Визуализация разрушений геодезических куполов при взрывном воздействии


Визуализация разрушений геодезических куполов при взрывном воздействии

В последние годы, взрывное воздействие террористических бомб привело к разрушениям сооружений и ранениям сотен людей. Одна из актуальных задач в гражданском строительстве сегодня заключается в увеличении безопасности, поэтому необходимо развивать новые методы проектирования и расчета, так чтобы увеличить устойчивость на взрывное воздействие важных зданий и сооружений [1 - 4].

Для важных зданий, типа аквапарков и вокзалов, даже локальное повреждение малой части здания может иметь катастрофические последствия. Поэтому, для важных зданий, даже локальное повреждение из-за террористического нападения с использованием взрывчатых веществ не допускается. Однако, для обычных зданий, типа жилых или производственных помещений, для которых низка вероятность террористического нападения, допускается локальное повреждение.

Главная цель этой работы состоит в том, чтобы продемонстрировать потенциал использования программного комплекса Patran/Dytran для расчета взрывного воздействия на геодезические купола. Типичный геодезический купол, который рассматривается в этой статье, это геодезический купол системы "И" по классификации проф. Павлова Г. Н. [5].

Численное моделирование заключалось в построении 3D модели геодезического купола из пластин и воздействию на модель взрывной нагрузки.

Алюминиевый сплав, используемый в этой работе, имел следующие свойства (см. Табл. 1).

Табл. 1. Свойства материала

Материал

Модуль упругости (МПа)

Плотность

(кг/м3)

Число Пуассона

Пластическое напряжение (МПа)

Максимальная пластическая деформация MPS (%)

Алюминиевый сплав

7.0 *1010

2700

0.3

2.845 *108

0.3

Исследуемые сооружения были подвергнуты одинаковым взрывным воздействиям. Такие задачи являются предметом изучения как в России, так и за рубежом [6, 7]. В этой работе MSC. Dytran использовался, чтобы моделировать взрывчатое вещество и изучить реакцию конструкции. MSC. Dytran [8] - трехмерный код моделирования, разработанный корпорацией MSC. Software для того, чтобы выполнять расчеты динамического, нелинейного поведения конструкции и потоков (задача Fluid Structure Interaction). В нем используется явное интегрирование по времени. Явное интегрирование по времени является особенно пригодным для того, чтобы рассчитывать быстротекущие динамические переходные процессы, типа взрывов и взрывных волн, которые приводят к большим деформациям и разрушениям. MSC. Dytran объединяет конструктивные (с большими деформациями) конечные элементы (Лагранжевы) и конечно-объемные элементы (Эйлеровы) для моделирования потоков газов.

Конструктивные элементы купола были смоделированы, используя оболочечные элементы, доступные в MSC. Dytran. Материал был смоделирован как DMATEP.

Метод конечных объемов использовался для определения влияния взрывной волны внутри геодезического купола. Данные исследования выполнялись в рамках разработки комплекса программ проектирования и расчета геодезических куполов[9, 10]. Алюминиевая пластина толщиной 0.005 м использовалась для моделирования геодезического купола. Пластины моделировались четырехугольными оболочечными КЭ. Заряд взрывчатого вещества (40 кг ТНТ) размещался на расстоянии 1 м от поверхности внутри геодезического купола. Диаметр начальной сферы - 0.9 м. Размер сетки среды был установлен в 0.7 м, размер сетки конструкции - 0.2 м. Использовалось взаимодействие потоков и конструкций с разрушением, для того чтобы обеспечить вычисление потока даже после разрушения части конструкции.

Для алюминиевых пластин использовались два критерия разрушения (см. рис. 1). Первый в форме пластического напряжения фон Мизеса (2.845*108 Па) и максимальной пластической деформации разрушения (еp=0.3). В случае разрушения КЭ в этом случае исчезает.

Развитие деформаций и разрушений представлено в табл.2. Взрывная волна разрушила часть конструкции. Часть КЭ были разрушены при достижении предельного значения критерия разрушения (MPS).

Второй критерий разрушения в виде ј (еp1 + еp2 + еp3 + еp4 ) > еp = 0.3 в разрушаемых соединениях (BJOIN), реализованный в виде пользовательской подпрограммы exbrk03.f на языке фортран. В этом случае разрушаются соединения между элементами, а сами элементы остаются видимыми. взрывной геодезический купол деформация

Использовано две модели разрушения. Продемонстрировано использование метода конечных объемов для визуализации разлета обломков купола. Визуализация выполнена стандартными средствами Patran и анимации представлены в виде файлов MPEG формата.

Табл. 2. Развитие деформаций и разрушений для внутреннего взрыва

Модель разрушения MPS

Время (с)

Модель разрушения BJOIN

Время (с)

0.00042302

0.00328557

0.00086332

0.00658551

0.00130365

0.00988491

0.00174398

0.0131875

Литература

    1. Baker, W. E. Explosion hazards and evaluation. / W. E Baker, P. A. Cox., P. S. Westine et al. Elsevier. Amsterdam. 1983, 332 p. 2. Бабкин, А. В. Численные методы в задачах взрыва и удара./ А. В. Бабкин, В. И. Колпаков, В. Н. Охитин, В. В. Селиванов. [Текст] - М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2000. - 516 с. 3. Bangash M. Y.H, Bangash T. Explosion-Resistant Buildings. Springer Verlag. Berlin - Heidelberg, 2006. 771 p. 4. Орленко, Л. П. Физика взрыва и удара. [Текст] - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. - 304 с. 5. Павлов, Г. Н. Автоматизация архитектурного проектирования геодезических куполов и оболочек: монография/ Г. Н. Павлов, А. Н. Супрун, Нижегор. гос. архитекур.-строит. ун-т. [Текст] - Н. Новгород: ННГАСУ, 2006, -162 с. 6. Astoneh-Asl, A. Blast Resistansce of Steel and Composite Bridge Piers and Decks. Research Project. / A. Astoneh-Asl, J. Son, M. Rutner. // Department of Civil and Environment Engineering. University of California, Berckley, 2006, 10 p. 7. MSC. Dytran Theory, MSC. Software Corporation, 2008, 454 p. 8. Супрун, А. Н. Автоматизация архитектурного проектирования и прочностного расчета геодезических оболочек. / А. Н. Супрун, Г. Н. Павлов, А. Я. Лахов, А. К Ткаченко. [Текст] //Приволжский научный журнал. - Н. Новгород, ННГАСУ, 2008 - № 3 , - С. 15-19.

Похожие статьи




Визуализация разрушений геодезических куполов при взрывном воздействии

Предыдущая | Следующая