بخشی از مقاله
چکیده
سازه های دریایی کاربردهای فراوانیخصوصاً در صنعت نفت و گاز دارند و تحلیل اثر انفجار زیر آب بر این سازهها میتواند کمک خوبی برای ارزیابی تأثیر حملات تروریستی و خرابکارانه بر سازههای مشابه، مانند پایههای سکوهای دریایی و اسکلهها باشد. از آنجا که انفجار زیر آب تأثیرات مخربی بر کشتیها دارد، در این مقاله به بررسی اثر انفجار بر روی آنها پرداخته شده است.
بدین منظور از تحلیل عددی استفاده و اثر انفجار به کمک روش اجزای محدود، بررسی شده است. در این شبیهسازی برای سادهسازی، کشتی به صورت یک صفحه مسطح در نظر گرفته شده است. نتایج حاصل از شبیهسازی با نتایج تستهای تجربی موجود در این زمینه مقایسه شده و اثر جرم خرج مورد مطالعه قرار خواهد گرفت. همچنین صفحات با حضور تقویتکنندهها نیز مورد ارزیابی قرار خواهد گرفت. افزودن تقویتکننده به صفحه باعث بهبود عملکرد و افزایش مقاومت صفحه در برابر انفجار میگردد.
-1 مقدمه
توسعه روز افزون استفاده از نفت و گاز در صنعت و تکنولوژی و همچنین حمل و نقل کالاها از طریق راههای آبی بیش از پیش بر اهمیت سازه های دریایی افزوده است. سازه های دریایی اعم از سکوها، اسکلهها و خطوط لوله کف دریا، علاوه بر بارهایی مانند بار باد، موج، جریان آب، جریان جزر و مدی، زلزله و بارهای مرده و زنده ممکن است تحت اثر بار ناشی از انفجار که میتواند اتفاقی و یا ناشی از حملات خرابکارانه باشد، نیز قرار بگیرند. به علت اهمیت این سازهها، مقاومت آنها در برابر بارهای ناشی از انفجار عامل مهمی در ایمنی کلی سازه است و بررسی اثر انفجار بر این سازهها در برخی مواقع ضروری به نظر میرسد.
انفجار در واقع یک واکنش شیمیایی بسیار سریع است که مواد اولیه انفجاری را به یک گاز در دما و فشار بسیار بالا تبدیل میکند. این فرآیند با نهایت سرعت و ایجاد مقدار زیادی حرارت انجام میگیرد. فشار تولید شده در حدود 5000 اتمسفر و دمای تولید شده درحدود 3000 درجه سانتیگراد میباشد. بدین ترتیب هر ماده منفجره اعم از جامد، مایع یا گازاساساً ترکیبی ناپایدار بوده که با آغاز انفجار، تغییرات شیمیایی آن را به محصول پایدارتر تبدیل میکند
انفجار زیر آب را میتوان متشکل از دو فاز مهم دانست. فاز اول در زمان خیلی کوتاهی اتفاق میافتد و شامل موج شاک - Shock Wave - که توسط محصولات انفجار تولید میگردد، میباشد. این فاز شامل یک شیب بسیار تند که بیانگر فشار میباشد و در ادامه با یک کاهش نمایی بسیار تدریجی همراه است.
موج شاک و فشار آن با حرکت شعاعی آب به سمت بیرون کاهش مییابد. سپس جرم متراکم و زیاد گاز که بعد از انفجار تولید شده، شروع به انبساط میکند و فشار آن کاهش یافته و فشار در آب نیز به سرعت افت میکند. برای مواد منفجره قوی مانند TNT، فشار شاک با یک کاهش نمایی همراه است و مدت زمان آن در بیشتر موارد، حدود میلیثانیه است. برای نمونه، سرعت اولیه موج شاک نزدیک به نقطه انفجار 3 تا 4 برابر سرعت صوت و فشار در حدود 23000 atm میباشد. هم سرعت و هم فشار موج شاک به سرعت با دور شدن از محل انفجار کاهش مییابد و در فواصل دور - بیشتر از 6 تا 10 برابر شعاع ماده منفجره - به مقدار آکوستیک یعنی مقادیر مربوط به انتشار صوت در آب - حدود - 1500 m/s میرسد
علارغم کاهش فشار ناشی از انتشار موج ضربهای، هنوز فشار بسیار بالاتر از فشار هیدرواستاتیک محل وقوع انفجار است. این فشار بالا به آب سرعتی در جهت انتشار موج ضربهای میدهد. در اثر این حرکت آب، شعاع کره گازی - حباب - با نرخ نسبتاً زیادی افزایش مییابد. انبساط حباب و افزایش شعاع آن تازمان نسبتاً زیادی - نسبت به مقیاس زمانی حرکت موج ضربهای - ادامه مییابد و فشار داخلی حباب در اثر افزایش حجم، کاهش مییابد.
انبساط حباب حتی بعد از زمانی که فشار داخل آن به فشار هیدرواستاتیک آب و فشار اتمسفر میرسد - به علت اینرسی - ادامه مییابد و در نتیجه فشار داخل حباب از فشار تعادل اطراف آن کمتر میشود. در اثر کاهش فشار داخل حباب، حرکت سیال اطراف حباب معکوس شده و حجم حباب کاهش و در نتیجه فشار درون آن افزایش مییابد. در زمانی که حباب تا حداقل شعاع فشرده شده، فشار بالا موجب انبساط مجدد آن شده و موج شوک دوم منتشر میشود.
این موج شوک دوم پالس حباب نامیده میشود. لازم به ذکر است فشارهای ماکزیمم در پالسهای فشاری 10 تا 20 درصد فشار ماکزیمم موج ضربهای اولیه هستند، اما زمان ماندگاری آنها بیشتر از زمان ماندگاری موج ضربهای اولیه است. در رابطه با پالسهای فشاری این نکته قابل ذکر است که دوری و یا نزدیکی محل وقوع انفجار، تأثیر قابل ملاحظهای بر روی شکل پالس دارد که علت این امر انعکاس و برگشت پالسهای فشاری از روی سطوح در مجاورت محل انفجار و ترکیب آنها با پالسهای ناشی از نوسانها میباشد
در بعضی مواقع بسته به شرایط مانند نزدیک بودن محل انفجار به یک سازه یا فاصله سازه از سطح آزاد ممکن است در مجاورت سازه پدیدهای به نام کاویتاسیون به وجود آید که میتواند بر روی پاسخ سازه تأثیرگذار باشد
از آنجا که حل تحلیلی معادلات حاکم برای حالات واقعی و مواردی که اغلب مهندسین با آن سر و کار دارند بسیار پیچیده است و همچنین مطالعات تجربی و آزمایشگاهی بر روی مسأله انفجار بسیار پرهزینه و خطرناک میباشد، لذا تمرکز بیشتر بر روی روشهای عددی مانند اجزای محدود ضروری میباشد. در این زمینه میتوان از نرمافزارهایی مانند LS-DYNA، AUTODYN، CHEETA و ABAQUS استفاده نمود، که بر اساس تحلیل همه این نرمافزارها روش اجزاء محدود میباشد.
از کاربردهای روش اجزاء محدود در تحلیل رفتار سازه تحت بار ناشی از انفجار زیر آب، میتوان به تحقیق انجام شده توسط جن و تای اشاره نمود.[4] در این تحقیق تغییر فرم صفحات تقویت شده تحت بار انفجار زیر آب با روش اجزاء محدود غیرخطی موردمطالعه قرار گرفته و نتایج حاصل همخوانی خوبی با روابط تجربی موجود داشته است.
در یک تحقیق مشابه نیز، سیچوکی، اثر بارگذاری انفجار زیرآب بر روی سازههای تقویت شده را با روش اجزاء محدود و به کمک نرمافزار ABAQUS مورد مطالعه قرار گرفته است .[5] در این تحقیق اثر بار ناشی از انفجار بر سازه و تکیهگاههای سازه مورد بررسی قرار گرفته است.
هونگ و همکارانش، تأثیر انفجار زیرآب را بر روی صفحات آلومنیومی بصورت تجربی و عددی مورد مطالعه قرار دادند .[6] در این تحقیق میزان ماده منفجره و فاصله آن از صفحه هدف طوری انتخاب شده است که تغییر فرم در محدوده الاستیک باقی بماند. قسمت تحلیل عددی با استفاده از کد تجاری DYNA/USA انجام شده است..
در تاریخچه بحث انفجار زیر آب میتوان به تحقیق انجام شده توسط اسپراگو و همکارانش اشاره نمود. در این تحقیق از روش اجزای محدود برای تجزیه و تحلیل رفتار یک سازه دریایی مانند کشتی، تحت بار انفجار زیر آب استفاده شده است
مطالعات انجام شده در کشور بر روی مسأله انفجار زیر آب و اثر آن بر سازههای اطراف بسیار اندک و نادر میباشد. از آن جمله میتوان به تحقیقات صورت گرفته در این زمینه در دانشگاه امام حسین - ع - توسط کریمی [8] و مظاهری در زمینه مدلسازی انفجار زیر آب [9] و همچنین امامزاده و شاهمحمدی در زمینه تحلیل اجزای محدود انفجار زیر آب 10]و[11 اشاره نمود. در هر کدام از این تحقیقات به بررسی گوشهای از موضوعات مرتبط با انفجار پرداخته شده است.
