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

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Phương pháp phần tử hữu hạn

2.1.1 Giới thiệu chung về phương pháp phần tử hữu hạn

Ngày nay, sự tiến bộ trong khoa học và kỹ thuật yêu cầu kỹ sư thực hiện các dự án phức tạp, đắt đỏ và cần độ chính xác cao Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) là một công cụ mạnh mẽ và linh hoạt cho việc giải quyết nhiều loại bài toán kỹ thuật Phương pháp này được áp dụng từ phân tích trạng thái ứng suất và biến dạng trong các kết cấu cơ khí, ô tô, máy bay, tàu thủy, đến các vấn đề trong lý thuyết trường như truyền nhiệt, cơ học chất lỏng, thuỷ đàn hồi, khí đàn hồi và điện-từ trường.

Với sự phát triển của công nghệ máy tính và phần mềm CAD, việc thiết kế và tính toán các kết cấu phức tạp trở nên dễ dàng hơn Hiện nay, nhiều phần mềm PTHH nổi tiếng như ANSYS, ABAQUS và SAP được sử dụng rộng rãi Để khai thác hiệu quả các phần mềm này hoặc tự xây dựng chương trình tính toán PTHH, kỹ sư cần nắm vững lý thuyết cơ sở, kỹ thuật mô hình hóa và các bước tính toán cơ bản của phương pháp.

Hình 2.1 Chương trình ANSYS[nguồn: internet]

Hình 2.2 Chương trình ABAQUS[nguồn: internet]

Hình 2.3 Chương trình SAP 2000[nguồn: internet]

Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) ra đời nhằm giải quyết các bài toán phức tạp liên quan đến lý thuyết đàn hồi và phân tích kết cấu trong kỹ thuật Phương pháp này được phát triển lần đầu bởi Alexander Hrennikoff vào năm 1941 và Richard.

Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) chính thức phát triển vào nửa sau những năm 1950, chủ yếu trong phân tích kết cấu khung máy bay và công trình xây dựng, với nhiều kết quả đáng chú ý từ Viện đại học California-Berkeley Năm 1973, FEM được củng cố bằng nền tảng toán học vững chắc thông qua việc xuất bản một cuốn sách quan trọng.

Phân tích Phương pháp Phần hữu hạn (FEM) đã biến nó thành một lĩnh vực quan trọng trong toán ứng dụng, cung cấp mô hình số cho các hệ thống tự nhiên FEM được áp dụng rộng rãi trong kỹ thuật, đặc biệt trong các lĩnh vực như điện từ học và động lực học chất lỏng.

Phương pháp phần tử hữu hạn là một kỹ thuật số gần đúng, dùng để giải các bài toán vi phân đạo hàm riêng trên các miền có hình dạng và điều kiện biên phức tạp, khi mà nghiệm chính xác không thể đạt được qua phương pháp giải tích Phương pháp này dựa trên việc rời rạc hóa miền xác định bằng cách chia nó thành các phần tử nhỏ hơn, liên kết với nhau tại các điểm nút chung Trong mỗi phần tử, đại lượng cần tìm được biểu diễn dưới dạng một hàm xấp xỉ đơn giản, gọi là hàm xấp xỉ, mà giá trị của nó phụ thuộc vào các điểm nút trên phần tử Các giá trị này, được gọi là bậc tự do của phần tử, là các ẩn số cần tìm trong bài toán.

Hình 2.4 Một vật thể được chia lưới phần tử hữu hạn

Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) có khả năng giải quyết nhiều bài toán phi tuyến mà các phương pháp giải tích không thể thực hiện Để đảm bảo độ tin cậy của kết quả, cần nghiên cứu mô hình phi tuyến hình học khi kết cấu bị tác động bởi tải nổ Việc tính toán sẽ đạt hiệu quả cao khi áp dụng phương trình động lực học phù hợp cho các bài toán liên quan đến tải trọng nổ Do đó, việc xác lập mô hình phi tuyến thích hợp là cần thiết để phân tích tác động của tải trọng nổ lên kết cấu.

2.1.2 Định nghĩa hình học các phần tử hữu hạn

Nút hình học là tập hợp n điểm nút trong miền V, dùng để xác định hình dạng của các phần tử Miền V được chia theo các nút, và thay thế bằng một tập hợp các phần tử v e có hình dạng đơn giản hơn Mỗi phần tử v e cần được chọn sao cho nó được xác định duy nhất bởi các tọa độ nút hình học, tức là các tọa độ này phải nằm trong v e hoặc trên biên của nó.

2.1.2.2 Quy tắc chia miền thành các phần tử

Việc chia miền V thành các phần tử v e phải thoả mãn hai qui tắc sau

Hai phần tử khác nhau chỉ có thể chia sẻ những điểm chung nằm trên biên của chúng, điều này ngăn chặn khả năng giao nhau giữa hai phần tử Biên giới giữa các phần tử có thể được xác định bằng các điểm, đường hoặc mặt.

 Tập hợp tất cả các phần tử v e phải tạo thành một miền càng gần với miền

V cho trước càng tốt Tránh không được tạo lỗ hổng giữa các phần tử

2.1.2.3 Các dạng phần tử hữu hạn

Có nhiều loại phần tử hữu hạn, bao gồm phần tử một chiều, hai chiều và ba chiều Mỗi loại phần tử này có thể khảo sát đại lượng biến thiên ở các bậc khác nhau, như bậc nhất, bậc hai hoặc bậc ba Dưới đây là một số dạng phần tử hữu hạn phổ biến.

Hình 2.6 Các dạng biên chung giữa các phần tử

Hình 2.7 Phần tử một chiều

Hình 2.8 Phần tử hai chiều

Hình 2.9 Phần tử ba chiều

2.1.3 Lực, chuyển vị, biến dạng và ứng suất

Có thể chia lực tác dụng ra ba loại và ta biểu diễn chúng dưới dạng vector cột:

Chuyển vị của một điểm thuộc vật được ký hiệu bởi:

Các thành phần của tensor biến dạng được ký hiệu bởi ma trận cột:

Các thành phần của tensorứng suất được ký hiệu bởi ma trận cột:

Mối quan hệ giữa ứng suất với biến dạng cho vật liệu đàn hồi tuyến tính và đẳng hướng :

Trong đó E là module đàn hồi,  là hệ số Poisson của vật liệu

2.1.4 Sơ đồ tính toán bằng phần tử hữu hạn

Khi phân tích bài toán theo phương pháp PTHH được thực hiện theo các bước như sau:

Bước 1: rời rạc hoá miền khảo sát

Trong bước này, miền khảo sát V được chia thành các miền con Ve hay thành các phần tử có dạng hình học thích hợp

Bước 2: Chọn hàm xấp xỉ thích hợp

Để xác định đại lượng chưa biết, chúng ta cần giả thiết một dạng xấp xỉ đơn giản cho việc tính toán bằng máy tính, đồng thời đảm bảo các tiêu chuẩn hội tụ Thông thường, dạng đa thức được lựa chọn cho mục đích này.

Rồi biểu diễn hàm xấp xỉ theo tập hợp các giá trị và các đạo hàm của nó tại các nút của phần tử

Bước 3: Xây dựng phương trình phần tử, hay thiết lập ma trận độ cứng phần tử

K e và vector tải phần tử P e

Có nhiều cách thiết lập: trực tiếp, hoặc sử dụng nguyên lý biến phân, hoặc các phương pháp biến phân

Kết quả nhận được có thể biểu diễn một cách hình thức như một phương trình phần tử: e e  e

Bước 4: Ghép nối các phần tử trên cơ sở mô hình tương thức mà kết quả là hệ thống phương trình

Trong đó, có thể gọi:

K : ma trận độ cứng tổng thể u : vector tập hợp các giá trị đại lượng cần tìm tại các nút (còn gọi là vector chuyển vị nút tổng thể)

P : vector các số hạng tự do tổng thể (hay vector tải tổng thể)

Rồi sử dụng điều kiện biên của bài toán, mà kết quả là nhận được hệ phương trình sau:

K u P (2.11) Đây chính là phương trình hệ thống hay còn gọi là hệ phương trình để giải

Bước 5: Giải hệ phương trình đại số (2.11)

Với bài toán tuyến tính việc giải hệ phương trình đại số là không khó khăn Kết quả là tìm được chuyển vị các nút

Trong bài toán phi tuyến, nghiệm được tìm thấy thông qua một chuỗi các bước lặp, trong đó ma trận cứng K sẽ thay đổi trong bài toán phi tuyến vật liệu, hoặc vector lực nút P sẽ thay đổi trong bài toán 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

Sơ đồ tính toán với các khối trên được biểu diễn như hình 2.10

Hình 2.10 Sơ đồ khối của chương trình PTHH

Các thuật toán giải bài toán động lực học trong PPTHH

Phương trình chủ đạo (k :ma trận cứng ; fex : ngoại lực) :

Thuật toán có các đặc điểm

 Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để giải quyết bài toán, kết quả nhận được là chuyển vị

 Có thể tính toán được gia tốc nhưng chỉ là các giá trị trung bình

 Bài toán luôn ổn định, đối với các đáp ứng quá độ thì vẫn cần sử dụng bước thời gian nhỏ

 Có thể giải các bài toán tĩnh với vật liệu phi tuyến

 Có thể giải những bài toán phi tuyến (động) nhưng vật liệu phải là vật liệu tuyến tính

 Sử dụng tốt cho các bài toán tĩnh (static) và tựa tĩnh (quasi-static)

Phương trình chủ đạo (fin: nội lực):

[M]{ẍ} = {f ex } − [k]{x} = {f ex } − {f in } (2.13) Thuật toán có các đặc điểm :

 Sử dụng phương pháp sai phân trung tâm để giải quyết bài toán

 Kết quả của bài toán là gia tốc (hay ứng suất), từ gia tốc ta sẽ tính được vận tốc và chuyển vị

 Bước thời gian phải chọn một cách hợp lý để duy trì sự ổn định của bài toán, hay nói cách khác là làm cho lời giải hội tụ

 Bước thời gian phải nhỏ hơn giá trị tới hạn : ∆t ≤ ∆t cri = 2 ω

 Có thể giải những bài toán phi tuyến cho vật liệu phi tuyến

 Sử dụng tốt cho các bài toán động (dynamic).

Tích phân theo thời gian dạng tường minh

Phương trình động lực học của kết cấu có thể được xác định như sau: int ext

Trong bài viết này, các ký hiệu q(t), q̇(t) và q̈(t) đại diện cho vector chuyển vị, vận tốc và gia tốc Các ma trận M, K và C lần lượt là ma trận khối lượng, độ cứng và giảm chấn Vector nội lực f_int và vector ngoại lực f_ext được đề cập, trong đó nội lực phụ thuộc vào tính phi tuyến của vật liệu và hình học Do đó, vector nội lực cần được cập nhật liên tục sau mỗi bước thời gian trong quá trình giải theo phương trình chuyển động của hệ kết cấu.

Phương pháp tường minh chỉ đảm bảo tính ổn định khi giá trị bước thời gian nhỏ hơn giá trị tiêu chuẩn, mà giá trị này lại phụ thuộc vào kích thước nhỏ nhất của phần tử trong mô hình phần tử hữu hạn.

Phương pháp phần tử hữu hạn Arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE)

Trong nghiên cứu về mô phỏng bài toán nổ, có hai phương pháp chính được sử dụng là Arbitrary Lagrange Euler (ALE) và Smooth Particle Hydrodynamics (SPH) Mặc dù một số tài liệu cho thấy hai phương pháp này cho kết quả tương đương, nhưng SPH lại phụ thuộc vào kích thước hạt lớn để có thể mô phỏng chính xác miền lưu chất Do đó, trong luận văn này, phương pháp ALE được lựa chọn để mô phỏng bài toán nổ trên cấu trúc giàn khoan.

Phương pháp ALE là một phương pháp kết hợp từ hai phương pháp cơ bản là phương pháp Lagrangian và phương pháp Eulerian

Phương pháp Lagrangian chỉ thích hợp cho việc mô phỏng biến dạng của kết cấu, với lưới di chuyển trong không gian được định nghĩa theo mô hình vật liệu của kết cấu Khi vật liệu bị méo, lưới Lagrangian cũng bị ảnh hưởng, dẫn đến sai số trong kết quả tính toán và kéo dài thời gian tính toán do bước thời gian bị giảm Để khắc phục, lưới cần được tái tạo thủ công nhằm tiếp tục quá trình tính toán Tuy nhiên, phương pháp Lagrangian gặp hạn chế khi phải xử lý các phần tử bị méo mó hoặc biến đổi lớn, và không thể áp dụng hoàn toàn cho các bài toán phân tích tương tác kết cấu đột ngột hoặc nổ, do sự biến dạng lớn của miền lưu chất gây ra bởi sóng nổ.

Hình 2.11 Lưới Lagrange và lưới Euler [9]

Hình 2.12 Sóng nổ trong miền Euler[9]

Hình 2.13 Vận tốc sóng nổ trong miền Euler[9]

Phương pháp Eulerian được áp dụng trong tính toán lưu chất, cho phép vật liệu di chuyển qua các phần tử lưới mà không gây méo mó như phương pháp Lagrangian Đây là một giải pháp động lực học theo thời gian, có khả năng định nghĩa nhiều loại vật liệu khác nhau Sự hội tụ của lời giải Eulerian được đánh giá qua các thông số như áp suất và vận tốc Mặc dù phương pháp này không gây méo mó phần tử, nhưng không phù hợp để phân tích biến dạng của kết cấu trong các tác động sóng nổ.

Hình 2.14 ALE chưa biến dạng[9]

Hình 2.15 ALE sau khi biến dạng[9]

Phương pháp ALE kết hợp giữa Lagrangian và Eulerian, trong đó chuyển động Lagrangian được tính toán theo từng bước thời gian, cho phép tái định hình lưới không gian của cả hai phương pháp Cách tiếp cận này dựa trên sự di chuyển của miền tham khảo, bao gồm miền vật liệu và miền không gian Việc kết hợp tính toán động lực học lưu chất cho miền không gian với phân tích động lực học kết cấu cho miền vật liệu, cùng với sự tương tác giữa hai miền, giúp xác định chính xác bề mặt tiếp xúc và điều kiện biên.

Phương pháp ALE là một công cụ hiệu quả để đánh giá phản ứng của kết cấu dưới tác động của tải trọng nổ trong không khí Phương pháp này cho phép mô hình hóa động lực học lưu chất và phân tích kết cấu một cách chính xác, nhờ vào khả năng chuyển động của lưới Lagrangian và lưới Eulerian trong cùng một nền tảng.

Phương trình ALE ban đầu

Trong đó X i là tọa độ Lagrangian, i là tọa độ tham chiếu, x i là tọa độ Eulerian,

Vận tốc tham chiếu i, cùng với các thông số vật liệu và thành phần vận tốc u i, là những yếu tố quan trọng trong các phương trình bảo toàn khối lượng, động lượng và năng lượng Các phương trình này được thể hiện trong công thức tổng quát ALE, đảm bảo tính chính xác và nhất quán trong các phân tích vật lý.

Với  là khối lượng riêng,  ij là các thành phần tensor ứng suất, b i là lực thể tích, và E là năng lượng tổng

Phương trình số (2.17) – (2.19) được giải trong hai miền trong suốt mỗi bước thời gian:

Bước thứ nhất là trong miền Lagrangian, tính toán gia số chuyển động của vật liệu, từ đó xác định được vị trí của vật liệu, vị trí lưới

Bước thứ hai trong miền Eulerian là sau khi xác định vị trí bề mặt của miền Lagrangian từ gia số chuyển động, miền Eulerian sẽ tự động chuyển đổi vật liệu giữa các phần tử Các thuật toán sau đó sẽ tính toán và di chuyển các nút trên bề mặt vật liệu của miền Lagrangian.

MÔ HÌNH TÍNH TOÁN

Giới thiệu về module ANSYS Autodyn

ANSYS Autodyn là phần mềm mô phỏng hiệu quả cho việc phân tích phản ứng của vật liệu dưới tác động của tải trọng nặng, áp suất cao và các vụ nổ, đặc biệt phù hợp cho mô phỏng biến dạng lớn và phá hủy Phần mềm này cung cấp các giải pháp tiên tiến mà vẫn giữ được tính dễ sử dụng, cho phép mô hình hóa các hiện tượng vật lý phức tạp như tương tác giữa chất lỏng, chất rắn và khí, các giai đoạn chuyển tiếp của vật liệu, cũng như sự truyền sóng xung kích Tích hợp trong ANSYS Workbench với giao diện người dùng thân thiện, Autodyn đã được các ngành công nghiệp tin dùng trong nhiều thập kỷ, giúp người dùng đạt được kết quả chính xác với ít thời gian và công sức.

Trong Autodyn, người dùng có thể mô hình hóa chất rắn bằng các phần tử Lagrange, trong khi chất lỏng được mô phỏng bằng phương pháp Eulerian và SPH (thủy động lực học hạt mịn) Hệ thống cho phép sử dụng nhiều bộ giải mã trong một mô hình, đồng thời tương tác giữa các miền khác nhau để đạt được kết quả chính xác và hiệu quả.

Hình 3.2a Mô phỏng va chạm bằng ANSYS Autodyn[9]

Các bước phân tích tương tác sóng nổ lên kết cấu

Quá trình mô phỏng được thực hiện theo lưu đồ sau

Hình 3.2b Lưu đồ mô phỏng

3.2.1.Xây dựng mô hình CAD

Mô hình CAD được phát triển dựa trên kích thước tham khảo của giàn khoan Hải Nam 1 tại Trung Quốc Sử dụng phần mềm Solidworks, mô hình này được thiết kế lại và loại bỏ các chi tiết không cần thiết.

Hình 3.3 Thiết kế mô hình giàn khoan

Bảng 3.1 Kích thước chính của mô hình giàn khoan

Thông số mô hình Giá trị

Kích thước tổng quát 160x160x150 (m) Đường kính chân trụ 35 (m)

Chiều cao chân trụ 80 (m) Đường kính trụ giàn 5 (m)

3.2.2 Thiết lập thông số vật liệu

Vì bài toán nổ liên quan đến phá hủy và biến dạng lớn, nên việc chọn vật liệu phù hợp là rất quan trọng Hãy lựa chọn vật liệu từ thư viện Vật liệu Explicit để đảm bảo đáp ứng các yêu cầu của bài toán.

Bảng 3.2 Các thông số vật liệu

Không khí Nước TNT Thép V250

Hình 3.4 Chọn vật liệu trong thư viện

3.2.3 Định nghĩa miền lưu chất và miền phân tích nổ (miền Euler) Đưa mô hình đã thiết kế vào ANSYS Explicit Dynamics để bắt đầu công việc tính toán

Hình 3.5 Mô hình sau khi đưa vào ANSYS Explicit Dynamics

Mô hình được thiết lập dưới dạng phần tử solid

Chọn miền không khí và nước dạng lưu chất (Fluid)

Hình 3.6 Miền không khí và nước chọn Fluid

Theo lý thuyết nổ, hiện tượng này diễn ra nhanh chóng với vận tốc sóng nổ và biến dạng lớn Do đó, tác giả đã chọn bộ giải Euler cho TNT, không khí và nước, trong khi bộ giải Lagrange được sử dụng cho các kết cấu chịu ảnh hưởng.

Vật liệu của toàn bộ kết cấu giàn khoan là thép V250

Hình 3.7.Chọn bộ giải Lagrange cho kết cấu

Hình 3.8.Chọn bộ giải Euler cho TNT, không khí và nước

Hình 3.9 Thiết lập vật liệu và bộ giải cho vật liệu

3.2.4 Xây dựng mô hình phần tử hữu hạn

Sàn của giàn khoan được tác giả chia lưới kích thước 2m Các chi tiết khác được tác giả chia lưới bình thường

Hình 3.10 Điều kiện chia lưới

Hình 3.11 Lưới phần tử hữu hạn của mô hình

Kết quả số node và số elements của bài toán sau khi chia lưới lần lượt là: 67220 node và 61163 elements

Sau khi hoàn thành việc chia lưới, tác giả đã tiến hành kiểm tra chất lượng của lưới bằng phương pháp đánh giá Skewness Kết quả cho thấy chỉ số Skewness nằm trong khoảng từ 0 đến 0,38, chứng tỏ lưới đạt chất lượng tốt.

Hình 3.12 Đánh giá chất lượng lưới PTHH bằng phương pháp Skewness

Sau khi chia lưới xong, tác giả tạo các vùng khảo sát để xuất kết quả ứng xử tại các phần tử

Hình 3.13 Tạo các vùng khảo sát

3.2.5 Thiết lập điều kiện biên và các thông số phân tích trong ANSYS Explicit Dynamics và ANSYS Autodyn

Phân biệt hai miền không khí và nước dựa vào khối lượng riêng của chúng, vì vậy bài toán được đặt trong môi trường có gia tốc trọng trường

Hình 3.14 Thiết lập gia tốc trọng trường Tác giả thiết lập vị trí kích nổ nằm tại tâm khối thuốc nổ

Thời điểm bắt đầu nổ là 0,00s

Hình 3.15 Thiết lập vị trí điểm kích nổ

Hình 3.16 Thiết lập thời điểm kích nổ

Thiết lập nhiệt độ môi trường cho bài toán là 26ºC

Hình 3.17 Thiết lập nhiệt độ môi trường cho bài toán

Theo lý thuyết đã nêu, hiện tượng nổ diễn ra với tốc độ rất lớn, dẫn đến thời gian giải bài toán chỉ khoảng 0,05 giây.

Hình 3.18 Thiết lập thời gian giải trong ANSYS Explicit Dynamics

Bài toán phá hủy kết cấu nên tác giả thiết lập chế độ “On Material Failure”

Hình 3.19 Thiết lập “On material failure”

Do bài toán phá hủy dựa trên tiêu chuẩn ứng suất chính và ứng suất cắt lớn nhất, tác giả đã chọn phân tích kết quả theo tiêu chuẩn "Ứng suất cắt lớn nhất".

Hình 3.20 Chọn các đại lượng để xuất kết quả

Hình 3.21 Xuất kết quả ứng xử tổng thể và kết quả ứng xử tại các vùng khảo sát

Sau khi thiết lập bài toán trong ANSYS Explicit Dynamics, tác giả chuyển sang ANSYS Autodyn để tính toán áp suất sóng nổ và vận tốc lan truyền của sóng nổ.

Hình 3.22 Đưa bài toán vào ANSYS Autodyn để phân tích

Do tác giả đã thiết lập bộ giải và điều kiện biên trong ANSYS Explicit Dynamics, nên việc tính toán trong ANSYS Autodyn sẽ tương tự và không cần thiết lập lại các bước này.

Để thiết lập bài toán phân tích áp suất sóng nổ và vận tốc lan truyền sóng nổ trong ANSYS Autodyn, tác giả đã thực hiện các bước cụ thể như sau.

Hình 3.23 Thiết lập miền Lagrange (trái) và Euler (phải)

Hình 3.24 Chọn xuất kết quả áp suất sóng nổ

Chọn thời gian giải và bước thời gian để giải bài toán trong ANSYS Autodyn Ở đây tác giả chọn thời gian giải là 0,05s và bước thời gian là 0,001s

Hình 3.25 Thiết lập thời gian giải cho bài toán

Tiếp theo tác giả chọn Gauge để có thể so sánh áp suất sóng nổ tại các điểm khác nhau

Chọn vào các phần tử cần lấy điểm Gauge để xem thông tin phần tử, sau đó nhập thông tin các node vào để lấy điểm Gauge

Hình 3.26 Thiết lập các điểm Gauge Sau khi thiết lập hoàn chỉnh, bắt đầu tiến hành giải bài toán

Hình 3.27 Giải bài toán trongANSYS Autodyn

Các trường hợp phân tích của bài toán

3.3.1 Trường hợp 1: nổ trong không khí, vị trí khối thuốc nổ A

Sóng nổ sẻ lan truyền trong 1 môi trường duy nhất là không khí Vị trí đặt thuốc nổ tại A (trong không khí)

Hình 3.28.Trường hợp 1 Tạo 3vùng khảo sátkhác nhau để khảo sát ứng xử tại 3 vị trí khác nhau

Hình 3.29.Vùng khảo sát 1, trường hợp1

Hình 3.30 Vùng khảo sát 2, trường hợp1

Hình 3.31 Vùng khảo sát 3, trường hợp 1

Kết quả ứng xử của kết cấu trường hợp1 khi hiện tượng nổ xảy ra theo thời gian

Hình 3.32 Kết quả ứng xử kết cấu trường hợp1 tại 0,022s

Hình 3.33 Kết quả ứng xử kết cấu trường hợp1 tại 0,05s.

Hình 3.34 Kết quả ứng xử của vùng khảo sát 1 tại thời điểm 0,022s

Sau khi phân tích, tác giả đưa ra được đồ thị so sánh kết quả ứng xử lớn nhất tại

3 phần tử nêu trên của trường hợp1 chịu tải nổ theo thời gian

Hình 3.40 Biều đồ ứng xử của tại các phần tử trường hợp1 theo thời gian

Biểu đồ cho thấy ứng xử tại vùng khảo sát1 và 2 không bị phá hủy tại 0,022s còn

3 bị phá hủy lần lượt tại 0,22s và vùng khảo sát 1 và 2 bị phá hủy tại 0,03s

Kết quả hình dạng sóng nổ theo thời gian trong không gian 3 chiều

Biểu đồ ứng xử tại 3 vùng khảo sát TRƯỜNG HỢP

Hình 3.41 Hình dạng sóng nổ lan truyền theo thời gian (trường hợp1)

Kết quả áp suất sóng nổ tại thời điểm 0,022s Giá trị lớn nhất của áp suất là 5,003.10 3 KPa

Hình 3.42 Áp suất sóng nổ trường hợp1 tại 0,022s

Hình 3.44 Năng lượng của khối thuốc nổ theo thời gian (trường hợp1)

3.3.2 Trường hợp 2: nổ trong nước, vị trí đặt tải nổ A

Sóng nổ sẽ lan truyền từ môi trường nước sang không khí Vị trí đặt thuốc nổ tại

Tạo 3 vùng khảo sát ở vị trí tương tự với trường hợp1 để so sánh kết quả với trường hợp 1

Hình 3.46 Các vùng khảo sáttrường hợp2

Kết quả ứng xử của kết cấu trường hợp 2 khi hiện tượng nổ xảy ra theo thời gian

Hình 3.55 Biều đồ ứng xử của tại các phần tử trường hợp2 theo thời gian

Tải nổ lan truyền từ nước sang không khí với tốc độ thấp hơn do lực cản của nước Biểu đồ cho thấy chỉ có Vùng khảo sát 3 bị phá hủy trong khoảng thời gian 0,05 giây, trong khi ứng suất lớn nhất được ghi nhận tại Vùng khảo sát 2.

Biểu đồ ứng xử tại 3 vùng khảo sát

Hình 3.56 minh họa hình dạng sóng nổ lan truyền theo thời gian trong trường hợp 2, với kết quả áp suất sóng nổ tại thời điểm 0,022 giây Giá trị lớn nhất của áp suất đạt 1,545 x 10^3 KPa.

Hình 3.57 Áp suất sóng nổ trường hợp2 tại 0,022s Đây là kết quả áp suất sóng nổ tại thời điểm 0,05s Giá trị lớn nhất của áp suất là 8,163.10 2 KPa

Hình 3.58.Áp suất sóng nổ TRƯỜNG HỢP 2 tại 0,05s

Hình 3.59 Năng lượng của khối thuốc nổ theo thời gian (trường hợp 2)

3.3.3 Trường hợp 3: Nổ trong không khí, vị trí đặt tải nổ B

Sóng nổ sẽ lan truyền trong 1 môi trường duy nhất là không khí Vị trí đặt thuốc nổ tại B (trong không khí)

Tạo các vùng khảo sát tương tự trường hợp1 để so sánh kết quả với trường hợp1

Hình 3.61 Các vùng khảo sát của trường hợp 3

Kết quả ứng xử của kết cấu trường hợp 2 khi hiện tượng nổ xảy ra theo thời gian

Hình 3.62 Kết quả ứng xử kết cấu trường hợp 3 tại 0,05s

Hình 3.63 Kết quả ứng xử kết cấu trường hợp 3 tại 0,05s

0,005s0,0225s0,05s Hình 3.70 Hình dạng sóng nổ lan truyền theo thời gian (trường hợp 3)

Hình 3.71 Biều đồ ứng xử của tại các phần tử trường hợp 3 theo thời gian

Biểu đồ cho thấy cả ba phần tử bị phá hủy nhanh chóng khi khối thuốc nổ được đặt tại tâm giàn khoan Sóng nổ lan truyền theo hình cầu, khiến hầu hết các phần tử tại giàn khoan đều bị ảnh hưởng Mức độ phá hủy tăng cao hơn ở những phần tử gần tâm.

Biểu đồ ứng xử tại 3 vùng khảo sát

Kết quả áp suất sóng nổ tại thời điểm 0,05s Giá trị lớn nhất của áp suất là2,736.10 3 KPa

Hình 3.73 Áp suất sóng nổ trường hợp 3 tại 0,05s

Hình 3.74 Năng lượng của khối thuốc nổ theo thời gian (trường hợp 3)

So sánh kết quả của 3 trường hợp

Hình 3.75 Biểu đồ ứng suất lớn nhất theo thời gian tại 3 trường hợp

Theo biểu đồ, tác giả chỉ ra rằng trong quá trình sóng nổ lan truyền, năng lượng của khối thuốc nổ giảm dần theo thời gian, dẫn đến việc ứng suất lớn nhất xảy ra ngay tại thời điểm nổ.

Biểu đồ ứng suất lớn nhất theo thời gian

Khi khối thuốc nổ được đặt tại khối tâm giàn khoan, nó sẽ tác động ngay lập tức đến kết cấu, tạo ra ứng suất rất cao ngay tại thời điểm ban đầu.

Trong trường hợp 1 và trường hợp 2, khối thuốc nổ được đặt xa giàn khoan, dẫn đến việc áp suất sóng nổ cần một khoảng thời gian để tác động đến kết cấu Do sóng nổ lan truyền dễ dàng hơn trong không khí so với trong nước, nên tác động của sóng nổ lên trường hợp 1 diễn ra nhanh hơn so với trường hợp 2.

Hình 3.76 Đồ thị kết quả ứng suất tại cùng 1 vị trí của 3 trường hợp

Biểu đồ so sánh kết quả ứng suất tại Vùng khảo sát 1

Kết quả so sánh cho thấy, khi nổ dưới nước, ứng suất duy trì sự ổn định hơn, không có sự tăng đột ngột và giảm nhanh chóng như trong các trường hợp nổ xảy ra trong không khí.

Các trường hợp tải nổ đặt trong môi trường không khí gây ra phá hủy rất lớn kết cấu.

Tiêu đề	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
Tác giả	Lê Quang Tấn
Người hướng dẫn	PGS.TS Trương Tích Thiện
Trường học	Trường Đại học Kinh tế Công nghiệp Long An
Chuyên ngành	Kỹ thuật xây dựng
Thể loại	Luận văn thạc sĩ
Năm xuất bản	2019
Thành phố	Long An

Định dạng
Số trang	86
Dung lượng	7,89 MB