Analiza dynamiczna konstrukcji poddanych oddziaływaniu eksplozji

• 3D Viewer | Google
• 3D Viewer | Babylon
• Wirtualna rzeczywistość

Abbildungen eines Explosionsszenarios einer Ferndetonation in RF-DYNAM Pro - Erzwungene Schwingungen

Informacje ogólne

Układ konstrukcyjny należy zaprojektować w taki sposób, aby spełniał wymogi użytkowalności oraz aby był odporny na możliwe oddziaływania i wpływy, które mogą mieć miejsce zarówno w trakcie jak i po okresie użytkowania. W związku z tym oddziaływania są klasyfikowane według ich zmienności w czasie w następujący sposób:

• Oddziaływania stałe (na przykład ciężar własny)
• Oddziaływania zmienne (na przykład obciążenia ruchome, obciążenia śniegiem i wiatrem)
• Oddziaływania wyjątkowe (na przykład wybuch lub uderzenie pojazdu)

Niniejszy artykuł techniczny dotyczy oddziaływania wyjątkowego: eksplozji. Oddziaływanie wyjątkowe jest bardzo krótkotrwałe a jego wystąpienie jest mało prawdopodobne, może jednak mieć znaczące konsekwencje dla stateczności konstrukcji.

„Eksplozja” to nagle pojawiająca się, niezwykle szybka „reakcja utleniania lub rozkładu, podczas której następuje nagły wzrost temperatury i ciśnienia. Prowadzi to do nagłego powiększenia objętości gazów i uwolnienia dużych ilości energii w małej przestrzeni (...) Nagłe zwiększenie objętości powoduje podmuch, który można opisać jako idealną eksplozję (pochodzącą z pojedynczego źródła punktowego) za pomocą modelu fali uderzeniowej". [1] Oprócz obciążenia podmuchem powietrza, wybuchowi towarzyszy oddziaływanie podwyższonej temperatury i/lub uderzenie pewnych elementów (odpryski, gruz). W tym artykule, obciążenie w wyniku zdalnej detonacji jest przedstawione wyłącznie jako oddziaływanie fali uderzeniowej na konstrukcję, bez uwzględnienia innych skutków wybuchu.

Obciążenie falą uderzeniową w wyniku zdalnej detonacji

Obciążenie podmuchem powietrza można przedstawić schematycznie jako krzywą ciśnienia w czasie (na podstawie [2]).

Przebieg ciśnienia w czasie zdalnej detonacji

Przemieszczający się swobodnie podmuch fali uderzeniowej powietrza uderza w konstrukcję w sposób nagły z określonym szczytowym nadciśnieniem. Krzywa obejmuje okres działania nadciśnienia na konstrukcję, aż do osiągnięcia czasu t_d. Następnie pojawia się okres działania podciśnienia, aż do momentu osiągnięcia ciśnienia atmosferycznego otoczenia. Ten wykładniczy przebieg ciśnień w czasie jest często upraszczany do obszaru działania nadciśnienia. W tym przypadku można obliczyć umowny czas t ~d (t ~d

Istotnymi danymi wejściowymi do obliczeń są odległość konstrukcji od środka wybuchu R oraz masa materiału wybuchowego, będąca odpowiednikiem trotylu M_TNT. Poniższe wzory odnoszą się do modelu obciążenia opracowanego w [2]. Skalowana odległość Z jest określana na podstawie obu wartości wejściowych R i M_TNT.

Poniżej wyznaczono maksymalne szczytowe nadciśnienie, dodatni impuls właściwy i współczynnik kształtu. Współczynnik kształtu ma znaczny wpływ na wyrażanie opisujące krzywą w przedziale czasowym podciśnienia.

W kolejnym kroku można obliczyć czas trwania nadciśnienia t_d oraz umowny czas trwania nadciśnienia t ^~_d.

Aby wyznaczyć odbitą krzywą ciśnienie-czas, określany jest współczynnik odbicia dla okresu nadciśnienia c_r oraz współczynnik odbicia dla okresu podciśnienia c ^-_r. Zakłada się, że powierzchnia odbicia jest nieskończenie prostopadła. Szczegółowe informacje na temat wartości można znaleźć w publikacji [2].

Na podstawie wszystkich wyznaczonych wartości można odwzorować obciążenie podmuchem w RF-DYNAM Pro Vibrations za pomocą następującego modelu dla całej odbitej krzywej ciśnienie-czas

Oraz przez dowolne wybrane funkcje obciążeń jako wykresy czasowe:

Wprowadzanie danych wejściowych w RF -DYNAM Pro - Forced Vibrations

W module dodatkowym funkcje obciążenia można wprowadzać w postaci wykresów czasowych. Wykresy czasowe można definiować jako przejściowe, okresowe lub bezpośrednio jako wyrażenie funkcji. Wzbudzają one konstrukcję w określonym miejscu. Położenie obciążenia jest definiowane w przypadkach obciążenia statycznego. Można tu wprowadzić prawie każdy typ obciążenia. Przypadki obciążeń statycznych są połączone z wykresami czasowymi. Dzieje się tak w przypadku obciążeń dynamicznych. Mnożnik k służy do określenia końcowej wielkości amplitudy siły wzbudzającej.

Do poniższych obliczeń wybrano zdalną eksplozję o masie równoważnej materiałów wybuchowych M _TNT = 1 kg i w odległości R = 10 m. W przypadku używania sparametryzowanego wprowadzania danych wynikają z tego następujące wartości.

Wykaz parametrów

Na liście parametrów zdefiniowanych w pliku modelu programu RFEM zmienne są tylko wartości dla R oraz M_TNT. Jeżeli wynikająca z tego odległość przeskalowana mieści się w przedziale 5 < Z < 30, można wykorzystać model obliczeniowy przedstawiony w [2].

Po obliczeniu wartości na liście parametrów, wprowadzono dane dla czterech wyświetlanych poniżej wykresów czasowych w module dodatkowym DYNAM. Podobnie jak w przypadku wielu programów numerycznych, ciśnienie nie jest przykładane bezpośrednio w chwili t = 0 s, ale w naszym przykładzie w chwili t = 0,01 s. Aby odwzorować żądane funkcje obciążenia, przydatne jest tu użycie zagnieżdżonych funkcji typu „if”.

Omówienie: Wprowadzanie wykresów czasowych

Aby porównać cztery funkcje w jednym pliku, analizowane są cztery identyczne konstrukcje w przypadku obciążenia dynamicznego. Do każdego układu konstrukcyjnego przypisany jest przypadek obciążenia z siłą działającą na powierzchnię czołową z wartością 1 kN/m². Ponadto do każdego budynku przypisany jest inny wykres czasowy, a tym samym inna funkcja obciążenia.

Przypadek obciążenia dynamicznego: zestawy wykresów czasowych

Na koniec wprowadzane jest tłumienie Rayleigha dla budynków, które można określić na podstawie dwóch dominujących postaci drgań własnych w rozpatrywanym kierunku.

Przypadek obciążenia dynamicznego: tłumienie

Wyniki

Po obliczeniu i określeniu wyników można porównać w pliku cztery funkcje obciążenia i ich wpływ na konstrukcje. W tym artykule porównano tylko krótkotrwałe przyspieszenie i przemieszczenie w globalnym kierunku X. Wyniki można analizować za pomocą graficznego interfejsu użytkownika w nawigatorze Wyników. W tym miejscu można wyświetlić różne wartości wyników dla obliczonych przedziałów czasowych. Dodatkowo, po przeanalizowaniu przypadku obciążenia dynamicznego, można uzyskać dostęp do wykresu przebiegu czasowego gdzie możliwe jest wyświetlenie, a także porównanie wybranych wartości w punktach. Analizowane są tutaj wartości w środku powierzchni czołowych.

Ergebnisse Zeitverlaufsdiagramm: Beschleunigung in globaler X-Richtung

Ergebnisse Zeitverlaufsdiagramm: Verschiebung in globaler X-Richtung

Zgodnie z oczekiwaniami, zastosowanie wykresu stałego pędu p₁ (t) skutkuje największymi wartościami. Dwie zlinearyzowane krzywe p₂ (t) i p₃ (t) są bardzo podobne, a wartości p₂ (t)> p₃ (t) są zgodne z oczekiwaniami. Finalnie przebieg p₄ (t) pokazuje, że nie można pominąć okresu podciśnienia oraz, że na konstrukcję oddziałują większe wartości w porównaniu ze zwykłym, zlinearyzowanym podejściem dla p₃ (t).

Podsumowanie

Odwzorowanie rzeczywistej krzywej ciśnienia w czasie zdalnej detonacji za pomocą wykresów czasowych w RF-DYNAM Pro- Forced Vibrations jest skutecznym sposobem na określenie wpływu nadciśnienia i podciśnienia fali uderzeniowej na konstrukcję. Parametryzacja modelu pozwala na przedstawienie i porównanie różnych scenariuszy wybuchu poprzez dostosowanie R i M_TNT.