بخشی از مقاله
چکیده
در این مطالعه انفجار زیر آب به وسیله یک نمونه شناور تندرو کاتاماران شبیه سازی شده و رفتار و پاسخ ساختاری یک شناور تندرو مورد مشاهده گرفته است. مدل المان محدود به وسیله نرم افزار LS-DYNA مورد تحلیل قرار گرفته و روش حل در این تحقیق ALE استفاده شده است. شناور کاتاماران این تحقیق جهت بررسی اثرات سازه ایی در مواجه با تاثیرات حال انفجار زیر آب برای 80 و 100 کیلوگرم TNT به عنوان شارژ انفجاری درون عمق 8 و 10 متری در حالت سکون مدل سازی شده است.
در این تحقیق مشاهده شد با افزایش عمق و خرج انفجاری جابجایی شناور افزایش می یابد و در عمق انفجاری 8 متری با خرج انفجاری 100 کیلوگرم بازخورد سازه ایی با مقایسه استحکام طراحی و تنش وارده بر سازه می توان نتیجه گرفت سازه شناور در حالت بحرانی می باشد و بازخورد این انفجار موجب تخریب احتمالی شناور می گردد. لازم به ذکر است کاهش عمق صرفا موجب افزایش تاثیر بیشتر انفجار نخواهد شد، زیرا با کاهش عمق انفجار و با توجه به تشکیل حباب اولیه و شعاع آن در صورتی که عمق آب و حباب اولیه تداخلی داشته باشند تاثیر انفجار کاهش خواهد یافت.
مقدمه
از جنگ جهانی دوم تا کنون، شناورهای جنگی زیادی توسط انفجارهای زیر آبی مورد حمله و تخریب قرار گرفته است در بین سالهای 1950 تا 1970 انفجارهای زیر آبی زیادی اتفاق افتاد که کمک زیادی در جهت فهم مکانیزم و اثرات طرح اولیه شناورهای سطحی نمود. همچنین این امر جهت آنالیز بعضی از حوادث یا حمله های تروریستی ممکن است مفید باشد و باعث شود که بدانیم چه چیزی علت تخریب بوده و این امر چگونه رخ داده است. انفجار زیر آب خیلی بیشتر از انفجار سطح آزاد مخرب می باشد.
در 12 اکتبر سال 2000، - DDG67 - USS COLE در شرایطی که در بندر Yemeni در ادن بود در یک عملیات انتهاری به وسیله تروریست ها مورد حمله قرار گرفت. 17 دریانورد کشته شده و 39 نفر زخمی شده اند؛ و کشتی همانطور که در شکل -1الف نشان داده شده آسیب دید.کشتی به وسیله یک قایق کوچک که با 453 کیلوگرم C4 پر شده بود، مورد حمله واقع شد. این پدیده یک انفجار سطح آزاد بود چون این قایق کوچک زمانی که به بندرگاه رسید، منفجر شد. در 26 مارس سال 2010 کشتی جنگی - PCC-772 - Cheonan مورد حمله واقع شد و در آبهای غرب کره غرق شد.
49 دریانورد و افسر کشته شدند و کل کشتی قطعه قطعه شد. همنطور که در شکل -1ب نشان داده شده است این حمله یک انفجار زیر آبی بود که توسط یک اژدر با حدود تخمینی 300 کیلوگرم TNT صورت گرفت. قدرت تخریبی این انفجار تقریبا مربوط به سرعت انفجار می باشد. C4 یک نوع پودر سلاح است به همین علت سرعت تخریبی کمتری نسبت به TNT دارد. همچنین کشتی جنگی Cheonan توسط حجم کمتری از مواد منفجره نسبت به USS COL مورد حمله قرار گرفت، اما نتیجه آن کاملا متفاوت بود
شکل :1 الف-کشتی جنگی[2] - DDG 67 - USS COLE ب-[1] - PCC -772 - Cheonan
معرفی شناور دوبدنه
برای رسیدن به سرعت های بیشتر از فرم بدنه کاتاماران استفاده می گردد. کاتاماران ها ترکیبی از پیوند دو بدنه هستند که اسکلت خاصی را به خود اختصاص می دهند. شکل 2 تصویری از یک شناور دوبدنه تندرو می باشد.
شکل :2 یک شناور کاتاماران تندرو
این نوع شناور توانایی حرکت با سرعت های بسیار بالا در عین حال پایداری مطلوب را دارا می باشد. شناورهای دو بدنه یا کاتاماران ها به دلیل طراحی خاصی که دارند سطح عرشه بزرگتری داشته و کارایی بهتری را دارند. شناور کاتاماران برای نیروی دریایی دارای مزایای زیر می باشد :[4] شناور کاتاماران برای مقابله با تهدیدات مزایای بارز متعددی در طراحی خود دارا می باشد. فرم بدنه کاتاماران های پر سرعت به دلیل شرایط خاص طراحی در سرعت بالا قادر هستند که از مشکلات احتمالی مانند تهدیدات دشمن دوری نمایند.
آزماشهای ارتعاشی زیر آبی فراوانی به وسیله نیروی دریایی نشان داده اند که شناورهای دارای کانال هوایی - بالشتک هوایی - نسبت به بدنه های متداول و قدیمی با مکانیزم ضربه ناشی از ارتعاش زیر آبی به صورت عایق عمل می کنند.
همچنین این کانال هوایی - بالشتک - به عنوان یک سد جلوگیری کننده از هوا نسبت به انتقال صدا به درون آب و نیز کاهش شناسایی کشتی به وسیله زیر دریایی ها، اژدرها و مین ها عمل می کند. شناورهای کاتاماران به دلیل آبخور کم در تمامی آبها می توانند حرکت کنند در صورتی که شناورهای دیگر که آبخور زیادی دارند چنین توانمندی را ندارند. آبخور کم موجب می گردد تا شناور در مقابل اژدرها و یا مین های دریایی توانمندتر عمل نماید. با افزایش تعداد خدمه پایداری شناور افزایش می یابد. تجهیزات جنگی نصب شده بر روی این شناورها عملکرد بهتری به دلیل افزایش سطح عرشه و پایداری در شرایط مختلف دریایی دارا می باشند
موج ضربه ایی
اولین علت تخریب شناورها در آب بر اثر یک انفجار رسیدن موج فشاری یک ماده منفجره در مرز آب می باشد. بلا فاصله بعد از رسیدن آن، این فشار که برای 1.37E+10 N/m2 TNT می باشد، شروع به آزاد شدن با یک موج فشاری شدید کرده و منجر به حرکت رو به خارج آب می شود. توده بی نهایت فشرده گاز هنگامی که انفجار یا سوختن کامل شده و سپس شروع به گسترش می کند، محیط را ترک می نماید؛ در ادامه فشار آن کاهش یافته و همچنین فشار داخل آب نیز به سرعت کاهش می یابد. در مورد انفجار مواد منفجره قوی از قبیل TNT، افزایش فشار به دلیل اهداف عملی تداوم پیدا نمی کند، و سپس به دنبال آن با یک کاهش تصاعدی سریع حداکثر چند میلی ثانیه خاتمه می یابد .[5] قطعا این طرح ها نمایشگر شرایط در سه بازه زمانی هستند. منحنی فشار-زمان در فاصله داده شده از انفجار همان شکل همیشگی را خواهد داشت، و فشار به دست آمده در فاصله های 1/5 - 50 متر - و 15 - 500 متر - فوتی در شکل 3 نشان داده شده است.
شکل :3 منحنی فشار-زمان موج ضربه ایی در دو فاصله از 136 کیلوگرم شارژ [3] TNT
شکل داده شده به سایز مشخصی از شارژ مربوط می شود و طبیعی است چه نتیجه ایی در مورد دیگر سایزهای شارژ به دست خواهد آمد. به عبارت دیگر، چه قوانین اندازه گیری ممکن است مورد استفاده قرار گیرد. جواب در مورد موج ضربه ای بسیار ساده است و به وسیله اصل تشابهات به دست می آید، به این صورت که اگر سایز خطی شارژ به وسیله فاکتور k تغییر کند، شرایط فشار در صورتی که فاصله جدید و معیارهای زمان k برابر اندازه های اولیه مورد استفاده قرار گیرند، بدون تغییر خواهند بود
چهار ویژگی در مورد موج ضربه ایی وجود دارد که وقتی شبیه سازی می شوند از جذابیت زیادی برخوردار هستند. این چهار ویژگی شامل فشار بیشینه، نمودار فشار-زمان، ایمپالس موج ضربه ایی، و دانسیته فلاکس انرژ ی موج ضربه ایی می باشد
جدول 1 ضرایب تناسب های شبیه سازی شده در مورد TNT که در این مطالعه مورد استفاده قرار گرفته است را نشان می دهد .
کاویتاسیون
موج ضربه ای به صورت فشاری ظاهر می شود. یک موج انبساطی که ذاتا کشسان می باشد، زمانی ایجاد می شود که موج ضربه ای از سطح آزاد منعکس می شود. زمانی که آب قادر به تحمل میزان مشخصی از فشار نمی باشد، زمانی که فشار به صفر یا زیر صفر می رسد کاویتاسیون رخ خواهد داد. در زمان رخ دادن کاویتاسیون، فشار آب تا حد فشار تبخیر آب - در حدود 0.3psi یا - 0.020414atm افزایش پیدا می کند. این منطقه کاویتاسیون که به وسیله موج انبساطی ایجاد می شود به عنوان منطقه کاویتاسیون توده ایی شناخته می شود
شکل 4 یک نمونه از منطقه کاویتاسیون توده ای را نشان می دهد، در شکل منطقه کاویتاسیون نسبت به محور عمودی قرینه می باشد. اجزای آب که در پشت موج ضربه ای در حال انتشار قرار دارند بر اساس موقعیت آنها نسبت به شارژ و سطح آزاد در زمان کاویتاسیون دارای سرعت های متفاوتی می باشند
شکل :4 منطقه کاویتاسیون توده ای
مرز فوقانی کاویتاسیون شامل نقاطی می باشد که موج انبساطی از آن عبور می کند و فشار مطلق را به صفر یا مقادیر منفی کاهش می دهد. آن منطقه تا زمانی به صورت کاویته باقی می ماند که فشار در حد کمتر از فشار تبخیر آب باشد. فشار کل یا مطلق که مشخص کننده مرز فوقانی می باشد، ترکیبی از فشار اتمسفر، فشار هیدرواستاتیک، رخداد فشار موج ضربه ای، و فشار موج انبساطی می باشد .مرز تحتانی کاویتاسیون به وسیله برابر شدن سرعت فشار شکست با سرعت فشار مطلق مشخص می شود.
