دانلود رایگان مقاله تجزیه و تحلیل انتشار موج انفجار داخل تونل
چکیده
انفجار داخل تونل باعث ایجاد موج انفجار گردیده که از طریق تونل طولی انتقال میابد. بدلیل تاثیرات محیطی تونل و انعکاس ساختار تونل محصور، انتشار موج انفجار درون تونل در هوا قابل تشخیص است. هنگام انفجار درون تونل، حداکثر اوج فشار بیشتر از انفجار رخ داده در هوا می باشد. زمان تداوم موج انفجار طولانی تر می-شود. با کمک شبیه سازی مؤلفه نرم افزار محدود LS-DYNA، تجزیه و تحلیل شبیه سازی پویای غیر خطی سه-بعدی برای آزمایش انفجار درون تونل انجام گرفت. LS-DYNA یک برنامه تجزیه و تحلیل جامع بوده که برای دینامیک غیر خطی و مسائل تغییر شکل نسبی بزرگ طراحی شده است. در مقایسه با نتایج آزمایشی، نتایج شبیه سازی دستیابی به پارامترهای مادی مدل شبیه سازی عددی را ممکن ساخته است. با استفاده از مدل و پارامترهای مادی، بسیاری از نتایج با توجه به محاسبه مدل مورد نظر بموجب انفجار دینامیت TNT اتخاذ می گردد. شیوه تجزیه و تحلیل ابعادی برای نتایج شبیه سازی مورد استفاده قرار گرفت. از آنجاییکه که فشار بیش از حد موج انفجار فاکتور حاکمه در واکنش های تونل می باشد، یک فرمول برای فشار بیش از حد موج انفجار در فاصله مشخص از مرکز انفجار ناگهانی درون تونل با استفاده از تئوری تجزیه و تحلیل ابعادی مشتق شده است. با مقایسه نتایج محاسبه شده توسط فرمول بوسیله نتایج آزمایشی بدست آمده از قبل، فرمول مورد نظر در برخی موارد کاربرد دارد. این پژوهش می تواند در برآورد تأثیر انفجار درون تونل بر ساختار به ما کمک کند.
ساختارهای تونل بطور گسترده در مهندسی عمران و مهندسی نظامی مورد استفاده قرار گرفته است. در مهندسی نظامی، احتمال اینکه دینامیت در تونل منفجر گردد با توسعه هدایت دقیق تکنولوژی و بهبود سلاح نفوذ به زمین افزایش میابد. در مهندسی عمران احتمال اینکه بمب درون تونل بطور تصادفی یا توسط تروریست منفجر گردد با توجه به توسعه ساختار مترو و راه آهن زیر زمینی در حال افزایش است. تجزیه و تحلیل انتشار موج انفجار درون تونل از اهمیت فراوانی است. موج انفجار بدلیل محدودیت دیوار تونل زمانی که دینامیت در آن منفجر می گردد، بطور مکرر در تونل انعکاس پیدا می کند. تأثیر محیطی تونل باعث افزایش فشار بیش از حد موج انفجار و زمان استمرار آن می گردد. قانون جریان صدای انفجار در تونل با قانون جریان آن در هوا متفاوت است. بسیاری از شبیه سازی و آزمایش ها جهت بررسی قانون انفجار درون تونل در خارج و داخل انجام گرفته است.
سومین موسسه تحقیقاتی گروه مهندسان آزمایشات انفجار بسیاری درون تونل انجام داده و دچار امواج شوک تاریخی گردیدند. آنها همچنین فرمول هایی را برای کاهش فشار بیش از حد موج انفجار به عنوان نتایج آزمایشی ارائه کردند. آنها همچنین فرمول کاهش فشار بیش از حد موج انفجار را به عنوان نتایج آزمایشی ارائه نمودند. Yang و همکاران شبیه سازی عددی را برای میدان جریان انفجار شیمیایی درون تونل بوسیله شبیه سازی عددی سه-بعدی، فرمول های حداکثر فشار و زمان موج شوک را در نظر گرفتند و نتایج آزمایشی تأیید شده بدست آمد. ایستگاه تجهیزات مسیر آب های مهندس ارتش ایالات متحده آزمایشی انجام داد که دینامیت در مدل تونل فولادی داخلی و خارجی با شعاع درونی 24.3 cm منفجر می گردد. Choi یک تونل زیر زمینی در معرض انفجار های دینامیت مختلف را با استفاده از نرم افزار AUTODYN پویای شبیه سازی عددی محاسبه نمود. آنها بمنظور بدست آوردن تغییر کل نسبی ساختار منحنی کاهش موج انفجار و روش ساده را ارائه دادند.
در این مقاله محاسبه شبیه سازی عددی برای انفجار درون تونل بوسیله LS-DYNA ایجاد گردید. مدل مؤلفه محدود و پارامترهای مواد بوسیله مقایسه نتایج شبیه سازی با نتایج آزمایشی مناسب بنظر می رسید. با توجه ادغام نتایج شبیه سازی با تجزیه و تحلیل ابعادی، فرمول کاهش فشار بیش از حد موج انفجار در فاصله مشخصی از مرکز دینامیت استنتاج گردید. همچنین مقایسه بین نتایج فرمول و نتایج آزمایشی مورد بحث و بررسی قرار گرفت. امیدوار هستیم که این مقایسه برای تجزیه و تحلیل انتشار موج انفجار درون تونل های سودمند باشد.
1. مدل مؤلفه محدود و پارامترهای مواد
1.1 مدل مؤلفه محدود
بدلیل اینکه مقالات در مورد آزمایش های انفجار درون تونل محدود هستند، از آزمایش مورد نظر در منبع و مرجع [7] استفاده کردیم. طول مدل مؤلفه محدود 10 متر می باشد. بخش مورد نظر تونل زیر زمینی با سقف قوس دار است (شکل 1 را مشاهده نمایید).
1.2 پارامترهای مواد
پارامترهای مواد برای شبیه سازی عددی از اهمیت بالایی برخوردار هستند. پارامترهای اصلی مواد در مورد دینامیت و هوا هستند. در شبیه سازی MAT_HIGH_EXPLOSIVE برای دینامیت و MAT_NULL برای هوا در نظر گرفته شده اند.
Abstract
The explosion inside tunnel would generate blast wave which transmits through the longitudinal tunnel. Because of the close-in effects of the tunnel and the reflection by the confining tunnel structure, blast wave propagation inside tunnel is distinguished from that in air. When the explosion happens inside tunnel, the overpressure peak is higher than that of explosion happening in air. The continuance time of the blast wave also becomes longer. With the help of the numerical simulation finite element software LS-DYNA, a three-dimensional nonlinear dynamic simulation analysis for an explosion experiment inside tunnel was carried out. LS-DYNA is a fully integrated analysis program specifically designed for nonlinear dynamics and large strain problems. Compared with the experimental results, the simulation results have made the material parameters of numerical simulation model available. By using the model and the same material parameters, many results were adopted by calculating the model under different TNT explosion dynamites. Then the method of dimensional analysis was used for the simulation results. As overpressures of the explosion blast wave are the governing factor in the tunnel responses, a formula for the explosion blast wave overpressure at a certain distance from the detonation center point inside the tunnel was derived by using the dimensional analysis theory. By comparing the results computed by the formula with experimental results which were obtained before, the formula was proved to be very applicable at some instance. The research may be helpful to estimate rapidly the effect of internal explosion of tunnel on the structure.
The tunnel structures are widely used in the military and civil engineering. In the military engineering, the possibility that the dynamite explodes in the tunnel is increasing with the development of precision guidance technology and the improvement of earth penetrating weapon[1]. In the civil engineering, thus, the likelihood that the bomb explodes in the tunnel by the terrorist or accidentally is also increasing with the development of the subway and underground structure. The analysis of blast wave propagation inside tunnel has great significance. The blast wave reflects repeatedly in the tunnel because of the limit of tunnel wall when the dynamite explodes in tunnel. The tunnel close-in effect makes the overpressure of tunnel blast wave increase and continuance time of the blast wave longer. The law of the blast transmitting in the tunnel is different from that in the air. A lot of experiments and simulation were made to study the law of the blast inside tunnel abroad and in.
The Third Research Institute of the Corps of Engineers carried out many explosion experiments inside tunnel and got lots of shock waves time histories. They also gave formulas for overpressure decline of the blast wave as the experimental results[2—4]. Yang et al[1] supposed numerical simulation for flow field of chemical explosion inside tunnel by means of three-dimensional numerical simulation, formulas for shock wave overpressure peak and duration, which were verified by experimental results, were obtained. US army engineer waterways experiment station made the experiment that the dynamite explodes at internal and external steel tunnel model with inter radius of 24.3,cm[5]. Choi calculated a real subway tunnel subjected to different dynamite explosions by using numerical simulation dynamic software-AUTODYN[6]. Also they gave the blast wave declining curve and simple-method to get the structure strain.
In this paper, the numerical simulation calculation for the explosion inside tunnel was made by means of LS-DYNA. The finite element model and parameters of material were proved to be appropriate by comparing the simulation results with experimental results. Combining the simulation results with the dimensional analysis, the blast wave overpressure decline formula at a certain distance from the dynamite center was derived. Also comparison between the formula results and the experimental results were discussed. We hope that could be useful to the analysis of blast wave propagation inside tunnels.
1 Finite element model and parameters of material
1.1 Finite element model
Due to the papers about the explosion experiments inside tunnel are limited, we use the experiment in Ref.[7]. The length of the finite element model is 10,m. The section is arch-roofed underground tunnel (see Fig.1).
1.2 Parameters of material
The parameters of material are very important for numerical simulation. The main parameters of material are about the dynamite and the air[8]. In the simulation MAT_HIGH_EXPLOSIVE is adopted for the dynamite and MAT_NULL for the air.
چکیده
1. مدل مؤلفه محدود و پارامترهای مواد
1.1 مدل مؤلفه محدود
1.2 پارامترهای مواد
2. مقایسه بین محاسبه FEM و نتایج آزمایشی
3. قانون تضعیف حداکثر فشار بیش از حد موج انفجار در تونل
4. نتایج
منابع
Abstract
1 Finite element model and parameters of material
1.1 Finite element model
1.2 Parameters of material
2 Comparison between the FEM calculation and the experimental results
3 Attenuation law of overpressure peak of blast wave in tunnel
4 Conclusions
Reference