
Vận tốc nổ, v (m/s) 6,93.10 3 Áp suất nổ, P (kPa) 2,1.10 7
Mô hình được phát triển dựa trên phân tích của Tiến sỹ A.V Fedorov, sử dụng phần mềm Solidworks để thiết kế miền Lagrange cho các tòa nhà, trong khi miền Euler cho TNT và không khí được thiết kế trực tiếp trên phần mềm Ansys Autodyn.
Tại các vị trí T1, T2, T3 trên bề mặt khu dân cư B, A, G, đã lắp đặt đồng hồ để đo áp suất sóng nổ, vận tốc truyền sóng và năng lượng sóng, nhằm so sánh kết quả với nghiên cứu của Tiến sỹ A V Fedorov.
Hình 0.50 Hình dạng hình học mô hình tòa nhà của khu dân cư [1]
Bảng 0.4 Chiều cao của mô hình các tòa nhà
Vị trí A (mm) B(mm) C (mm) D (mm) E (mm) F (mm) G (mm) h 450 400 400 300 400 300 450
Bảng 0.5 Tọa độ vị trí đặt đồng hồ đo
Vị trí z (mm) y (mm) z (mm)
3.1.4 Mô hình phần tử hữu hạn
Luận văn áp dụng phần tử SOLID186 trong chương trình Ansys để mô hình hóa bài toán Mỗi phần tử bao gồm 20 nút, với mỗi nút có 3 bậc tự do Lưới phần tử mô hình cho không khí và TNT được xây dựng với tổng cộng 352944 nút và 336175 phần tử.
Mô hình khu dân cư được chia lưới gồm 17055 nút và 12694 phần tử
Tiêu chuẩn lưới Skewness: min: 1,3057e-10; max: 0,70483 và average 0,20187
Tiêu chuẩn lưới Element quality: min: 0,41689; max: 0,9984 và average 0,88999 Tiêu chuẩn lưới Aspect ratio: min: 1,0448; max: 3,4358 và average 1,3596
Tiêu chuẩn lưới Jacobian ratio: min: 1 ; max: 1,3 và average 1,0769
Hình 0.51 Mô hình phần tử hữu hạn
3.1.5 Qu trình thiết lập b i to n
Bước 1: Tạo CAD 2D khối thuốc nổ bằng Ansys Autodyn
Hình 0.53 Thêm vật liệu và tạo vùng Euler cho bai toán
Hình 0.52 Chọn kiểu mô hình 2D
Hình 0.54 Vị trí thuốc nổ TNT
Hình 0.55 Vị trí điểm kích nổ
Hình 0.56 Giá trị áp suất nổ của khối TNT
Bước 2: Thiết lập mô hình và tính toán
Hình 0.57 Thiết lập mô hình miền Euler và điều kiện trong Explicit Dynamics
Hình 0.58 Thiết lập thời gian nổ là 5ms
Hình 0.59 Thiết lập gia tốc trọng trường
Hình 0.60 Cố định các tòa nhà
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 0.61 Thiết lập vật liệu cho bài toán trong Ansys Autodyn
Hình 0.62 Tạo vùng không khí bao quanh các tòa nhà
Hình 0.63 Thiết lập Boundaries cho bài toán
Hình 0.64 Đưa khối thuốc nổ 2D đã tính toán ở bước 1 vào bài toán
Hình 0.65 Kiểm soát và thiết lập các điều kiện cuối cùng để giải bài toán
Hình 0.66 Xác lập các vị trí điểm khảo sát
Hình 0.67 Nhấn Run để bắt đầu giải bài toán
Kết quả ô phỏng Áp suất sóng nổ theo thời gian
Bảng 0.6 Kết quả áp suất sóng nổ theo thời gian
Kết quả mô phỏng Kết quả của TS Fedorov [1]
E G Đồ thi so sánh kết quả phân tích với kết quả nghiên cứu của Tiến sỹ A.V Fedorov
Hình 0.68 Kết quả áp suất sóng nổ của TS Fedorov tại điểm khảo sát T1
Hình 0.69 Kết quả áp suất sóng nổ của luận văn tại điểm khảo sát T1
Hình 0.70 Kết quả áp suất sóng nổ của TS Fedorov tại điểm khảo sát T3
Hình 0.71 Kết quả áp suất sóng nổ của luận văn tại điểm khảo sát T3
Hình 0.72 Kết quả áp suất sóng nổ của luận văn tại 3 điểm khảo sát
Thông qua việc sử dụng phần mềm Ansys Autodyn để tính toán áp suất sóng nổ, tác giả đã tiến hành so sánh các kết quả thu được với những dữ liệu được công bố trong bài báo khoa học của Tiến sĩ A.V Fedorov.
Kết quả luận văn gần tương đồng với bài báo khoa học, với giá trị áp suất sóng nổ đo được tại ba vị trí khảo sát dao động từ 50 kPa đến 190 kPa.
Kết quả vận tốc lan truyền sóng nổ
Bảng 0.7 Kết quả vận tốc lan truyền sóng nổ
E G Đồ thi kết quả lan truyền vận tốc sóng nổ đo tại 3 vị trí T1, T2, T3
Hình 0.73 Đồ thị so sánh kết quả vận tốc tuyền sóng giữa 3 vị trí khảo sát
Hình 0.74 Đồ thị kết quả vận tốc tuyền sóng vị trí T1
Hình 0.75 Đồ thị kết quả vận tốc tuyền sóng vị trí T2
Hình 0.76 Đồ thị kết quả vận tốc tuyền sóng vị trí T3
Kết quả năng lƣợng khối thuốc nổ theo thời gian
Bảng 0.8 Kết quả năng lượng khối thuốc nổ theo thời gian
E G Đồ thi kết quả năng lƣợng sóng nổ đo tại 3 vị trí T1, T2, T3
Hình 0.77 Đồ thị so sánh kết quả năng lượng sóng nổ giữa 3 vị trí khảo sát
Hình 0.78 Đồ thị kết quả năng lượng sóng nổ vị trí T1
Hình 0.79 Đồ thị kết quả năng lượng sóng nổ vị trí T2
Hình 0.80 Đồ thị kết quả năng lượng sóng nổ vị trí T3
Kết quả áp suất sóng nổ từ bảng 3.5 cho thấy mô phỏng FEM trong luận văn phù hợp với kết quả của TS Ferodov Đồ thị kết quả chỉ ra rằng sóng nổ lan truyền nhanh chóng với áp suất và năng lượng lớn.
Sóng nổ lan truyền trong không khí theo hình cầu, với thời điểm 0.1ms sau vụ nổ, sóng đã lan rộng đến góc của tòa nhà F Khi sóng phản xạ, cường độ sóng xung kích đạt khoảng 3.5 MPa.
Sau 0.2ms, sóng nổ đã lan truyền đến tường của tòa nhà C và góc tòa nhà E Tại thời điểm này, sóng nổ va chạm với tường các tòa nhà E và F, tạo ra hai luồng sóng phản xạ tương tác lẫn nhau.
Vào thời điểm 0.4ms, sóng phản xạ giữa tòa nhà C và tòa nhà F tạo ra một luồng sóng áp suất mạnh mẽ ở khu vực trung tâm Đồng thời, sóng nổ từ tòa nhà C bắt đầu tương tác với tòa nhà E, sau đó lan rộng dần đến các tòa nhà B và D.
Thời điểm 0.7ms, sóng nổ bắt đầu tác động đến tòa nhà B và D Điều này dẫn đến sự gia tăng áp lực nhanh ở điểm khảo sát T1
Tại thời điểm 0.9ms, sóng nổ bắt đầu tác động đến tòa nhà G ở phía dưới, tạo ra 3 luồng sóng bên ngoài và một vùng tâm chấn bên trong do sự kết hợp của sóng phản xạ và sóng nổ.
Vào thời điểm 1.3ms, sóng nổ đã tác động mạnh mẽ đến hầu hết các tòa nhà B, C, D, E, F và G Đặc biệt, tòa nhà G bị ảnh hưởng bởi sóng nổ và phản xạ ngược lại, trong khi tòa nhà E, do khoảng cách hẹp với tòa nhà G, chịu áp lực lớn hơn Sóng nổ tiếp tục tiến gần đến điểm khảo sát T3, dẫn đến sự gia tăng nhanh chóng giá trị áp suất tại vị trí này.
Vào thời điểm 1.7ms, sóng nổ ảnh hưởng mạnh mẽ đến các tòa nhà, với áp suất cao nhất tập trung giữa tòa nhà E và G, nơi đặt điểm đo T2 Sự tương tác của các luồng sóng tạo ra nhiều vùng áp suất lớn và dẫn đến tình trạng áp suất hỗn loạn.
Bài toán 2
Bài toán mô phỏng tác động của sóng nổ lên hai tòa nhà A và B được thực hiện bởi tiến sỹ S.A Valger Trong đó, tòa nhà B được che chắn bởi tòa nhà A Để phân tích ảnh hưởng của sóng nổ đến hai tòa nhà này, tác giả đã sử dụng phần mềm Ansys Autodyn, dựa trên mô hình và điều kiện biên do tiến sỹ Valger thiết lập Kết quả của bài toán sẽ được so sánh với các nghiên cứu khoa học uy tín của tiến sỹ Valger.
Trong bài toán 2, tác giả đã chọn TNT làm vật liệu nổ, với khối lượng thuốc nổ giống như trong bài toán 1 (luận văn trang 19) Miền không khí bao quanh hai tòa nhà A và B sẽ được xem xét trong phân tích này.
Hình 0.81 Hình dạng hình học mô hình bài toán 2
Cả hai tòa nhà được thiết kế theo hình dạng khối lập phương nhằm tối ưu hóa thời gian tính toán Các điểm khảo sát được bố trí trên bề mặt của tòa nhà A và B để đo lường áp suất sóng nổ cũng như 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)
Bảng 0.10 Tọa độ vị trí các điểm khảo sát của bài toán 2
Vị trí x (mm) y (mm) z (mm)
Hình 0.82 Vị trí các điểm khảo sát
3.2.4 Mô hình phần tử hữu hạn
Luận văn áp dụng phần tử SOLID186 trong chương trình Ansys để mô hình hóa bài toán Mỗi phần tử có 20 nút và mỗi nút có 3 bậc tự do Mô hình lưới phần tử cho không khí và TNT bao gồm 92,016 nút và 85,750 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
Tiêu chuẩn lưới Jacobian ratio: min: 1 ; max: 1 và average 1
Hình 0.83 Mô hình phần tử hữu hạn của bài toán 2
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 0.36 Thiết lập mô hình miền Euler và điều kiện trong Explicit Dynamics
Hình 0.37 Thiết lập thời gian nổ là 6ms
Hình 0.38 Thiết lập gia tốc trọng trường
Hình 0.39 Cố định các tòa nhà
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 0.40 Thiết lập vật liệu cho bài toán trong Ansys Autodyn
Hình 0.41 Tạo vùng không khí bao quanh các tòa nhà
Hình 0.42 Thiết lập Boundaries cho bài toán
Hình 0.43 Đưa khối thuốc nổ 2D đã tính toán ở bước 1 vào bài toán
Hình 0.44 Kiểm soát và thiết lập các điều kiện cuối cùng để giải 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 Áp suất sóng nổ theo thời gian
Bảng 0.11 Kết quả áp suất sóng nổ theo thời gian
Kết quả mô phỏng Kết quả của TS Valger [1]
1.8 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
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
Hình 0.51 Kết quả áp suất sóng nổ của luận văn tại 13 điểm khảo sát
Kết quả vận tốc lan truyền sóng nổ
Bảng 0.12 Kết quả vận tốc lan truyền sóng nổ
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
Kết quả năng lƣợng khối thuốc nổ theo thời gian
Bảng 0.13 Kết quả năng lượng khối thuốc nổ theo thời gian
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
IN TE N ERG Y, J /kg t, ms
Kết quả phân tích cho thấy sóng nổ lan truyền theo hình cầu, và sau 0.1ms, sóng nổ đã va chạm vào tòa nhà A, tạo ra sóng phản xạ ban đầu.
Tại thời điểm 0.2ms, sóng phản xạ h n rõ ràng xuất hiện với áp suất lớn, tác động ngược lại và 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
Vào thời điểm 1.4ms, sóng nổ bắt đầu tác động mạnh đến tòa nhà B, khiến giá trị áp suất tại các điểm khảo sát tăng mạnh Điều này cho thấy áp suất sóng nổ tại tòa nhà B giảm đáng kể so với tòa nhà A, nhờ vào 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 nghiên cứu cho thấy sóng nổ lan truyền nhanh chóng trong không gian và mang theo năng lượng lớn, có khả năng phá hủy một tòa nhà chỉ trong chớp mắt Phạm vi ảnh hưởng của vụ nổ còn mở rộng đến các khu vực lân cận Do đó, việc sử dụng bức tường chắn nổ là một phương pháp hiệu quả để ứng phó với các vụ nổ trong thực tế.
Nghiên cứu ứng dụng phần mềm trong mô phỏng lan truyền sóng nổ đối với mô hình 3 chiều khu đô thị đơn giản
Thực nghiệm được thực hiện trên bốn khối bê tông hình khối với kích thước mỗi cạnh là 2,3m, được đặt cách nhau 2,3m Nghiên cứu tập trung vào trường hợp có 0,4kg thuốc nổ PETN được đặt cách mặt đất 0,2m và nằm giữa hai khối bê tông.
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 biểu diễn bằng các phần tử hình hộp chữ nhật 3D, với kích thước mỗi phần tử là 23x23x48 mm³ Kích thước của các hình hộp này thay đổi tùy thuộc vào cách thức lan truyền của vụ nổ, dẫn đến tổng cộng 8.10^6 phần tử cho toàn bộ miền khảo sát Euler.
Hình 3.57 Mô hình phần tử hữu hạn
Quá trình ánh xạ từ miền tính toán 2D đối xứng trục sử dụng lời giải đa vật liệu Euler (Multi-Material Euler) được thực hiện sang miền 3D thông qua lời giải Euler-FCT, với điều kiện khí lý tưởng.
Thuốc nổ được mô hình hóa theo phương trình trạng thái JWL, cùng với công thức chuyển đổi tự động sang phương trình trạng thái khí lý tưởng Các thông số liên quan được thống kê trong bảng dưới đây.
Không khí Thuốc nổ PETN 1.77
P 0 101,3 (kPa) Mật độ năng lượng C-J 1,01.10 7 (kJ/m 3 ) Áp suất C-J 3,35.10 7 (kPa)
Hình 3.58 Các thông số vật liệu nổ và không khí
3.3.4 Điều kiện biên a Đối với vật thể
Tất cả các bề mặt của vật thể cần được gia cố cứng để tối ưu hóa áp suất tối đa của sóng phản xạ theo lý thuyết Đối với miền Eulerian, điều này rất quan trọng để đạt được kết quả chính xác trong phân tích.
Mặt dưới của mô hình được gọi là mặt nền, có tính chất cứng tuyệt đối và không cho phép dòng lưu chất đi qua Với tính chất đối xứng của bài toán, mô hình được thiết kế với một mặt đối xứng, trong khi các mặt còn lại của miền khảo sát được coi là mặt thoáng để lưu chất có thể thoát ra ngoài.
3.3.5 Thiết lập thông số mô phỏng
Do kích thước hình học lớn, thời gian khảo sát tác động của sóng nổ kéo dài đến 50 ms Đồng thời, cần thiết lập các tương tác giữa miền lưu chất và miền kết cấu trong suốt quá trình mô phỏng.