بخشی از مقاله
خلاصه
سیستم لوله مدفون-خاک-ماده منفجره بهصورت مجزا و همبسته، به روشSPH3-FEM4 تحلیل گردید. ماده منفجره و خاک نزدیک به آن با المان های کروی SPH، لوله با المان پوسته و خاک نزدیک آن با المان های هشت گرهی FEM مدلسازی شد. ناحیه مشترک FEM-SPH با روش دوختن المانها به یکدیگر مدلسازی شد و برای لحاظ کردن اثر طویل بودن لوله و خاک دوردست، از المان های تیر برای لوله و فنر های غیرخطی خاک استفاده گردید. از مدل رفتاری سه فازه وانگ برای خاک وJWL5 برای ماده منفجره استفاده شد.
نتایج حاصل از مقایسه پاسخ لوله با دادههای آزمایشگاهی حاکی از آن بود که روش مجزا به دلیل در نظر نگرفتن بازتاب موج انفجار از لوله، تداخل امواج بازتاب شده از سطح زمین و لوله و اثر تغییر مکان و ارتعاش ذرات خاک ناشی از انفجار، خطای قابل توجهی در مقایسه با روش همبسته دارد.
کلمات کلیدی: روش همبسته SPH-FEM، لولههای مدفون، انفجار ، اندرکنش خاک و سازه
مقدمه
سیستم لولههای مدفون در شهرهای بزرگ و صنعتی وظیفه انتقال آب، سوخت و جمعآوری فاضلاب را بر عهدهدارند. انفجار که بهعنوان یکی از عوامل تخریب لولههای مدفون محسوب میشود، اثراتی مانند ضربه ناگهانی، امواج فشاری و کششی را در محیط ایجاد نموده و سازهها و موانع موجود در مسیر خود را تحت تأثیر قرار میدهد. لذا بررسی رفتار خطوط لوله مدفون به عنوان یکی از شریانهای حیاتی کشور تحت بارگذاری ناشی از انفجار، از اهمیت ویژهای برخوردار است. ماهیت دینامیکی فشار ناشی از انفجار و انتشار آن در زمین، بررسی اندرکنش این سازهها با محیط متنوع اطراف را به مسئلهاینسبتاً پیچیده تبدیل نموده است.
برخی از محققین به تحلیل و بررسی رفتار خطوط لوله مدفون تحت بارگذاری ناشی از انفجار پرداختند. اسپارزا در سال 1981 با آزمایشات تمام مقیاس و مقیاس شده روابطی برای تخمین میزان تنش و کرنش لوله ارائه داد و در آییننامه شریانهای حیاتی آمریکا برای طراحی لولهها در برابر بار انفجار مورد استفاده قرار گرفت و ریتزیس در سال 2007 با متمرکز فرض کردن بار انفجار، روشی برای حل تحلیلی کرنش ایجاد شده در لوله بر اثر انفجار سطحی ارائه نمود.
آنریبان در سال 2011 و 2012 به وسیله آزمایشات مقیاس شده توسط سانتریفیوژ و مدلسازی عددی به روش اولری-لاگرانژی به بررسی اثر انفجار سطحی بر لوله مدفون پرداخت4]و.[5 نورزاده در سال 2011 با روش تحلیل مجزا و با روش SPH و FEM به بررسی رفتار لولههای مدفون تحت اثر بارگذاری انفجار پرداخت. آقاسی در سال 2012 با تحلیل مجزا به روش FEM اثر انفجار سطحی را بر رفتار خطوط لوله مدفون بررسی نمود و پیشنهاد کرد که برای تحلیل دقیق تر مسئله نیاز به تحلیل املاًک همبسته برای بررسی رفتار خطوط لوله تحت بارگذاری انفجاری است.
در سال 2012 پاسخ دینامیکی لوله مدفون تحت انفجار نیمه مدفون را به روش عددی اختیاری لاگرانژی اول بررسی کردند. ژو در سال 2013 پاسخ دینامیکی لوله مدفون تحت انفجار سطحی را به روش عددی اختیاری لاگرانژی اولری بررسی کرد. در این مقاله، سیستم لوله خاک مادهمنفجره مدلسازی و سپس با ترکیب روش اجزاء محدود و هیدرودینامیک ذرات هموار، مسئله به صورت مجزا و کاملا همبسته تحلیل گردید و در نهایت نتایج حاصله با دادههای آزمایشگاهی صحتسنجی شد.
سیستم لوله مدفون-خاک-ماده منفجره
مسئله مورد بررسی در این مقاله، رفتار لوله مدفون تحت بارگذاری خارجی است که شامل انفجار سطحی و زیرزمینی در اعماق مختلف خاک و Exp با فاصله متفاوت از لوله است که مشخصات لوله از جمله قطر، ضخامت، نوع ماده لوله و همچنین عمق دفن لوله در آن متفاوت است. Exp نمای مسئله پیش رو،که قسمت جدا شده از سیستم واقعی لوله مدفون-خاک-ماده منفجره که دارای ابعاد گسترده است را نمایش میدهد. در این شکل Lp قسمتی از لوله مورد بررسی و L بعد خاک جلوی لوله است که بر اساس فاصله ماده منفجره از لوله متغیر است.
اصول تحلیل مجزا وکاملاً همبسته به روش SPH-FEM
در روش تحلیل مجزا، ابتدا ماده منفجره و خاک مدل میشوند. سپس بارگذاری انفجار در محل لوله استخراج میشود، در گام بعدی، لوله و خاک مدل شده و بارگذاری ناشی از انفجار که در مرحله قبل بهدست آمده است، بر لوله اعمالشده و رفتار لوله تحت این بارگذاری بررسی میشود در ناحیهای از لوله که تحت تأثیر بارگذاری ناشی از انفجار است، برای بررسی دقیق رفتار لوله، از المان پوسته و برای نواحی دیگر از المان تیر جهت لحاظ کردن طویل بودن لوله استفاده میگردد و همچنین برای لحاظ کردن دقیق اندرکنش سیستم لوله خاک در ناحیه تحت تأثیر بارگذاری ناشی از انفجار، خاک با المانهای 8 گرهی و برای نواحی دیگر از فنرهای غیرخطی وینکلر استفاده شد.
در مرحله اول این روش که ماده منفجره و خاک مدل میشود، روش تحلیل عددی خاک،مخصوصاً برای خاک نزدیک ماده منفجره اهمیت ویژهای دارد و باید روش عددی انتخاب گردد که قابلیت مدلسازی رفتار خاک را تحت شرایط کرنش بالا در زمان کوتاه - انفجار - را داشته باشد. از جمله این روشها میتوان به روش SPH نام برد. در مرحله دوم که لوله و خاک بدون حضور ماده منفجره مدل میشود، دیگر نیاز به روشی خاص، برای مدلسازی خاک نیست و میتوان از روشهای عددی مرسوم مانند روش کلاسیک FEM استفاده کرد چرا که حضور خاک در این مرحله از مدلسازی، جهت لحاظ کردن دقیق اندرکنش سیستم لوله خاک در ناحیه تحت تأثیر بارگذاری ناشی انفجار است.
نمای کلی سیستم واقعی لوله مدفون خاک-ماده منفجره
در روش تحلیل همبسته، ماده منفجره، خاک و لوله به طور همزمان مدل شده و اندرکنش ماده منفجره، موج انفجار، لوله و خاک توأمان در نظر گرفته میشود. از جمله معایب اصلی این روش سختی مدلسازی مسئله است به اینگونه که مانند روش اول برای مدلسازی خاک نزدیک ماده منفجره، باید از روش عددی مناسب که قابلیت مدلسازی رفتار خاک تحت شرایط کرنش بالا در زمان کوتاه را داشته باشد، استفاده کرد اما برای خاک نزدیک لوله این روش قادر به لحاظ کردن اندرکنش سیستم خاک لوله نیست لذا باید از روش کلاسیک FEM برای مدلسازی خاک نزدیک لوله و لوله استفاده کرد.
اما مشکل اصلی در این جا است که نحوه ارتباط دادن این دو روش مشکل است و نیاز به روشی برای ایجاد تعامل این روشهای عددی مختلف با یکدیگر برای انتقال خروجیهای گرهی از ناحیه قبلی به ناحیه بعدی مورد نیاز است.
برای لحاظ کردن اندرکنش خاک-لوله، لوله برای ناحیه نزدیک محل انفجار که اهمیت بیشتری دارد از تماس مستقیم المان پوسته لوله با المان هشت وجهی خاک استفاده شد و برای نواحی دور از انفجار، با روش تیر بر بستر وینکلر، لوله به صورت تیر و خاک به وسیله فنرهای غیرخطی مدل شد. در شکل5 چگونگی مدلسازی اندرکنش خاک-لوله و شرایط مرزی نشان داده شده است. برای اتصال دو ناحیه مدلسازی شده با المان پوسته و تیر از قیود چند نقطهای ستفاده شد.
با توجه به این که خاک، بیشترین حجم مسئله حاضر را تشکیل داده است، بنابراین بیشترین زمان تحلیل را به خود اختصاص میدهد و به دلیل اینکه خاک موجود در مسئله محل عبور موج انفجار، از ماده منفجره تا لوله است، لذا باید به گونهای مدلسازی شود که دارای دقت و زمان تحلیل مناسبی باشد. محیط خاکی موجود در مسئله به دو قسمت کلی و هر قسمت به دو بخش مانند شکل 8 تقسیم میشود. دلیل تقسیمبندی این است که برای مدلسازی خاک نزدیک ماده منفجره باید روش عددی انتخاب گردد که قابلیت مدلسازی رفتار خاک، تحت شرایط نرخ کرنش بالا را داشته باشد.
اینگونه روشها مدت زمان تحلیل بالایی را بر مدل تحمیل میکنند. همچنین برای نواحی دورتر از ماده منفجره تا نزدیکی لوله میتوان روشی را انتخاب کرد تا علاوه بر مدلسازی رفتار دقیق این ناحیه، مدت زمان تحلیل کمتری نسبت به روش قبلی داشته باشد که تا حدی زمان تحلیل کل را تعدیل کند. لذا برای خاک نزدیک ماده منفجره از روش بدون مش SPH با ذراتی با قطر کوچک استفاده شد و با دور شدن از ماده منفجره، خاک با ذرات SPH با قطر بزرگ تر و سپس با استفاده روش اجزا محدود با مشهای کوچک و سپس بزرگ مدلسازی شد.
بنابراین با گذر از ماده منفجره به لوله چهار ناحیه برای مدلسازی خاک وجود خواهد داشت. دو روش کلی برای اتصال ذرات SPH با المانهای کلاسیک FEM وجود دارد، در روش اول ذرات SPH و المانهای FEM به هم متصل میشوند به گونهای که تغییر مکان ذرات و گرههای المانهای FEM یکسان شده و نیروی ذرات موجود در مرز ناحیه، به گرههای المانهای FEM منتقل میشود. در روش دوم ذرات SPH به المانهای FEM متصل نمیشوند بلکه در سطح المانهای FEM میلغزند که در این روش نیاز به تعریف الگوریتمی برای اندرکنش لغزش ذرات SPH در سطح المانهای FEM نیاز است.[10] در این مقاله با توجه به نحوه تقسیمبندی ناحیه SPH و به دلیل سادگی روش اول انتخاب شده است. شکل 9 نحوه جفت شدن SPH-FEM را نشان میدهد.
