بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
ارزیابی رفتار سازه های ساندویچی تحت اثر انفجار زیر آب
چکیده
در سالیان اخیر بحث طراحی و مقاومسازی سازه ها در مقابل انفجار به طور مدوام مورد توجه محققین قرار گرفته است. لذا اولین گام موثر دراین راستا شبیه سازی و تحلیل رفتار سازه ها درحین انفجار میباشد. دراین مقاله ، به منظور طراحی و مقاوم سازی سازه ها در مقابل انفجار زیر آب و مطالعه این پدیده، تحلیل اثر مقدار خرج بر تغییر فرم سازه های لانه زنبوری و همچنین اثر فاصله خرج انفجاری به کمک نرم افزار ABAQUS مورد مطالعه قرارگرفته ونتایج عددی به دست آمده است. برای صحت سنجی نیز از نمونه ای آزمایشگاهی در راستای انفجار زیرآب استفاده شده و نتایج قابل قبولی بدست آمده است. دراین مقاله 5 ساختار زنبوری مربعی، قطری، شش ضلعی، دایروی و گسسته، به منظور ارزیابی رفتار دینامیکی تحت اثر انفجار زیر آب به کمک تحلیل دینامیکی صریح وبه روش المان محدود در نرم افزار ABAQUS مدلسازی شده و تحت مانیتورینگ قرار گرفت. خرج اولیه درحین انفجار، 40 کیلوگرم تی.ان.تی بوده که در فاصله 3 متری از رویه پیشانی سازه و در زیر آب منفجر می گردد. در مراحل بعد برای ارزیابی اثر فاصله انفجار بر رفتار سازه ، فاصله خرج از سازه به 5 متر تغییر می یابد. بطور کلی 30 مدل در این مقاله با استفاده از نرم افزار فوق الذکر که در ماژول اندرکنش خود قادر به تخصیص شرایط انفجار زیر آب می باشد، مدلسازی شد و تاریخچه زمانی جذب انرژی، تغییرشکل هندسی، کانتور تنشهای میزس به منظورتعیین سطح عملکرد رفتار این قبیل سازه ها دراین واکنش دوفازی استخراج گردید. طبق نتایج سازه لانه زنبوری دارای ساختار گسسته بیشترین انرژی جنبشی را به میزان 620 کیلونیوتن-متر داشته است. بطوریکه این انرژی در نمونه های مربعی، دایروی، شش ضلعی و قطری به ترتیب به میزان %19، %9، %9 و %5 کاهش یافته است.
واژههای کلیدی: انفجار زیرآب، رفتار دینامیکی، سازه های لانه زنبوری و ساندویچی.
-1 مقدمه
انفجار زیر آب یکی از پدیده های مخرب سازه های دریایی و ساحلی می باشد لذا هر کشوری که به آب های آزاد راه دارد نیازمند آینده نگری نسبت به مقاوم سازی سازه ها و تاسیسات دریایی می باشد.گرچه طراحی یک سازه بر مبنای بارهای انفجاری بصرفه نمی باشد ولی می توان با بررسی امواج حاصل از انفجار و اثر تخریبی آنها ملاحظاتی را در مکان یابی و ساخت این سازه ها در نظر گرفت بطوریکه کمترین آسیب بوجود آید. یک سازه دریایی ممکن است در طول عمر خود پدیده انفجار را یا بصورت اتفاقی و یا به صورت عمدی و خرابکارانه تجربه کند. اگرچه ممکن است اثرات ناشی از این رخداد در طراحی اجزا سازه ای ملحوظ نگردیده باشد لیکن بعلت اهمیت ایمنی در انواعی از سازه های استراتژیک دریایی لازم به نظر می رسد که بررسی اثرات این پدیده در خور اهمیت فراوانی است. انفجار زیر آب یک ماده ی منفجره می تواند تاثیرات شدیدی برروی سازه مجاور (از قبیل کشتی، اسکله، زیردریایی، خط لوله، سکوی دریایی ) داشته باشد، چون که آب تراکم پذیری بسیار کمتری نسبت به هوا دارد و انرژی آزاد شده را بیشتر منتقل میکند. مقدار مساوی از یک ماده منفجره در انفجار زیر آب نسبت به انفجار در خشکی می تواند آسیب های بیشتری در پی داشته باشد.[1] پیش بینی دقیق اینکه چگونه سازه های مستغرق به
واسطه ی انفجارات زیر آب آسیب می بینند، دغدغه ی اصلی در مهندسی دریا و تحقیقات سازهای دریایی است. از سوی دیگر انجام آزمایش های گوناگون برای تعیین اینکه چگونه سازه های مستغرق به انفجارات زیر آب پاسخ می دهند یا آسیب می بینند بسیار گران و وقت گیر است. حفاظت زیست محیطی یکی دیگر از محدودیت های آزمایشات زیر آب است. بلعکس توسعه و ایجاد حل های تحلیلی برای پاسخ دینامیکی سازه به مسائل انفجار زیر آب ( UNDEX) به دلیل پیچیدگی مدل سازه ای و اندرکنش سازه- سیال مشکل است، بنابراین مطالعات تئوریک در این زمینه بر روی مدل های سازه ای خاص تحت بار امواج ضربه ای و دینامیک حباب و اندرکنش سازه- سیال متمرکز و لازم بنظر می رسد. با توجه به آنچه اشاره شد ارزیابی مقاومت سازه ها در برابر بارهای ناشی از انفجار عامل مهمی در تعیین ایمنی کلی سازه می باشد، بطوریکه بررسی اثر انفجار بر سازه ها ی دریایی که معمولا کشور ها هزینه ی در خور توجهی را برای احداث ایشان متحمل گشته اند، لازم بنظر می رسد. با توجه به اهمیت موضوع و آنچه اشاره شد نتایج حاصل از ارزیابی رفتار دینامیکی سازه های لانه زنبوری تحت اثر انفجار زیر آب به کمک نرم افزار های المان محدود و شبیه سازی محیط انفجار می تواند مورد بررسی قرار گیرد. علاوه برآن پیشرفت چشم گیر نرم افزارهای کامپیوتری در مدلسازی های عددی رونق چشم گیری به علوم و تحقیقات پژوهشی بخشیده است. برای این راستا در این مقاله با شبیه سازی 5 نمونه از سازه های لانه زنبوری با هسته های متفاوت را به منظور ارزیابی رفتار دینامیکی تحت اثر انفجار زیر آب به کمک تحلیل دینامیکی صریح و به روش المان محدود در نرم افزار ABAQUS مدلسازی و تحت مانیتورینگ قرار خواهد داد. خرج اولیه در حین انفجار، 40 کیلوگرم تی.ان.تی بوده که در فاصله 3 متری از صفحه پیشانی سازه و در زیر آب منفجر می گردد. در مراحل بعد برای ارزیابی اثر فاصله انفجار بر رفتار سازه، فواصل انفجار به رقوم 4 و 7 متر تغییر می یابد. بطور کلی 15 مدل در این پایان نامه با استفاده از نرم افزار فوق الذکر که در ماژول اندرکنش خود قادر به تخصیص شرایط انفجار زیر آب می باشد، مدلسازی شده و تاریخچه زمانی جذب انرژی، تغییر شکل هندسی، کانتورهای تنش های میزس به منظور تعیین سطح عملکرد مخازن تحت فشار در این واکنش دو فازی استخراج گردیده است.
-2 تاریخچه تحقیقات
تقریبا نزدیک به یک قرن است که انفجار زیر آب بعنوان یک تهدید برای تسهیلات بشری و یک چالش برای محققین باقی مانده است. شاید بتوان جنگ جهانی دوم را نقطه ی آغازین طلوع این مهم دانست، چراکه بسیاری از ناوهای دریایی از جانب مین ها و زیر دریایی ها دچار آن شده و بدنبال آن تحقیقات گسترده ای در خصوص انفجار زیر آب شکل گرفت2]و.[3 بسیاری از این تحقیقات بر روی اثر مولفه های انفجار زیر آب بر زیردریایی ها و بدنه ی کشتی ها صورت گرفته است، در آن واحد اکثر آنها با تمرکز بر موج فشار اولیه ی ناشی از انفجار پژوهش خود را به سرانجام رسانده اند و این درحالی است که دامنه ی تحقیقات انجام شده بر روی پالس ثانویه فشار ناشی از حباب هوا در مقایسه با فاز اول به طرز چشمگیری کم تر است.[4]
در دهه پنجاه میلادی تیلور، ریچاردسون و کروود و هارسون در پژوهش هایی جداگانه به بررسی پاسخ دینامیکی صفحات جدار نازک در اثر انفجار زیر آب پرداختند. آن ها راه حل هایی را بر مبنای تغییر شکل خمشی و تغییر شکل های پلاستیک سازه ای مطرح کردند.[5]
در دهه ی شصت نیز فردریک و گیفیت و وانزانت در پژوهش هایی جداگانه، ظرفیت های حمل بار دینامیکی را برای صفحات کم ضخامت مطرح کردند که به طور قابل توجه بزرگتر از ظرفیت های متناظر حمل بار استاتیک بودند. این بررسی ها نشان دادند که تغییر شکل برشی با میزان بار گذاری افزایش می یابد . برای بار های بزرگ، تغییر شکل پیرامونی ناچیز بودند. هاپکینز و راجر راه حل دقیقی را بر مبنای صفحه نازک در معرض بار های عرضی برای مواد انعطاف پذیر نرم (و قانون جریان (Treska مطرح می کنند.[5]
در سال 1989 وزارت دفاع امریکا در یک گزارش فنی به خصوصیات و مشخصات آزمایش شوک ناشی از انفجار زیر آب بر بدنه ی کشتی ها پرداخته و نتایجی در خصوص شتاب، سرعت و تغییر مکان سیستم در موقعیت های مکانی مختلف ارائه داده و همچنین تنش ها و تغییرشکل های الاستیکی که سازه در حین تجربه ی این فرآیند متحمل گردیده است را بیان نموده است.[6] نتایج بدست آمده از این گزارش و شیوه ی انجام این آزمایش در بسیاری از تحقیقات استفاده شده است.[7]
در سال 1993 ژانگ و ییِگرز در مطالعه ای به تحلیل و فرمول بندی دقیق سازه ای پوسته ای که مستغرق در محیطی کروی تحت اثر امواج مستوی بوده،پرداختند و بدنبال آن ییِگرزو اسپِراگو در سال 1995، تحقیق ژانگ در سال 1993 را توسعه داده و تابع نمایی توسعه ی امواج کروی انفجار زیر آب را تشریح نمودند8]و.[9
در سال 2007 شان و همکاران در پژوهشی به روش المان محدود یک تیر یک پارچه و تیری با هسته ی مشبک ساندویچی را مورد ارزیابی قرار دادند و حساسیت آنها را نسبت به درجه ی فشردگی و نوع هسته ی تیر در مقابل امواج ناشی از انفجار زیر آب بررسی نمودند.10[]در همان سال لِنو و برُون در تحقیقی به ارزیابی اندرکنش آب-سازه تحت اثر انفجار در اعماق آب پرداخته و علاوه بر آن فرضیات متعارف حاکم بر معادلات محیط اکوستیک را مورد بحث قرار داده و محدودیت های آن را تایید نمودند.[11]
-3 تئوری سازه های ساندویچی
امروزه، سازه های ساندویچی بزرگترین گروه مواد کامپوزیتی در طراحی بسیاری از مصنوعات، بویژه وسایل حمل و نقل مانند هواپیماهای پیشرفته، کشتی ها و قطارهای مدرن و اخیرا در صنعت سازه های مربوط به نفت، پتروشیمی در زیردریا می باشند.که کاهش مصرف سوخت، وزن کم، بازاء دارا بودن خواص مکانیکی مناسب از دلایل عمده کاربرد آنها است.[12] قابلیتهای مواد کامپوزیتی ساندویچی، نسبت به مواد مرسوم کامپوزیتی، و همچنین نیاز به تکنیکهای پیشرفته تولید محصولات صنعتی، در عرصه رقابتهای جهانی و تسلیحاتی، بویژه طراحی هواپیماهای مافوق صوت از دیگر دلایلی است که سبب کاربرد روز افزون پیکره های ساندویچی، مخصوصاًبا رویه های چندلایه گشته است. بطوریکه، در چند ساله اخیر، حیطه پیشرفت تولید ساختارهای ساندویچی ، به مثابه طرحهای ملی، درآمده است.در گذشته، قیمتهای بالای اینگونه از مواد، که آن هم ناشی از عدم روشهای مناسب تولید بود؛ کاربرد آنها را محدود می ساخت. اما امروزه، تکنیکهای ساخت، به گونه ای تحول یافته اند؛ که امکان استفاده بیشتر آنها را فراهم آورده و به همین نسبت کارهای تحقیقاتی در این زمینه با اقبال روز افزونی روبرو شده اند.برای درک بهتر ماهیت سازه های لانه زنبوری و ساندویچی بایستی مقایسه ای بتن این پیکره ها و پیکره های یک تکه معمولی بعمل آورد. پیکره ای یک تکه ای در شکل 2 و سازه ای ساندویچی در شکل 1 با وزنهای برابر در نظر گرفته شده اند. پیکره ساندویچی متشکل از دو رویه ایزوتروپیک با مدول Ef ، ضریب پواسون vf و ضخامت tf و مغزی اسفنجی یا لانه زنبوری با ضخامت hc می باشد. علت اصلی وجود مغزی در ساندویچ، ایجاد فضا بین دو رویه و در نهایت، تحمل بارهای برشی عرضی((transverse shear loads اعمال شده به سازه می باشد. ساختار تک لایه ای، شامل ماده ایزوتروپیک با مدول الاستیسیته Ef ، ضریب پواسون vf و ضخامت 2tf می باشد.[2] در جدول (1) مقایسه ای بین استحکام و مقاومت یک تک لایه و دو نمونه ساندویچ لانه زنبوری با ضخامتهای متفاوت انجام شده است.که در آن ضخامت T=1.626(mm) ، جنس مغزی از آلومینیم با چگالی p=48(kg/m3) و چسب باقدرت 1.4 (N/m2) می باشد.[12]
شکل :1 سطح مقطعی از یک سازه ساندویچی.[12] شکل :2 سطح مقطعی از یک سازه تک لایه.[12]
جدول :1 مقایسه ای بین تک لایه و دو نمونه ساندویچ بازاء مقادیر مختلف ضخامت[12]
-4 مبانی انفجار زیرآب و مدلسازی عددی
بطور کلی در اثر انفجار زیر آب میزان قابل توجهی از گاز و انرژی تولید خواهد شد که ماحصل آن یک موج شوک می باشد[45]، در این راستاگام نخست پیدایش این واکنش، انفجار مواد منفجر شونده ای چون TNT وHBX-1 در عمق آب است که پس از رخنمود آن موج شوک یاد شده به شکل امواج فشاری در ماده ی منفجر شونده انتشار می یابد. به موازات این فرآیند واکنش های شیمیایی دیگری نیز که منجر به تولید و ازدیاد امواج فشاری خواهد شد، شکل می گیرد، بطوریکه در حین این پدیده مواد منفجر شونده از فاز جامد با حرارت و فشار بسیار بالابه فاز گاز انتقال می یابند (تقریبا به ترتیب در دمای 3000 درجه ی سانتیگراد و فشار 5000 مگاپاسکال). سرعت شکل گیری این فرآیند در بدو اتفاق بر واحد نانو ثانیه و بیش از سرعت صوت می باشد، لیکن از آنجا که این واکنش در زیر آب اتفاق می افتد. این سرعت به صورت نمایی از 25000 فوت بر ثانیه به 5000 فوت بر ثانیه (سرعت صوت در آب) کاهش می یابد.[14]تفاوت اصلی انفجار در آب و هوا دینامیک هسته ی گازی حاصل از احتراق ماده منفجره می باشد (حباب) و از آنجا که آب قابلیت مهار کردن این گازها را دارا می باشد حباب تشکیل خواهد شد (شکل .[15](4-3
برای تعیین موج شوک روابط بسیاری موجود می باشد که از جمله مهمترین این روابط می توان به روابط Kirkwood-Bethe و روابط Penny اشاره نمود 13]و.[16 موج شوک در کمتر از 10e-7 ثانیه ایجاد شده و سپس به فشار هیدرواستاتیک موجود در عمق آب اضافه گردیده و به تدریج کاهش می یابد. تاریخچه ی زمانی این فشار در نقطه ی انفجار ) (Pt ) رابطه ی (1، به کمک یک فشار حداکثر (Pm) در لحظه ی آنی خود (رابطه (2 محاسبه می گردد، این فشار (Pm) تابع میزان فاصله و خرج بکار گرفته شده در ماده ی منفجره می باشد. شکل 5-3 تنزل فشار حداکثر در بازه ی یک تا 200 متر از نقطه هدف برای Kg-TNT 136 به تصویر کشیده است. در رابطه ی (1)، θ یک تنزل زمانی است و t در بازه ی صفر تا آن بیان خواهد شدو مقدار آن از رابطه ی (3) بر اساس مقدار خرج و فاصله بدست می آید، آنچه مشهود است، آنست که افزایش فاصله منجر به افزایش نمایی θ و به موازات آن کاهش (Pt ) می شود. لازم به توضیح است که در هر سه رابطه، W وزن ماده منفجره ی TNT برحسب Kg و R فاصله ی آن ماده از هدف می باشد.[13]
4
رابطه (1) بجز در مجاورت خرج ( تقریبا 10 برابر شعاع آن ) که میزان حداکثر موج شوک بیش از آنچه فرمول پیش بینی می کند می باشد، در تعیین فشار ناشی از هراندازه مواد منفجره ( از ذره ای تا مقادیر صادره از سلاح های هسته ای) که در هر عمقی منفجر گردند، بکار گرفته می شود. علاوه بر آن ضربه ی نیروی وارده بر حسب Ns/m2 و انرژی کل سیستم بر حسب J/m2 به ترتیب از رابطه ی (4) و (5) بدست می آید[13]؛
در رابطه ی (5) پارامتر های ρ و c به ترتیب چگالی آب برحسب کیلوگرم بر مترمکعب و سرعت صوت بر حسب متر بر ثانیه می باشد.
-5 مدل عددی انفجار زیرآب
در این تحقیق مدل عددی با بکار گیری نرم افزار آباکوس ساخته شده و در این راستا المان بکار گرفته شده برای سیلندر از نوع S4R (پوسته ای، چهارگرهی، روش حل انتگرال کاهش یافته) و همچنین برای شبیه سازی آب از نوع AC3D8R (آکوستیک و پیوسته، سه بعدی، 8 گرهی، روش حل انتگرال کاهش یافته)می باشد. تعداد المان های سیلندر و آب به ترتیب 3024 و 73514 المان می باشد(شکل .(3 اندر کنش آب و سازه نیز مطابق دیگر پژوهش هایی از این دست با قید Tie در نرم افزار ایجاد و تخصیص داده شده است.یکی از نتایج این تحقیق این است که کرنش اند ازه گیری شده درمدل ساخته آزمایشگاهی ونرمافزازی تطابق خوبی باهم دارند. مقایسه نتایج آزمایشگاهی وان-فاکس مرجع [17] با مدلسازی عددی درشکل4نشان داده شده است.
مقایسه نمودار های حاصل ازکار آزمایشگاهی و مدلسازی با نرمافزار آباکوس نشاندهنده تقریب خوب ومناسب ازاستفاده ازاین نرم افزار برای شبیه سازی فرآیند انفجار زیر آب می باشد.
شکل :3 آرایش کلی تست برای انفجار زیرآب وان و فاکس
شکل :4 مقایسه کرنش المان از سیلندر تحت اثر انفجار زیرآب با نتایج حاصل از نرم افزار آباکوس
با توجه به آنکه رویکرد این مقاله بررسی اثر انفجار زیرآب بر سازه ها و ساختارهای ساندویچی و لانه زنبوری می باشد، مدل هایی به منظور مطالعه پارامتری انتخاب خواهد شد. بیش از 500 گونه ساختار ساندویچی تا کنون توسط محقیقین تعریف و در صنعت بکارگرفته گرفته شده است. برخی از کاربردی ترین و فرا گیر ترین این مدل ها در سازه های زیر دریا مورد مطالعه انفجار زیر آب قرار می گیرند (شکل 5 لغایت .(9
شکل :5 ساختار ساندویچی لانه زنبوری شکل :6 ساختار ساندویچی لانه زنبوری
(مربعی) (قطری)
شکل :7 ساختار ساندویچی لانه زنبوری شکل :8 ساختار ساندویچی لانه زنبوری
(دایروی) (شش ضلعی)
شکل :9 ساختار ساندویچی لانه زنبوری (گسسته)
همانگونه که مشهود می باشد این مدل ها عباتند از ساختار زنبوری مربعی (شکل (5، مدل زنبوری قطری (شکل (6، ساختار زنبوری دایروی (شکل ( 7، ساختار زنبوری شش ضلعی (شکل (8 و ساختار زنبوری گسسته(شکل .(9 در کلیه مدل ها ورق های لایه میانی ( هسته) به میزان تقریبا یکسان 11/3 مترمربع بکار گرفته شده است. جدول 2 میزان ورق هسته در هر مدل را نشان داده است. ضخامت کلیه ورق ها اعم از رویه ها و هسته 7 میلیمتر در نظر گرفته شده است که به منظور ارزیابی اثر ضخامت هسته این عدد در تحلیل ها به 12 میلیمتر افزایش می یابد.
