Tài liệu 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 t...
7 trang |
Chia sẻ: quangot475 | Lượt xem: 525 | Lượt tải: 0
Bạn đang xem nội dung tài liệu Nghiên cứu tốc độ truyền sống nổ trong môi trường san hô - Nguyễn Hữu Thế, để tải tài liệu về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
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.
Các file đính kèm theo tài liệu này:
- 23_huu_the_167_173_8706_2150099.pdf