Nghiên cứu tốc độ truyền sống nổ trong môi trường san hô - Nguyễn Hữu Thế

Nghiờn cứu khoa học cụng nghệ Tạp chớ Nghiờn cứu KH&CN quõn sự, Số 33, 10 - 2014 167 Nghiên cứu tốc độ truyền sóng nổ trong môi trường san hô Nguyễn hữu thế Tóm tắt: Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu tốc độ truyền sóng nổ trong môi trường san hô khi thông số về độ chặt của môi trường thay đổi. Tác giả đã sử dụng các phương trình trạng thái của môi trường đã được sử dụng trong phần mềm ANSYS khi chịu tải trọng động do lượng nổ đặt sâu trong môi trường san hô gây ra và áp dụng tiêu chuẩn tính toán tải trọng nổ và tốc độ truyền sóng nổ theo TM5[7] để so sánh. Từ khóa: Tải trọng nổ, tốc độ truyền sóng nổ, Môi trường san hô. 1. đặt vấn đề Hiện nay ở nước ta các công trình khoa học đã công bố kết quả nghiên cứu về tốc độ truyền sóng nổ trong môi trường nền san hô là chưa nhiều cụ thể như [1,2,3,4]. Trong những công trình trên có một số tác giả đã tiến hành thử nghiệm và so sánh kết quả với các công thức thực nghiệm tính áp lực nổ của Nga, tuy nhiên việc tiến hành thử nghiệm các vụ nổ có liên quan đến nhiều vấn đề về thủ tục pháp lý và vấn đề kinh tế [4,5]. Do vậy tác giả đã tập trung nghiên cứu các quy luật ứng xử của môi trường san hô thông qua các mô hình môi trường khi chịu áp lực do sóng nổ gây ra. Kết quả khảo sát theo phần mềm Autodyn được tác giả so sánh với cách tính theo công thức TM5[7 ] tiêu chuẩn của Mỹ. 2. Đặt bài toán và miền nghiên cứu 2.1. Đặt bài toán Đặt một lượng nổ nằm sâu trong môi trường san hô. Môi trường nghiên cứu có thể là đồng nhất hoặc phân lớp. Môi trường chịu tác động khi sóng nổ lan truyền đến do một vụ nổ đặt sâu trong môi trường gây ra. Một trong những vấn đề cần nghiên cứu là ứng xử của môi trường khi sóng nổ lan truyền đến và lựa chọn được mô hình môi trường phù hợp với giá trị áp lực, để từ đó xác định tốc độ sóng nổ lan truyền sóng nổ đến các khoảng cách khác nhau trong môi trường. Giả thiết môi trường là đồng nhất hay phân lớp với các tính chất cơ lý khác nhau. Nhưng trong mỗi một lớp môi trường là đồng nhất đẳng hướng. Hình 1. Khảo sát giá trị áp lực, tốc độ lan truyền sóng nổ Đ1, Đ2, Đ3, Đ4, Đ5, Đ6 là vị trí các điểm đo R1, R2, R3, R4, R5, R6 là bán kính các cung tròn. R5 Môi trường san hô R6 R4 R3 R2 R1 TNT Đ6Đ1 Đ2 Đ3 Đ4 Đ5 Cơ kỹ thuật & Kỹ thuật cơ khớ động lực Nguyễn Hữu Thế, “Nghiờn cứu tốc độ truyền song nổ trong mụi trường san hụ.” 168 2.2. Miền nghiên cứu Ta tiến hành tách mô hình môi trường gồm một lượng nổ đặt sâu trong môi trường và môi trường xung quanh lượng nổ với một kích thước xác định, để khi sóng nổ lan truyền trong môi trường không có hiện tượng phản xạ, khúc xạ sóng tới. Trong bài báo này tác giả nghiên cứu trong môi trường san hô là đồng nhất,trên biên của mô hình tính được đặt vào các liên kết đàn nhớt (lò xo và giảm chấn) thay cho tác dụng của phần nền vô hạn bị cắt bỏ. 3. Đặc tính vật liệu 3.1. Tính chất của các loại san hô Bảng 1. Tính chất của loại san hô thứ nhất. Mô đun đàn hồi Mật độ Hệ số Poisson 4 2 1 2,19.10 ( )shE N cm 3 1 2,2 g cm  1 0,3  Bảng 2. Tính chất của loại san hô thứ hai Mô đun đàn hồi Mật độ Hệ số Poisson 4 2 2 2,71.10 ( )shE N cm 3 2 2,2 g cm  2 0,25  Bảng 3. Tính chất của loại san hô thứ ba Mô đun đàn hồi Mật độ Hệ số Poisson 4 2 3 2, 29.10 ( )shE N cm 3 3 2,6 g cm  3 0,27  3.2. áp lực của chất nổ Mô hình này đã được sử dụng rộng rãi trong các bài toán kỹ thuật. Phương trình trạng thái JWL [10] có thể được viết về mặt năng lượng ban đầu cho mỗi đơn vị khối, cụ thể như sau: 1 2 1 2 1 1R V R V mo E P A e B e RV R V V                  (1) Trong đó, P là áp suất; Emo là nội năng riêng; V là thể tích tương đối; A, B, R1, R2 và  là các hệ số thực nghiệm ứng với từng loại chất nổ. Thông số cho chất nổ TNT được liệt kê trong bảng 4. Bảng 4. Thông số của chất nổ TNT được sử dụng trong phương trình JWL [10] moE 6930 m / s 373,8 GPa 3,747 GPa 4,15 0,9 0,35 1630 Kg / m3 6000 MJ / m3 3.3. công thức thực nghiệm Sử dụng công thức thực nghiệm TM5[7] theo tiêu chuẩn của Mỹ ta có. 3,55 3 1,58 C P R         (MPa) (2) dC A B 1R 2R  0 Nghiờn cứu khoa học cụng nghệ Tạp chớ Nghiờn cứu KH&CN quõn sự, Số 33, 10 - 2014 169 0,45 3 480,5 C U R         (m/s) (3) Trong đó: P là giá trị áp lực, U là giá trị tốc độ, C khối lượng thuốc nổ, R là khoảng cách từ tâm nổ đến vị trí khảo sát, 3.4. Điều kiện biên Trong mô hình khảo sát ở phần trên, tại vị trí trên biên không có biến dạng và phản xạ sóng nổ tại tất cả các vị trí trên biên, để xử lý vấn đề trên tác giả giải quyết bằng cách bổ sung hệ gồm lò xo và hệ thống giảm chấn được xác định sao cho sóng phản xạ từ biên là đủ nhỏ để không ảnh hưởng đến quá trình khảo sát giá trị áp lực và tốc độ truyền sóng nổ tại các điểm khảo sát trong môi trường. 4. Mô phỏng, tính toán, nhận xét 4.1. Các bài toán mô phỏng, tính toán 4.1.1. Trường hợp 1 (Khảo sát tốc độ lan truyền sóng nổ) So sánh tốc độ lan truyền sóng khi sử dụng phần mềm Autodyn với các thông số về môi trường được lấy theo các giá trị tại bảng 3 mục 3.1 đã được nêu ở phần trên với cách tính toán theo công thức trong tiêu chuẩn TM5 [7] của Mỹ. Miền nghiên cứu của môi trường san hô trong trường hợp này với kích thước 20 mx4 m. Tại vị trí có tọa độ (x,y) với x=4 m và y = 3 m so với gốc tọa độ (0,0) có bố trí một lượng thuốc nổ TNT với khối lượng 0,4 kg. Nội dung khảo sát gồm giá trị vận tốc tại 6 điểm (1,2,3,4,5,6) với vị trí lần lượt cách tâm nổ một khoảng (R1=5 m; R2=7 m; R3= 9 m; R4=11m; R5=13m; R6=15m). Để có tín hiệu tốt, cần phải tiến hành nổ thử, với lượng thuốc nổ TNT được tăng dần cho đến khi có tín hiệu rõ ở các vị trí đặt đầu đo thì mới tiến hành nổ thật. Giả thiết môi trường là đồng nhất, đẳng hướng. 4.1.2. Trường hợp 2 (ảnh hưởng của độ chặt đến tốc độ lan truyền sóng nổ) Sử dụng phần mềm Autodyn để khảo sát và so sánh giá trị áp lực, tốc độ khi các thông số về độ chặt của môi trường có sự thay đổi. Sử dụng thông số của môi trường san hô theo bảng 1 và bảng 2 thuộc mục 3.1 đã được ở phần trên. Miền nghiên cứu của môi trường san hô với kích thước 20 mx4 m. Tại vị trí có tọa độ (x,y) với x=4m và y=3m có bố trí một lượng nổ TNT với khối lượng 0,4 kg. Nội dung khảo sát, nghiên cứu gồm giá trị áp lực và tốc độ tại 6 điểm (1,2,3,4,5,6) với vị trí lần lượt cách tâm nổ một khoảng (R1=2m; R2=4m; R3=6m; R4=8m; R5=10m; R6=12m). Để có tín hiệu tốt, cần phải tiến hành nổ thử, với lượng thuốc nổ TNT được tăng dần cho đến khi có tín hiệu rõ ở các vị trí đặt đầu đo thì mới tiến hành nổ thật. Giả thiết môi trường là đồng nhất, đẳng hướng. 4.2. Phương pháp, công cụ mô phỏng Phương phỏp Lagrange về rời rạc húa khụng gian, được mụ tả trong [1], trong đú lưới số sẽ di chuyển và biến dạng theo vật liệu, là phương phỏp lớ tưởng để nghiờn cứu biến dạng và chuyển động vật liệu trong vựng khả năng Nguyễn Hữu Thế170 biến dạng thấp và chuyển vị lớn. Khi đú, nú sẽ t bảo toàn khối lượng và xỏc đ Lagrange là hiệu quả tớnh toỏn cao và d phức tạp. Tuy nhiờn, phương phỏp này cú b cong lớn hoặc bị rối trong khu vực bị biến dạng lớn, điều n ảnh hướng xấu lờn bước thời gian tớch hợp hoặc đ 4.3. Mô phỏng và nhận xét Trường hợp 1 Hỡnh 2. Bố trí lượng nổ và 6 điểm khảo sát giá trị áp lực, vận tốc. Hỡnh 4. Biểu đồ giá trị áp lực (KPa) Á p l ự c (K P a) Thời gian (ms) Cơ kỹ thuật & Kỹ thuật cơ khớ đ , “Nghiờn cứu tốc độ truyền song nổ trong mụi trư ư động thỏa món ịnh rừ biờn vật liệu. Lợi thế của phương phỏp ễ dàng kết hợp cỏc mụ hỡnh v ất lợi là mạng lưới số cú thể bị uốn ày cú th ộ chớnh xỏc của nghiệm. Hỡnh 3. Mô phỏng tốc độ lan truyền sóng nổ đến 6 điểm khảo sát. Hỡnh 5. Biểu đồ giá trị vận tốc (m/s) V ận t ốc ( m /s ) Thời gian (ms) ộng lực ờng san hụ.” điều kiện ật liệu ể dẫn tới Nghiờn cứu khoa học cụng nghệ Tạp chớ Nghiờn cứu KH&CN quõn sự, Số 33, 10 - 2014 171 Hình 6. Biểu đồ giá trị áp lực. Hình 7. Biểu đồ giá trị vận tốc. Bảng 5. So sánh giá trị áp lực (KPa) Bảng 6. So sánh giá trị vận tốc (m/s) STT So sánh giá trị áp lực Theo phần mềm Autodyn Công thức TM5 So sánh % Sai số Điểm 1 1,68 1,76 4,54 Điểm 2 0,49 0,53 7,54 Điểm 3 0,20 0,218 8,25 Điểm 4 0,10 0,107 6,54 Điểm 5 0,054 0,059 8,47 Điểm 6 0,034 0,0356 4,49 STT So sánh giá trị vận tốc Theo phần mềm Autodyn Công thức TM5 So sánh % Sai số Điểm 1 198,90 202,98 2,01 Điểm 2 171,85 174,46 1,49 Điểm 3 151,95 155.81 2,48 Điểm 4 140,75 142,36 1,13 Điểm 5 130,65 132,05 1,06 Điểm 6 122,45 123,81 1,09 Nhận xét 1: Khảo sát tốc độ lan truyền sóng trong môi trường san hô bằng phần mềm Autodyn và so sánh với công thức TM5[7] theo tiêu chuẩn của Mỹ, kết quả cho thấy về giá trị giữa hai phương pháp tính có sự sai khác nhỏ, cụ thể đối với giá trị áp lực thì sự sai khác nhỏ hơn 9%, còn đối với tốc độ truyền sóng nổ sự sai khác nhỏ hơn 3%. Vì vậy việc ứng dụng phần mềm Autodyn trong nghiên cứu tốc độ truyền sóng nổ trong các môi trường khác nhau cho kết quả là đáng tin cậy. Trường hợp 2 Hỡnh 8. Sơ đồ bố trí lượng nổ và 6 điểm khảo sát (San hô loại 1 và loại 2). Hỡnh 9. Mô phỏng tốc độ lan truyền sóng trong môi trường San hô. 0 0.5 1 1.5 2 1 2 3 4 5 6 A p lu c (K P a ) Vi tri diem do Theo phần mềm Autody n 0 50 100 150 200 250 1 2 3 4 5 6 V a n t o c (m /s ) Vi tri diem do Theo phần mềm Autody n Cơ kỹ thuật & Kỹ thuật cơ khớ động lực Nguyễn Hữu Thế, “Nghiờn cứu tốc độ truyền song nổ trong mụi trường san hụ.” 172 Hình 10. Biểu đồ giá trị áp lực. Hình 11. Biểu đồ giá trị vận tốc. Bảng 7. Giá trị áp lực (KPa). Bảng 8. Giá trị vận tốc (m/s). STT Giá trị áp lực (KPa) San hô loại 1 San hô loại 2 So sánh % Sai số Điểm 1 44,20 45,600 3,07 Điểm 2 3,75 3,9000 3,84 Điểm 3 0,91 0,9232 1,42 Điểm 4 0,31 0,3325 6,76 Điểm 5 0,13 0,1505 13,62 Điểm 6 0,072 0,0789 8,74 STT Giá trị vận tốc (m/s) San hô loại 1 San hô loại 2 So sánh % Sai số Điểm 1 301,85 306,576 1,54 Điểm 2 221,50 224,427 1,30 Điểm 3 184,85 186,996 1,14 Điểm 4 162,50 164,290 1,089 Điểm 5 143,90 148,594 3,15 Điểm 6 134,88 136,889 1,47 Nhận xét 2: Quá trình nghiên cứu ảnh hưởng của độ chặt đến tốc độ lan truyền sóng với số liệu về môi trường được sử dụng theo san hô loại 1 và loại 2 tương ứng với giá trị tại bảng 1, 2. Kết quả cho thấy rằng đối với môi trường san hô loại 2 có giá trị mô đun đàn hồi 2E cao hơn 1E của san hô loại 1 thì khi khảo sát ta nhận được giá trị tốc độ lan truyền sóng nổ cao hơn so với trong môi trường loại 1. Vậy có thể kết luận rằng tốc độ lan truyền sóng nổ tỷ lệ thuận với độ chặt của môi trường. 5. Kết luận Kết quả nghiên cứu tốc độ lan truyền sóng nổ trong môi trường san hô khi thông số về mô đun đàn hồi E của môi trường thay đổi cho ta giá trị tốc độ lan truyền sóng nổ cũng thay đổi theo một tỷ lệ thuận. Từ kết quả nghiên cứu thu nhận được ở phần trên có ý nghĩa thực tiến khi tính toán, thiết kế các công trình quân sự chịu tác dụng của vũ khí, công nghệ cao cần phải lựa chọn được mô hình môi trường phù hợp để từ đó xác định được giá trị nội lực của công trình khi chịu tác dụng của tác dụng của sóng nổ một cách chính xác nhất nhằm đánh giá đúng khả năng kháng lực của công trình . Tài liệu tham khảo [1]. Hoàng Xuân Lượng, Nguyễn Thái Chung, Lê Tân, “Nghiên cứu thực nghiệm xác định tính chất cơ lý của san hô và nền san hô,” TC. Khoa học và kỹ thuật Học viện Kỹ thuật quân sự, số 145 (2005), tr. 27-36. [2]. Vũ Đình Lợi, “Truyền sóng nổ và tải trọng nổ”, Tài liệu dùng cho cao học ngành công trình, Học viện Kỹ thuật quân sự. 0 20 40 60 1 2 3 4 5 6A p l u c (K P a ) Vi tri diem do Tớnh theo đất loại 1 0 100 200 300 400 1 2 3 4 5 6 V a n t o c (m /s ) Vi tri diem do Tớnh theo đất loại 1 Tớnh theo đất loại 2 Nghiờn cứu khoa học cụng nghệ Tạp chớ Nghiờn cứu KH&CN quõn sự, Số 33, 10 - 2014 173 [3]. Nguyễn Thái Chung, “Nền san hô và sự làm việc của cọc trong nền san hô”, Luận án Tiến sĩ kỹ thuật (2006), Học viện Kỹ thuật quân sự. [4]. Nguyễn Trí Tá, “Nghiên cứu sự tương tác giữa kết cấu công sự và môi trường dưới tác dụng của tải trọng bom đạn có xét đến tính phi tuyến của môi trường”, Luận án Tiến sĩ kỹ thuật(2006), Học viện Kỹ thuật quân sự. [5]. Henrych J. The Dynamics of Explosion and Its Use, Chapter 5. Elsevier: New York, 1979. [6]. Saleeb AF. Constitutive models for soils in landslides. Ph.D. Thesis, Purdue University, 1981. [7]. TM5-855-1. Fundamental of protective design for conventionalweapons. US Army Engineer Waterways Experiment Station,Vicksburg; 1984. [8]. AUTODYN Theory Manual, revision 3.0, Century Dynamics, San Ramon, California, 1997. [9]. Shamsher P. Soil Dynamics, Chapter 4. McGraw-Hill: New York, 1981. [10]. Pande GN, Zienkiewicz OC. Soil Mechanics}Transient and Cyclic Loads, Chapter 2. Wiley: Chichester, 1982. [11]. Fredlund DG, Rahardjo H. Soil Mechanics for Unsaturated Soils, Chapters 9 and 12. Wiley: Chichester, 1993. [12]. Cole RH. Underwater Explosions. Princeton University Press: Princeton, NJ, 1948. [13]. Chen WF, Baladi GY. Soil Plasticity Theory and Implementation. Elsevier: Amsterdam, 1985. [14]. Drucker DC, Prager W. Soil mechanics and plastic analysis or limit design. Quarterly of Applied Mathematics 1952;10:157–165 [15]. Autodyn Help (2013). ANSYS WORBENCH 14.0. Abstract STUDY ON PROPAGATION VELOCITY OF BLAST WAVE IN CORAL MEDIUM This article presents the results of study on propagation velocity of blast wave in coral medium when the parameters of environment density change. The author used the equation of state of environment, which used in Autodyn software, under dynamic loading caused by deeply placing explosive charge in coral medium and applied the computing standard of blast loading and velocity of blast wave propagation by TM5[7] for comparasion. Keywords: Blast loading, Interaction between coral medium and works Nhận bài ngày 15 tháng 6 năm 2014 Hoàn thiện ngày 18 tháng 9 năm 2014 Chấp nhận đăng ngày 22 tháng 9 năm 2014 Địa chỉ: Học viện Kỹ thuật Quân sự.