авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 |

«На правах рукописи ГОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» ТРОПКИН СЕРГЕЙ НИКОЛАЕВИЧ ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ ...»

-- [ Страница 2 ] --

Перемычки из конвейерной ленты и автомобильных шин крепятся к стенкам выработки с помощью анкерных болтов. Автомобильные покрышки поочередно огибают тросом, который крепится к стенкам выработки.

Разрушаемые устройства выполняют из воды (гидравлические перемычки).

Для ослабления ударной волны рекомендуется эти устройства устанавливать в непосредственной близости от заряда взрывчатого вещества, где большое давление и высокая температура газов. Энергия ударной волны при взаимодействии с гидравлической перемычкой тратится на дробление воды на капли, нагрев и испарение воды, а также на перемещение водовоздушного поршня по выработки.

Данный тип защитного устройства не применим для объектов нефтегазовой отрасли по следующим причинам: защитное устройство должно находится в непосредственной близости от источника взрыва – что не является точно определенным в случае аварийной ситуации. Данный тип защитного устройства не может реализовать все механизмы поглощения энергии на открытых площадках, а также не обеспечивает возможность круглогодичной эксплуатации (замерзание воды).

Вопросами обеспечения защиты от взрывных волн в военном деле занимается наука о фортификации. В работе [43] приводятся типы иcпользуемых инженерных мероприятий для защиты личного состава от оружия массового поражения.

Обеспечение безопасности заключается в устройстве фортификационных сооружений. Для личного состава оборудуются открытые и перекрытые щели, окопы, траншеи, ходы сообщения, блиндажи и убежища, для вооружения и военной техники – окопы и укрытия.

Простейшие сооружения открытого типа – окопы, щели, траншеи и ходы сообщения с устроенными над ними увлажненными грунтовыми перекрытиями значительно снижают поражающее воздействие ударных волн и пр. Однако наличие подобных конструкций на территориях объектов нефтегазовой отрасли запрещено в соответствии с ПБ 09-540-03.

Наибольшую защиту личного состава от оружия массового поражения обеспечивают сооружения закрытого типа – блиндажи и убежища.

Перечисленные способы защиты от ударных волн применимы при возведении вновь создаваемых объектов нефтегазовой отрасли, но при этом являются капитальными, и в случае бункеров требуют значительных затрат на возведение.

В науке о гражданской обороне рассматриваются вопросы обеспечения безопасности мирного населения от возможных средств массового поражения.

Подробно вопросы защиты от поражающих факторов взрывных волн приведены в работах [21], [25], [31]. В работе [31] приводятся требования и классификация убежищ гражданской обороны.

Убежища гражданской обороны предназначены для защиты людей от оружия массового поражения – взрыва ядерного боеприпаса. Эти сооружения должны так же обеспечивать защиту от вторичных факторов, обусловленных действием ударной волны и светового излучения ядерного взрыва. К вторичным факторам относятся: воздействие обломков разрушающихся зданий, взрывы сжиженных газов и нефтепродуктов при разрушении технологических емкостей и резервуаров.

Убежища гражданской обороны классифицируются по параметрам, зависящим от времени и условий возведения сооружений, степени защиты, вместимости и пр. По времени возведения убежища подразделяются на заблаговременно возведенные и возведенные в особый период, как правило, в короткие сроки.

Убежища, возведенные заблаговременно характеризуются значительными пролетами несущих конструкций и высотой помещений. Они возводятся из сборного, сборно-монолитного и монолитного железобетона. Допустимо применение каменной кладки.

Убежища, возводимые в особый период и короткие сроки, имеют меньшие пролеты и высоту помещений. Характерным для подобных убежищ является применение в ограждающих и несущих конструкциях подручных материалов и изделий из сборного железобетона, дерева, металла и пр.

Убежища бывают отдельно стоящими и встроенными, по вертикальной посадке – заглубленными, полузаглубленными и возвышающимися.

Таким образом, убежища гражданской обороны представляют собой сооружения бункерного типа, напрямую предназначенные для обеспечения безопасности персонала и оборудования. Проведенный анализ литературы не позволил выявить в рамках данной отрасли знаний специальных отдельно стоящих конструкций, обеспечивающих защиту других объектов от воздействия ударных волн.

В рамках промышленной безопасности вопросам защиты сооружений от воздействия ударных волн посвящены работы [1], [2], [3], [29], [30], [35].

В работах [14] и [50] рассматриваются активные средстве пожаротущения и взрывоподавления. В работе [7] и [69] приводятся рекомендации по обеспечению взрывозащиты на уровне технологических цепочек и организации производства.

На основе проведенного анализа источников можно сделать вывод, что в рамках науки о промышленной безопасности исследуется величина повреждений, вызванных воздействием взрывных волн на оборудование предприятий, предупреждение возникновения аварийных сценариев, приводящих в взрыву.

Отдельно нужно отметить класс задач, для которого в существующей литературе применяется понятие взрывозащиты.

В [51] приводится ее определение:

Взрывозащита – меры, предотвращающие воздействие на людей опасных и вредных факторов взрыва и обеспечивающие сохранение материальных ценностей. Взрывозащита может быть обеспечена: упрочнением стенок аппаратов, оборудования, трубопроводов или ограждающих строительных конструкций помещений;

установлением минимальных количеств взрывоопасных веществ, применяемых в данных производственных процессах;

применением огнепреградителей, гидрозатворов, водяных и пылевых заслонов, инертных (не поддерживающих горение) газовых или паровых завес;

применением оборудования, рассчитанного на давление взрыва;

защитой оборудования от разрушения при взрыве с помощью устройств аварийного сброса давления (предохранительные мембраны и клапаны);

применением систем активного подавления взрыва, а также средств предупредительной сигнализации.

Таким образом под взрывозащитой в первую очередь понимают защиту от взрывов, происходящих внутри производственных помещений. В работах [12], [47], [49], [89] и [98] описываются легко сбрасываемые конструкции для взрывозащиты промышленных зданий.

В данном случае задача получается обратной, от той, что ставится во главе исследования – наиболее критической становится необходимость недопущения передачи энергии ударной волны конструкциям здания внутри него, что может привести к его обрушению. Для этого в конструкции зданий используются легко сбрасываемые конструкции, обеспечивающие свободный выход энергии взрывной волны за пределы здания. В то же время данное условие приводит к снижению прочности здания на случай воздействия внешней ударной волны.

Таким образом, на основании анализа источников из различных отраслей знаний не удалось найти пример конструкции или рекомендации по возведению защитных устройств, обеспечивающих безопасность персонала и оборудования в сооружениях на открытых площадках.

В работе [55] разрабатывается и обосновывается защитная конструкция из железобетона (Рисунок 8). Защитная конструкция представляет собой ряд последовательно возведенных бетонных стен перед защищаемым объектом.

Конструкция позволяет значительно снижать давление на фронте ударной волны, приходящейся на защищаемый объект.

1 а 1 – защитное устройство, 2 – операторное здание Рисунок 8 – Защитное устройство из железобетона (размеры указаны в мм) Главной особенностью данной конструкции является соотношение ее геометрических размеров – ширина в основании защитного устройства очень часто совпадает с его высотой. Данный фактор приводит к необходимости при возведении использовать большую площадь территории производственного объекта. Несмотря на то, что установка одной стены требует лишь небольшой площади, задача установка двух стен одна за другой на некотором расстоянии в условиях плотной застройки и загромождения объекта технологическими трубопроводами может быть весьма проблематичной или же вообще неосуществимой.

Помимо выявленного недостатка – значительной занимаемой площади для размещения, у защитных сооружений данного типа существует другой недостаток – в случае аварийной ситуации они повреждаются, либо же разрушаются, и соответственно не пригодны для дальнейшего обеспечения безопасности.

Так же, для определения существующих типов защитных устройств был произведен патентный поиск.

В патенте RU2490590C2 «Средство защиты объекта от взрывного воздействия», принадлежащему коллективу авторов (Берденников Н. С., Чижевский В. В. Дульнев А. И.) предлагается защитная конструкция в виде трехслойной металлической панели (Рисунок 9).

Рисунок 9 – трехслойная металлическая панель.

Средство защиты объекта от взрывного воздействия представляет собой трехслойную металлическую панель, состоящую из сваренных между собой наружного несущего листа, обращенного в сторону воздействия, внутреннего несущего листа, обращенного в сторону защищаемого объекта, и расположенного между ними гофрированного среднего слоя. Между внутренним несущим листом и вершинами гофрированного среднего слоя выполнено ослабленное соединение посредством точечного сварного шва, при котором прочность соединения на отрыв указанных слоев ниже прочности упомянутого несущего листа.

Изобретение позволяет повысить стойкость панелей к воздействию взрыва и защищенность помещений.

Особенностью данной конструкции является ее закрепление непосредственно на защищаемом объекте. Этот фактор ограничивает использование данной конструкции на сооружениях с плоскими стенами, и невозможность ее применения для защиты оборудования с корпусами цилиндрических и сферических форм.

К недостаткам данной конструкции можно отнести ограниченное снижение давления на фронте ударной волны в следствие используемого механизма – разрушение панели в процессе деформации. В свою очередь защитная конструкция является разрушаемой и не подразумевает дальнейшее использование.

В патенте RU2373490C2 «Устройство для ослабления энергии ударных воздушных волн», принадлежащему коллективу авторов (Вохмянин В. В., Ганиев Ю. Х., Осипов О. С., Шимарев С. К., Красенков Г. И., Третьяков П. В. ) предлагается для снижения давления на фронте ударной волны использовать устройство, состоящее из системы отрезков цепей, крепящихся к стенкам горной выработки. Данный тип конструкции не предназначен для обеспечения защиты на открытых пространствах объектов нефтегазовой отрасли.

В патенте RU2326342C2 «Устройство для защиты конструкции от ударной волны», принадлежащего коллективу авторов (Махутов Н. А., Кузеев И. Р., Кузеев М. И., Чиркова А. Г., Тляшева Р. Р.) описывается устройство для защиты конструкции от ударной волны, состоящее из защитного экрана, выполненного в виде пластины, имеющей несферическую кривизну, например, цилиндрическую и криволинейную поверхность, например, волнообразную. Пластина установлена внутренней стороной кривизны навстречу ударной волне и размещена между фундаментом и неподвижно установленной на фундаменте опорной стеной.

Внешняя сторона пластины, обращенная к стене, прикреплена к ней рядом пружин сжатия, а внешняя сторона пластины, обращенная к фундаменту, свободно опирается на подвижную опору, например, трубу, размещенную на фундаменте. Устройство позволяет осуществить защиту конструкции от разрушительного действия ударной волны. Чертеж принципиальной схемы защитного устройства показан на Рисунок 10.

Рисунок 10- защитное устройство – патент RU2326342C2.

Единственным недостатком данного защитного устройства является площадь, необходимая для его монтажа. Для вновь возводимых объектов нефтегазовой отрасли это не является проблемой – на этапе проектирования можно выделить на территории площадки необходимые площади. Однако размещение на устоявшихся загроможденных производственных объектах может быть проблематичным ввиду отсутствия необходимых площадей.

На сайте компании ЗАО «ВСТ-Спецтехника» [66] приводится описание технических средств защиты стен зданий и сооружений от воздействия взрывных волн, разработанные компанией M.I.P. Security (Израиль). Представлены технические средства трех типов:

1) Система №1 базируется на использовании баллистической ткани специального плетения, которая покрывает всю внутреннюю поверхность стены и закрепляется к потолку и полу с помощью специально разработанных ЭАЭ. Отличается длительным (15–20 лет) сроком службы, удобством монтажа и минимальными установочными габаритами. Конструктивная схема представлена на Рисунок 11 (а).

2) Система №2 – основана на применении рифлёной стальной панели, которая крепится к полу и потолку с использованием системы со специально разработанными ЭАЭ. Не имеет ограничений по долговечности и может без технического обслуживания сохранять свои свойства в течение десятилетий. Конструктивная схема представлена на Рисунок 11 (б).

3) Система №3 – использует все основные компоненты системы № с очень важным дополнением – специально разработанной стальной сеткой, использующей такую же систему закрепления с ЭАЭ, связанную с боковыми стенами, потолком и полом. Конструктивная схема представлена на Рисунок 11 (в).

А) б) в) Рисунок 11 – Конструктивные схемы защитных систем Представленные конструкции эффективны для защиты стеновых проемов зданий при локальном внешнем или внутреннем взрыве, но не могут обеспечить защищенность при воздействии взрывной волны на все здание.

На основании проведенного исследования патентов, диссертации и литературных источников выявлена и подтверждена необходимость в создании нового типа защитной конструкции.

2.3 Конструкция и особенности предлагаемого защитного устройства Для решения обозначенных задач предлагается новый тип устройства, обладающий всеми выше перечисленными свойствами. Основные особенности конструкции и поведения защитного устройства изложены автором в работах [68], [73], [74], [75].

Конструкция защитного устройства представляет собой сварную стальную ячеистую перегородку, состоящую из балочных профилей, стальных листов и разрушаемых элементов – гасителей (Рисунок 12). Защитное устройство рассеивает энергию ударной волны за счёт ее частичного отражения, а также за счёт поглощения энергии ударной волны в специальных ячейках – гасителях.

Гаситель представляет собой набор, особым образом расположенных стальных листов, формирующих канал типа «гребенка», обеспечивающих при его прохождении снижение давления на неотраженной части фронта ударной волны за счёт множественного переотражения волны, создаваемом «гребенкой» канале.

При прохождении ударной волны гасители могут упруго-пластически деформироваться, и за счёт этого так же обеспечивать поглощение энергии ударной волны. Таким образом, после прохождения взрывной волной защитной конструкции значительно снижается давление на её фронте. За счёт этого обеспечивается безопасность оборудования и персонала объектов эксплуатации нефтегазовой отрасли, и соответственно, его эффективность.

Данное защитное устройство является отдельно стоящим и требует весьма ограниченного пространства для его размещения. Для монтажа защитного устройства требуется возведение компактного ленточного либо свайного фундамента, к которому устройство крепится с помощью анкерных болтов.

Данные факторы обеспечивают его компактность.

Многоразовая эксплуатация защитного устройства достигается возможностью замены разрушенных блоков-гасителей на новые в случае их повреждения. Основные же несущие конструкции защитного устройства проектируются со значительными запасами по прочности, чтобы выдерживать воздействие избыточного давления ударной волны, превышающего 100 КПа.

Рисунок 12- принципиальная схема защитного устройства Помимо этого, защитное устройство весьма технологично в производстве. В отличии от железобетонных защитных сооружений, данное защитное устройство может быть заранее произведено на специализированном предприятии. Таким образом, при его серийном производстве можно существенно упростить и удешевить производственный процесс. Данный фактор позволяет провести минимизацию себестоимости защитного устройства.

Защитное устройство может быть доставлено для монтажа на предприятие в уже полностью готовом виде. Возможность демонтажа позволяет в случае необходимости перемещать устройство между различными защищаемыми объектами. Данный фактор обеспечивает быстроту его возведения.

Долговечность устройства обеспечивается его изготовлением в условиях специализированного предприятия, позволяющее повысить качество сборочных работ – сварки и обеспечить коррозионную стойкость изделия за счёт нанесения на него защитных лакокрасочных покрытий.

Необходимо подтвердить предполагаемые свойства защитного устройства путем анализа взаимодействия защитного устройства с ударной волной.

2.4 Выводы по Главе Произведена оценка параметров ударной волны, а также оценка применимости существующих методик определения параметров ударных волн на основании энергонасыщенности объекта, сценария развития аварийной ситуации, приводящей к взрыву. Выбрана расчётная методика для определения параметров ударных волн.

Сформирован перечень свойств, которыми должно обладать защитное устройство для объектов нефтегазовой отрасли.

Произведен обзор литературных источников из различных отраслей и патентный поиск существующих вариантов защитных сооружений, обеспечивающих защиту от воздействия ударной волны. Выявлены основные недостатки существующих типов защитных устройств относительно их применения к объектам эксплуатации в нефтегазовой отрасли.

Предложена принципиальная конструктивная схема защитного устройства, удовлетворяющая всем сформулированным свойствам для защитных устройств, обеспечивающих безопасность объектов нефтегазовой отрасли от воздействия взрывных волн.

Глава 3 Метод исследование поведение защитного устройства при действии ударной волны Для определения конструктивных параметров и эффективности снижения давления на фронте ударной волны, предложенного в Главе 2 защитного устройства, необходимо детально исследовать его газодинамические и прочностные свойства.

3.1 Анализ существующих методов Для анализа поведения защитного устройства под действием ударной волны возможно использовать три метода исследования:

• Проведение экспериментального исследования • Поиск аналитического решения • Создание имитационной модели на основе технологий численного моделирования.

Экспериментальное исследование является наиболее достоверным с точки зрения получаемых результатов. Реальная конструкция подвергается нагружению ударной волной, и с помощью регистрирующей аппаратуры исследуются свойства конструкции. Однако, проведение натурного эксперимента является крайне дорогостоящим, долговременным. При экспериментальном исследовании возможно рассмотреть лишь узкий круг защитных устройств с различными конструктивными параметрами. Ограничивающим фактором оказывается высокая стоимость проведения подобного исследования.

Возможно исследование конструкции с помощью аналитических моделей, на основе механики твердого деформированного тела, газодинамики и теории ударных волн.

Существует множество работ, в которых приводятся аналитические методы анализа воздействия взрывных волн на различные объекты. Данные методы приводятся в работах [5], [8], [11], [15], [18], [22], [26], [28], [45], [54], [60], [78].

В последние годы дополнительные исследования в области прочности конструкций при воздействии взрывных волн были проведены в работах [4], [23], [40], [41], [44], [46], [52].

Исследование поведения ударных волн и взаимодействия их с преградами представлены в работах [10], [19], [20].

Однако, методики, изложенные в упомянутых выше источниках, позволяют оценить либо прочностную задачу воздействия ударной волны на конструкцию, либо же газодинамическую задачу обтекания взрывной волной препятствия без учета его деформирования в процессе обтекания. Таким образом, данные методики не позволяют определять совокупные свойства главного конструктивного элемента защитного устройства – гасителя, поведение которого напрямую зависит как от режима обтекания его газовой средой в данный момент времени, так и от его напряженно-деформированного состояния. Решение подобной задачи требует применение обособленного метода.

В работе [79] приводится описание метода решения подобных задач:

Основная сложность моделирования взаимодействия жидкости и конструкции заключается в необходимости получения совместного согласованного решения уравнений динамики конструкции и уравнений движения жидкости и газа.

За последние десятилетия разработано большое количество аналитических и полуэмпирических методов. Однако, данные методы преимущественно применимы для узкого класса задач с простейшей геометрией и рядом ограничений, накладываемых на постановку задачи и граничные условия. В то же время, для решения промышленных задач требуется учитывать сколь угодно сложную геометрию и граничные условия. Поэтому, одним из основных и наиболее перспективных методов для решения задач является прямое численное моделирование.

Технологии численного моделирования позволяют эффективно решать сложные нелинейные задачи прочности и газодинамики и создавать масштабные имитационные модели с высокой степенью достоверности. Главным ограничением технологии является необходимость наличия мощной вычислительной техники для выполнения расчётов.

К технологиям численного моделирования относятся такие методы анализа, как метод конечных и граничных элементов, метод конечных объемов и конечных разностей.

Решения на базе метода конечных элементов реализованы в таких программных комплексах как Abaqus, Nastan (Nx, Ni, MSC), ANSYS, LS-DYNA и пр., и используются для решения задач статической и динамической прочности, теплопроводности, анализа частотных форм конструкций.

Решения на базе метода граничных элементов и методов конечных разностей нашли свое применение в комплексах вычислительной гидродинамики, таких как FlowVision, Ansys/CFX, Fluent, Star-CD, Abaqus/CFD и др.

3.2 Анализ поведения конструкций с помощью технологий численного моделирования Для исследования поведения защитной конструкции под действием ударной волны необходимо решение связанной задачи газодинамики и прочности.

Существует два основных метода для решения задач взаимодействия жидкости и конструкции с помощью численного моделирования: монолитный и метод расщепления. Монолитный метод подразумевает сведение задачи в одну систему уравнений с единым методом их решения. Метод расщепления предполагает разделение всей системы уравнений на подсистемы, которые решаются отдельно, периодически обмениваясь данными через заданный интервал времени. Монолитный метод более устойчив и лучше отражает физику явления. Однако, он требует общего математического аппарата для решения всех уравнений, в то время как большинство существующих на сегодняшний день решателей ориентированы либо на моделирование динамики деформируемых конструкций, либо на моделирование движения жидкости или газа. Метод расщепления позволяет использовать существующие решатели. Самая простая модификация метода расщепления явный метод расщепления. При – использовании явного метода расщепления решение подсистем осуществляется один раз на некотором временном интервале, в конце которого подсистемы обмениваются данными.

В работе [97] приводится краткий обзор существующих подходов для моделирования взаимодействия ударных волны в газовых средах с деформируемыми конструкциями.

Исторически, для определения динамического поведения, конструкция сводилась к системе с одной степенью свободы и нагружалась упрощенной функцией изменения давления на фронте ударной волны по времени. Данные модели с одной степенью свободы были хорошо верифицированы и давали верные результаты для широкого круга простых задач. Однако для анализа динамического поведения сложных конструкций данные модели оказались неприменимы.

Более адекватное решение можно получить, если приложить упрощенную функцию изменения давления на фронте ударной волны к моделям, созданным в современных кодах конечно-элементного моделирования. При данном подходе возможно создание трехмерной геометрической модели, применить к ней реалистичные граничные условия и распределенное давление по ее поверхности.

Данный подход получил широкое распространения в задачах промышленной безопасности и использовался для анализа поведения конструкций при взаимодействии с ударной волной в работах [17], [24], [33], [67], [69], [72].

В очередной раз данный подход оказывается нежизнеспособным в случаях, когда геометрия конструкции сложна и содержит наклонные поверхности, определение распределение давления, на которые может потребовать длительных вычислений с помощью аналитических методов.

Следующим шагом для повышения достоверности решения стало создание моделей с односторонней связью между программными комплексами вычислительной гидродинамики (Computational fluid dynamics – CFD) и конечно элементными комплексами прочностного анализа (Computer Aided Engineering – CAE).

Программные комплексы вычислительной гидродинамики используются для моделирования взаимодействия взрывной волны с конструкцией. Однако, в данном случае конструкция выступает лишь в роли граничного условия для газодинамической модели – она не может деформироваться. В процессе расчёта в CFD коде записывается значение давления, воздействовавшего на поверхность конструкции. Затем в комплексе прочностного анализа данные значения давления прикладываются на выбранную поверхность взаимодействия и производится расчёт напряженно-деформированного состояния. Описанный подход используется для анализа поведения защитного устройства в работе [55].

Данный подход с односторонней связью дает очень хорошие результаты в случаях пока деформации конструкции мало влияют на взаимодействие ударной волны с конструкцией. В случаях, когда деформации становятся значительными, они не будет учтены в газодинамическом расчёте, и поэтому полученные результаты не будут отражать реальное явление.

По мнению авторов работы [97], учитывая особенности существующих подходов к моделированию, наиболее эффективным методом является использование упрощенных параметров взрывной волны, приложенных к деформируемой конструкции в конечно-элементом комплексе. Однако, результат решения в данном случае будет зависеть от опыта специалиста, выполняющего данное численное моделирование, что является существенным ограничением применения данного метода для конструкций со сложной геометрией.

Таким образом можно сделать вывод, что для получения адекватного решения воздействия ударной волны на защитное устройство необходимо использовать полностью связанное решение задачи газодинамики и прочности.

Данный класс задач, предусматривающий совместное решение задач газодинамики и прочности реализуется за счёт решения совместных связанных задач газодинамики и прочности типа Fluid Structure Interaction (FSI). Данное решение реализовано между такими программными комплексами как SIMULIA Abaqus и FlowVision, Ansys Mechanical и Ansys CFX и др, а также непосредственно в программном комплексе SIMULIA Abaqus.

Технология FSI основывается на одновременном использовании для решения задач программного комплекса вычислительной гидрогазодинамики (Computational Fluid Dynamic - CFD) и программного комплекса прочностного анализа (Computer Aided Engineering - CAE). Схема решения представлена ниже на Рисунок 13.

Рисунок 13 - последовательность решения задачи FSI Решение начинается с CAE пакета. В нем определяются координаты узлов конечно-элементной сетки, формирующей поверхности взаимодействия с газовой средой. Затем данные координаты передаются в CFD пакет. В CFD пакете корректируется геометрическая модель деформируемого тела, после чего производится приращение времени решения с малым шагом и определяются силы, действующие на поверхности взаимодействия. Полученные значения сил передаются в CAE пакет, где вычисляется текущее напряженно-деформированное состояние для пакета. Алгоритм повторяется - узлы деформированной сетки передаются в СFD пакет.

Главным отличием гидрогазодинамических и прочностных комплексов является различие метода построения сеток, используемых для описания поведения исследуемых сред.

В случае программных кодов анализа поведения твердого деформируемого тела с помощью метода конечных элементов, для описания расположения среды в пространстве применяются переменные Лагранжа.

Переменные Лагранжа представляют собой координаты начального положения частиц в момент времени и время, при котором определяется новое положение той же частицы [53]. Координаты частицы в новом положении находят с помощью функций:

(1) y z Функциями тех же координат является скорость частицы:

(2) Рисунок 14 – расчётная сетка при использовании переменных Лагранжа В случае решения на основе метода конечных элементов, область решения разбивается на конечные элементы, которые описываются координатами формирующих их узлов. В случае использования переменных Лагранжа при деформировании тела, узлы конечно-элементной сетки перемещаются, деформируя таким образом исходные конечные элементы – см. Рисунок 14.

В случае расчётных кодов, применяемых для анализа поведения текучих сред с помощью методов граничных элементов и методов конечных разностей для описания движения среды, используются переменные Эйлера.

Переменные Эйлера выбирают координаты некоторой точки пространства, в котором происходит движение среды и время. В различные моменты времени через одну и ту же точку пространства будут проходить различные жидкие частицы, поэтому скорость конкретной частицы в данной точке пространства можно найти в определенный момент времени,В переменных Эйлера скорость, плотность и температура жидкой среды представлены функциями:

(3) Первая из этих функций описывает векторное поле скоростей, две другие – скалярные поля плотности и температуры.

Рисунок 15 – расчётная сетка при использовании паромных Эйлера.

В случае решения на основе метода конечных разностей либо метода граничных элементов, область решения разбивается на элементы, внутри которых находятся значения функций. Таким образом положение расчётной сетки остается независимым от перемещающейся в ней среды – см. Рисунок 15.

Решение задачи FSI достигается передачей полей давлений и температур с сеток гидрогазодинамической задачи, использующих переменные Эйлера, на сетки прочностной задачи, использующих переменные Лагранжа.

При решении связанных задач наибольшей трудностью является передача нагрузок и перемещений между программными комплексами.

Существенным ограничением технологий FSI, реализованной между большинством доступных программных комплексов, является отсутствие возможности автоматического решения задач с наличием большого числа поверхностей взаимодействия между газовой средой и деформируемым телом.

Данная особенность приводит к невозможности эффективного решения задач FSI в тех случаях, когда количество поверхностей взаимодействия превышается 10 15. При подготовке модели указание каждой поверхности происходит вручную, что в случае сложных геометрических моделей конструкции может привести к тому, что время подготовки одного варианта задачи на много превзойдет по времени непосредственно сам расчёт.

Достижением последних лет в области численного моделирования является внедрение в универсальные программные комплексы, такие как SIMULIA Abaqus и технологии совместного решения задач прочности и LS-DYNA гидрогазодинамики – Coupled Euler Lagrange (CEL) – связанный метод Эйлера Лагранжа в трехмерной постановке. Данная технология позволяет производить моделирование задач гидрогазодинамики на Эйлеровых сетках и задач динамической прочности на Лагранжевой сетке в рамках одного пространства решения и обеспечивать автоматическую передачу параметров по поверхностям взаимодействия между сетками по типу «давление-перемещение». Таким образом реализуется схема численного решения, очень близкого по определению к монолитному. Данная технология позволяет решает класс задач, в которых обтекание тела напрямую зависит от его текущей деформированной конфигурации.

Впервые метод CEL был предложен в 1960 году в работе [99], а затем получил существенное обобщение и обоснование в работах [80], [81] и др.

Недостатком данного метода является большая расчётная стоимость решения по сравнению с реализацией задачи с помощью технологии FSI. В то же время удобство и скорость построения множества вариантов конфигурации численной модели компенсирует увеличенное время проведения самого расчёта.

Этот факт обосновал выбор технологии CEL для анализа взаимодействия ударной волны с защитным устройством - необходимость построения множества вариантов конфигурации защитного устройства является в данном случае наиболее трудозатратным.

Для проведения исследования с помощью технологий численного моделирования на основе технологии CEL был выбран программный комплекс SIMULIA Abaqus. Отличительной особенностью программного комплекса Abaqus является возможность решение в единой бесшовной среде как задач статики (Abaqus/Standart), динамики (Abaqus/Explicit) и гидродинамики (Abaqus/CFD, Abaqus/Explicit), так и эффективное решение полностью связанных задач гидродинамики и прочности.

Подробное описание структуры программного комплекса SIMULIA Abaqus приводится в работе [24].

Программный комплекс состоит из графической оболочки Abaqus/CAE, называемой препостпроцессором, которая обеспечивает построение трехмерных моделей исследуемых объектов, задания свойств материалов, выбора типа решения, задание взаимодействий между телами в расчётной области, приложения нагрузок и граничных условий, построения конечно-элементных сеток, управления решателями численных задач, и обработки результатов.

В программном комплексе численного моделирования SIMULIA Abaqus доступно несколько типов решателей численных задач.

решатель конечно-элементного анализа общего Abaqus/Standard – назначения в линейной и нелинейной постановках с возможностью следующих обобщенных типов анализа:

• Статический анализ напряжений / перемещений • Вязкоупругий / вязкопластический отклик • Переходный динамический анализ напряжений / перемещений • Переходный или установившийся анализ теплопередачи • Переходный или установившийся анализ диффузии массы Сопряженные задачи:

• Тепло - механика (последовательное или полностью сопряженное решение) • Тепло - электричество • Поток в пористой среде - механика • Напряжения - диффузия массы (последовательно сопряженное решение) • Пьезоэлектрика (только линейная) • Контактный анализ • Акустика - вибрации (только линейная) Abaqus / Explicit - модуль анализа нелинейных переходных динамических процессов, использующий явную схему интегрирования. Модуль полностью векторизован, что позволяет использовать параллельные компьютерные системы наилучшим образом. Его мощные возможности по моделированию контакта, достоверность и вычислительная эффективность для очень больших моделей, также позволяют его эффективно использовать для квазистатических приложений, включающих в себя прерывное нелинейное поведение.

На основании проведенного исследования источников было выявлено, что в отечественной практике метод CEL фактически не применяется для расчётов.

Существует лишь одна работа по применению данного метода для решения задач высокоскоростного пробивания преграды снарядом и воздействия взрыва на конструкцию [42].

В то же время метод CEL на протяжении последних 25 лет активно применяется в расчётной практике для анализа взрывных воздействий на деформируемые конструкции. Ниже приводится краткий обзор статей, в которых рассматривается его применение.

В 1992 году в данный метод был применен в работе [88] для анализа нагрузок, возникающих от действия вихревых потоков.

В 2000 году применение данного метода, реализованного в программном комплексе AUTODYN для моделирования задач высокоскоростного пробития преград и моделирования взрывов было описано в работе [82].

В работах [83] и [95] метод CEL применяется для решения воздействия взрывных волн на здания, при этом рассматриваются вопросы как воздействия внешних взрывных воздействий, так и повреждений зданий, вызванных внутренним взрывом.

В работе [92] метод используется для анализа воздействия взрывной волны на композитную броню легкой бронетехники.

В работе [94] метод используется для анализа нагрузок, возникающих в процессе колебаний жидкости в бензобаке автомобиля.

В работе [85] приводится описание решение задачи о детонации сигнальных ракет в специальном защитном контейнере.

В работе [91] приводятся результаты воздействия противопехотной мины на специальную мишень.

В работе [96] приводятся результаты исследования воздействия ударной волны на конструкцию с учетом и без учета специального защитного покрытия.

В большинстве указанных работ производится сравнение полученных результатов численного моделированиях и натурных испытаний и указывается, что результаты, полученные с помощью применения метода CEL дают хорошую сходимость с экспериментом.

На основе представленного обзора можно сделать вывод о том, что связанный метод Эйлера-Лагранжа является хорошо зарекомендовавшим себя средством анализа и применим для проведения исследования воздействия ударной волны на защитное устройство.

Необходимо описать основные особенности связанного метода Эйлера Лагранжа. Данное описание можно найти в [101].

В традиционном анализе при использовании Лагранжевых сеток узлы связаны с материалом, и элементы деформируются в соответствии с деформациями материала. Элементы Лагранжевых сеток всегда полностью заполнены одним типом материала, и соответственно, границы материала полностью совпадают с границами элемента.

В случае анализа с помощью Эйлеровых сеток узлы зафиксированы в пространстве, а материал протекает сквозь элементы, которые не деформируются.

Элементы Эйлеровых сеток могут быть не полностью заполнены материалом – они могут быть частично или полностью пустыми. Таким образом в Эйлеровых сетках граничные условия не совпадают с границами элементов и должны вычисляться на каждом приращении по времени. Данные сетки обычно состоят из простых прямоугольных элементов, с запасом покрывающих объем заданного материала, и оставляющие пространство для его течения и деформирования. В случае, если материал выходит за границы Эйлеровой сетки, он исключается из модели.

Материалы в Эйлеровых сетках могут взаимодействовать с элементами Лагранжевых сеток через контакт Эйлера-Лагранжа. Модели, включающие подобный тип взаимодействия называют моделями с применением связанного метода Эйлера-Лагранжа.

Эйлеровы сетки эффективны для задач включающих экстремально большие деформации, в том числе течение жидкостей и газов. В подобных задачах применение Лагранжевых сеток приводит к искажению конечных элементов в процессе расчёта, и соответственно, к сильным погрешностям в решении.

Применение Эйлеровых сеток эффективно для задач плескания жидкости, течения газов и задач пробивания. Контакт по методу Эйлера-Лагранжа позволяет комбинировать изотропные материалы в Эйлеровых сетках с нелинейными материалами в Лагранжевых сетках.

Реализация Эйлеровых сетов в Abaqus/Explicit основана на применении метода анализа количества жидкости/газа в объеме. В рамках данного метода протекание среды через сетку отслеживается с помощью вычисления объемной доли среды в элементе, Eulerian volume fraction (EVF), в каждом из элементов сетки. Согласно определению, если материал полностью заполняет элемент, его объемная доля равна единице. Если же в элементе материал отсутствует, его объемная доля равна нулю.

Эйлерова сетка может одновременно содержать несколько различных сред.

Если сумма объемных долей всех сред в элементе оказывается меньше нуля, то оставшееся пространство заполняется «пустотой». Пустота в материале не имеет плотности и жесткости/вязкости.

По умолчанию для Эйлеровых сеток материал в пространстве решения может входить и выходить через границы расчётной области. Возможно ограничить течение материала задав граничные условия на поверхностях элементов. Традиционные для гидро- и газодинамики граничные условия «прилипания» и «скольжения» могут быть реализованы с помощью задания соответствующего условия для скорости по нормали или касательной к поверхности элемента. Так же возможно использование граничных условий скорости или ускорения для задания течения жидкости или газа сквозь расчётную область.

На основе описанного метода CEL возможно создать метод построения численных моделей для исследования воздействия взрывной волны на защитное устройство.

Исходя из описанной в Главе 2 конструкции устройства задачу анализа нужно разделить на подэтапы. В первую очередь необходимо оценить поведение гасителя под действием ударной волны.

Расчёт прочности рамы защитного устройства, его фундамента, крепления рамы к фундаменту, возможно произвести в рамках проектировочных расчётов.

Методика исследования поведения конструкции под действием ударной волны с учетом разрушения креплений к фундаменту и взаимодействия с упругим грунтовым основанием приводится в работе [24].

С целью получения достоверного результата и проверки адекватности численного решения, построение модели воздействия взрывной волны на защитное устройство разбивается на три этапа. В программном комплексе Abaqus создаются и анализируются модели:

1. газодинамическая модель распространения ударной волны;

2. динамическая прочностная модель поведения гасителя;

3. совмещенная газодинамическая-прочностная модель воздействия ударной волны на защитное устройство и расположенный за ним объект.

3.3 Газодинамическая модель распространения ударной волны Решается газодинамическая задача прохождения ударной волны через расчётную область. Размер расчётной области выбирается таким образом, чтобы хотя бы два раза превышать высоту сооружений и конструкций, воздействие на которые необходимо исследовать [87], с целью минимизации влияния граничных условий. На Рисунке 2 приведен пример расчётной области с приложенными граничными условиями.

Свободный вход и выход Свободный выход Симметричное граничное условие Граничное условие непрониктновения Vy= Рисунок 2 – общей вид газодинамической расчётной области для решения задачи движения ударной волны в открытом пространстве.

В программном комплексе Abaqus для анализа с помощью Эйлеровых сеток доступны два типа объемных конечных элементов.

Элемент EC3D8R представляет собой трехмерный объемный восьми узловой элемент. В узлах элемента доступны 3 степени свободы – перемещения по осям x, y, z. Температурный отклик в данном элементе принимается адиабатическим. В элементе EC3D8RT помимо перемещений доступна отдельная температурная степень свободы. Использование данных элементов возможно только в рамках процедур анализа *Dynamic, Explicit и *Dynamic Temperature Displacement, Explicit.

Для решения задачи прохождения ударной волны через объем воздуха использовались элементы EC3D8R.

Задача может решаться как в трехмерной постановке, так и в квази двухмерной. Квази-двухмерная постановка представляет собой расчётную область, одно из измерений которой моделируется с помощью одного конечного элемента. Выбор между трехмерной и двухмерной постановкой основывается на геометрической форме объекта, с которым нужно проанализировать взаимодействие. В случае простых геометрических форм возможно моделировать взаимодействие двухмерной ударной волны с профилем исследуемого объекта. В случае если геометрическая форма объекта является сложной, необходимо решать газодинамическую задачу в трехмерной постанове.

Задание свойств материалов, находящихся внутри Эйлеровой сетки производится с помощью инструмента начальных условий. Необходимо указать, какие фазы или среды находятся в зоне анализа *Initial Conditions, type=Volume Fraction. В данном случае в расчётной области находится только воздух, поэтому начальное условие необходимо задавать как 1 – вся расчётная область заполнена воздухом.

Для решения задачи необходимо корректное задание граничных условий. С левой стороны расчётной области на вертикальном ее торце задается граничное условие входа и неотражающего выхода, через которое будет задаваться профиль изменения давления на фронте ударной волны в виде *Eulerian Boundary, Inflow=Free, Outflow = Nonreflecting. Граничное условие Неотражающий Выход с данной стороны задается для возможности выхода из расчётной зоны отраженной от исследуемого объекта ударной волны.

Для нижнего торца модели задается нулевая скорость по нормали *Boundary, type=Velocity. Данное граничное условие описывает поверхность земли. Газовая среда может перемещаться вдоль поверхности, но не может проникать через нее.

С верхней и правой стороны расчётной области задаётся граничное условие типа Свободный Выход – обеспечивающее свободное вытекание газовой срезы за границы расчётной области - *Eulerian Boundary, Outflow=free. Такие же граничные условия задаются на фронтальной и тыловой поверхности расчётной области в случае решения трехмерной задачи В случае квази-двумерной задачи на фронтальной и тыловой поверхностях расчётной области задается граничное условие нулевой скорости по нормали к поверхности (*Boundary, type=Velocity). Таким образом моделируется условие симметрии по боковым стенкам расчётной области.

Воздух в расчётной области задается с помощью модели идеального газа.

Z p + pa = R ( ) (5) Где давление газа, давление невозмущенной среды, p - pa - плотность газа, R - удельная газовая постоянная, - температура газа, и Z - температура абсолютного нуля.

Задание свойств воздуха в Abaqus производится помощью модели EOS – Equation of state. Подробное описание ключевых слов для задания материала приводятся в Приложении.

Помимо этого, необходимо задать начальное давление в среде, в данном случае, атмосферное давление воздуха. Данная операция выполняется с помощью инструмента начального условия *Initial Condition, type=stress.

Ударная волна моделируется как скачок давления на боковой грани расчётной области по определенной амплитуде – профиле ударной волны.

В результате расчёта в исследуемой области становятся известен закон распределения давлений, а также скоростных и температурных характеристик, при прохождении ударной волны. Ниже на Рисунок 16 представлен пример прохождения ударной волной выбранной расчётной области.

T=0.01 T=0. T=0.02 T=0. T=0.03 T=0. T=0.04 T=0. Рисунок 16 – прохождение ударной волной расчётной области.

3.4 Задача динамической прочности защитного устройства Моделирование задачи динамической прочности производится явным методом интегрирования. Исследуется воздействие взрывной волны на конструкцию с помощью приложения на поверхности скачка давления, изменяющегося по времени в соответствии с профилем ударной волны.

Создается трехмерная или квази-двухмерная модель. На данной модели строится конечно-элементная сетка - Рисунок 17.

Рисунок 17 – конечно-элементная сетка на конструкции гасителя.

Сварная конструкция гасителя состоит из тонкостенных металлических пластин со следующими характеристиками:

Материал – Сталь 3, свойства в соответствии с [16].

Толщина используемого проката – 5 мм.

Высота и ширина блока гасителя – 200 мм.

Высота пластин гасителя – 175 мм.

Ширина пластин гасителя – 200 мм.

Для анализа поведения подобного типа конструкции необходимо использовать теорию оболочек. В программном комплексе Abaqus для решения подобной задачи возможно применять три типа конечных элементов Конечные элементы типа оболочка – S Конечные элементы типа объемная оболочка – SC8R Объемные конечные элементы сплошной среды - C3D8R При проведении связанных расчётов типа газодинамика-прочность при использовании конечных элементов типа оболочка могут возникнуть численные затруднения при обтекании торцов оболочки, поскольку фактически указанный элемент является срединной поверхностью реальной конструкцией, он не обладает реальной толщиной. Данный фактор может привести к неверному моделированию поведения конструкции при ее обтекании газовой средой.

Одним из преимуществ программного комплекса Abaqus является доступность в нем особого типа конечных элементов – объемных оболочек.

Поведение данного типа элементов описывается на основании уравнений теории оболочек, но при это данный элемент обладает объемом, что позволяет моделировать нагрузки на его торцы в случае обтекания.

Однако, в то же время для решения подобной задачи возможно использовать и элементы сплошной среды. Главным недостатком их является необходимость в большинстве случаев для моделирования НДС пластины использовать несколько конечных элементов по ее толщине, что в свою очередь приводит к значительному увеличению числа степеней свободы в задаче.

Было произведено сравнение доступных типов конечных элементов, чтобы оценить их поведение под действием распределенного давления. Для этого была решена статическая задача воздействия давления на пластины, смоделированные с помощью основе указанных выше типов конечных элементов. Результаты расчёта приведены на А) напряжения по Мизесу б) пластические деформации.

На рисунках слева направо элементы S4, SC8R, C3D8R.

Рисунок 18.

А) Б) А) напряжения по Мизесу б) пластические деформации.

На рисунках слева направо элементы S4, SC8R, C3D8R.


Рисунок 18 – Сравнение результатов для различных типов элементов.

В Таблице приводятся значения перемещения для различных типов конечных элементов измеренное в центральной точки каждой из пластин.

Таблица 25 – сравнение результатов для различных типов конечных элементов Тип элемента Перемещение Оболочка S4 6.2 мм.

Объемная оболочка SC8R 6.2 мм Элемент сплошной сделы C3D8R 5.6 мм.

Как видно из представленных результатов, полное совпадение с поведением элементов типа оболочка показывают элементы типа объемная оболочка, в то время как объемные элементы сплошной среды демонстрируют чрезмерную жесткость и не могут, поэтому, быть применены в расчётной модели.

В области решения могут быть использованы любые модели материала, используемые в механике твердого деформируемого тела, различные критерии пластичности, вязко пластичности, хрупкого разрушения и т.п.

Выбор соответствующей модели поведения материала определяется исходя из типа материала, из которого изготавливается конструкция и наличия необходимых данных для интересующей модели материала.

В данном исследовании в связи с недостатком данных по динамическим моделям поведения Ст3, основного конструкционного материала защитного устройства, было принято использовать упрощенную упругопластическую модель поведения с критерием Мизеса начала пластического течения. График зависимости напряжений-деформаций для модели представлен на Рисунок 19.

Характеристики Стали 3 были определены на основе данных, представленных в [16].

Рисунок 19 - упругопластическая модель Ст3.

В случае динамического воздействия на конструкцию необходимо учитывать такой эффект, как динамическое упрочнение.

В работе приводится методика определения динамического [54] сопротивления материалов, в том числе и для стального проката.

Непосредственно для Ст3 данные не приводятся, однако значения для всех коэффициентов работы стали указывают на большую величину статического сопротивления по сравнению с динамическим.

В работе [103] приводятся зависимости влияния скорости деформации при изгибе образцов из углеродистой стали. Увеличение скорости деформации приводит к эффекту упрочнения материала и повышения предела текучести, а так- же предела прочности. Аналогичные данные приводятся в работе [31].

Таким образом, для рассматриваемого типа конструкции учет скорости деформации ведет к уточнению предела прочности конструкции. Однако в условиях нехватки данных о влияния скорости нагружения на материал, из которого выполняется конструкция, а также сложности и высокой стоимости проведения подобного эксперимента, консервативно поведение материала можно считать соответствующим статическому, данное допущение обеспечивает дополнительный коэффициент безопасности, так как предел статической прочности и текучести ниже таковых динамических.

Соединение стальных листов конструкции гасителя производится с помощью сварки. В данном случае конструкция принималась равнопрочной.

Дополнительное исследование прочности сварных швов может быть выполнено при проведении проектировочных работ.

Конечно-элементная модель закрепляется в пространстве, и на выбранные поверхности, прикладывается изменяющееся по времени давление величиной Кпа, длительностью 0.1 с. Оцениваются результаты и определяется адекватность полученного решения. Зоны приложения граничных условий представлены на Рисунок 20. Гаситель в расчётной модели закрепляется по переднему контуру.

Ux=Uy=Uz= Рисунок 20 – граничные условия для гасителя В результате расчёта определяется динамическое напряженно деформированное состояние исследуемого объекта, его перемещения, скорости и ускорения.

Пример определения НДС гасителя представлен на Рисунок 21.

1 2 3 4 Рисунок 21 – Пример расчёта динамического изменения НДС гасителя 3.5. Полностью связанная задача прочности и газодинамики воздействия ударной волны на защитное устройство После создания и проверки адекватности газодинамической и прочностной модели создается единая модель для анализа взаимодействия «газ-конструкция»

для гасителя защитного устройства и для защитного устройства вместе с защищаемым объектом.

Для этого сетки моделей совмещаются в единой геометрической области, как показано на Рисунок 22 для случая гасителя и на Рисунке для случая защитного устройства и защищаемого объекта.

Рисунок единая расчётная область задачи взаимодействия 22 – «газ-конструкция», включающая интересующий объем газа и исследуемую конструкцию на примере гасителя.

Рисунок единая расчётная область задачи взаимодействия 23 «газ-конструкция», включающая интересующий объем газа и защитную исследуемую конструкцию в квази-двумерной постановке.

В созданных моделях учитываются все граничные условия, характерные для газодинамической и прочностной модели.

Для передачи взаимодействия от газа к конструкции используется технология Основного контакта. Данная технология позволяет автоматически отслеживать контактные взаимодействия в выбранной расчётной области, как между газовой средой и твердым телом, так и между твердыми телами.

Добавить описание технологии основного контакта Результатом решения задачи являются поля распределения давлений в газовой среде по времени на границах исследуемой конструкции, с учетом изменения формы деформируемых поверхностей, скоростные и температурные характеристики, а также напряженно-деформированное состояния конструкции от воздействия давления ударной волны.

3.6 Алгоритм проведение исследования параметров конструкции Для определения параметров и эффективности защитного устройства был разработан алгоритм, представленный на Рисунок 24.

Определение характеристик УВ Анализ размеров защищаемого объекта.

Нет Выбор размеров гасителя Выбор размеров рамы ЗУ Динам.прочн Газодинамич Газодинамич Динам.прочност остная еская модель еская модель ная модель модель Решение связанной задачи Решение связанной Нет Нет Гаситель ЗУ эффективен? эффективно?

Оценка общей Да эффективности Да Да Безопасность обеспечена Рисунок 24- алгоритм исследования защитного устройства 3.7 Верификация численных моделей Верификация численных моделей является обязательными условием для определения достоверности выбранных методов и адекватности программного комплекса имитационного моделирования.

В работе [24] описывается задача верификации решателя Abaqus/Explicit.

Приводится исследование герметичности резервуара, используемого в атомной энергетике. В результате имитационного моделирования значение внутреннего давления в резервуаре составило 1.4 Мпа. В приведенном для сравнения эксперименте величина давления составила 1.424 МПа. Таким образом результаты численного моделирования хорошо согласуются с экспериментальными результатами.

В работе [17] описывается результат лабораторного эксперимента по моделированию ударного воздействия на уменьшенную копию ректификационной колонны с обвязкой и их сравнение с полученным с помощью решателя Abaqus/Explicit численным решением. В результате эксперимента перемещение модельной конструкции составило 8.5 мм, а перемещения, полученные в результате численного моделирования, составили 7.97 мм.

Абсолютная погрешность между экспериментом и численным решением составила 6.2% Для верификации метода моделирования динамического разрушения строительных конструкций и связанной газодинамической и прочностной задачи воздействия ударной волны на сооружения с помощью технологии Coupled Euler Lagrange, была создана модель разрушения кирпичной стены на основе экспериментальных и аналитических результатов, представленных в работе [31].

Решение данной задачи верификации опубликовано в работе [71].

Оценка достоверности и точности результатов расчета при использовании рассмотренной выше связанной модели взаимодействия ударной волны в газовой среде с деформируемой преградой проведена на основе аналитического решения приведенного в работе [31]. В указанном источнике приводятся результаты экспериментального и аналитического исследования разрушения кирпичных стен при воздействии взрывной волны. Исследовалось время разрушения стены и сравнивалось с имеющимися экспериментальными данными и результатами Высота 1,7 м аналитических расчётов. Внешний вид модели приведен на Рисунок1,32 м Ширина 25.

Длина 4 м Кладка:

Высота 26 кирпичей Длина 16 кирпичей Рисунок 25 Общий вид модели Исследовалось поведение ограждающих конструкций из кирпича толщиной 12 см при значениях избыточного давления на фронте ударной волны равных 80 и 107 КПа.

При проведении верификационного моделирования был принят ряд допущений. Поведение кирпича моделировалось как линейно-упругое вплоть до момента разрушения. Поведение железобетонной рамы и железобетонной плиты основания принималось как абсолютно жесткое. Влияние скрепляющего кирпичи раствора при динамическом воздействии принималось незначительным. Для учета сцепления между кирпичами применялся заданный коэффициент трения.

Расчёт разбивается на два этапа. На первом этапе с помощью решателя Abaqus/Standard выполняется решение статической контактной задачи по определению напряженно-деформированного состояния кирпичной кладки под действием собственного веса.

На втором этапе с помощью решателя Abaqus/Explicit явным методом решалась динамическая задача воздействия взрывной волны на кирпичный заполнитель. Профиль ударной волны задавался как изменение давление на поверхность кирпичной стены по времени. Так же в расчёте в качестве начального условия учитывалось ранее определенное статическое НДС от собственного веса.

Результаты численного моделирования в сравнении с экспериментальными данными и данными расчёта аналитическими методами представлены в Таблице 3.

Таблица 26 Сравнение результатов расчета методом конечных элементов с аналитическим решением.

Численное Избыточное Погрешность Натурный Аналитическое решение с давление численного эксперимент решение использованием P, кПа решения, % ABAQUS 17,2 мс 17,5 мс 80 17,0мс 2, 14,2 мс 107 14,0мс 15,0мс 7, С помощью описанной выше методики была верифицирована задача динамической прочности.


Для верификации полной газодинамической-прочностной модели была создана модель стены с учетом газодинамики. Общей вид модели представлен на Рисунок 26. Форма разрушения стены представлена на Рисунок 27.

Рисунок 26– общий вид связанной модели для верификации Т=1 Т= Т=50 Т= Рисунок 27 Обрушение кирпичной стены в интервале времени 1-100 мс.

Полученное решение для связанной задачи «газ-конструкция» сравнивалось с ранее решенной задачей динамической прочности. Сравнение перемещений и скоростей кирпичей в центральной части стены представлено на Рисунок 28. По представленным графикам хорошо видно совпадения решения, полученного в динамической и связанной постановке.

С П к ер о е р м ос е ть (м /с Время (с) Время (с) Рисунок 28 – сравнение результатов расчётов а) перемещения б) скорости.

Схожая с описанной задачей разрушения стены задача верификации, приводится в работе [84]. Моделируется разрушение кирпичного здания от действия внутреннего взрыва. Верификация достоверности методов производится путем сравнения рассеивания обломков здания, полученных по результатом эксперимента и численного решения. В работе приводятся графики рассеивания по результатам эксперимента и численного моделирования, в соответствии с которыми численное решение хорошо соответствует экспериментальным данным.

В работе [86] приводятся результаты верификации задачи прохождения ударной волны в ударной трубке. Сравнивается аналитическое и численное решение. Разница между аналитическим и численным решением составляет значение не более чем 0,63%.

В работе [97] приводятся результаты верификации одномерной задачи распространения ударной волны. Сравниваются численное и эмпирическое решение. Приводится график сравнения полученных результатов, в соответствии с которым эмпирические результаты и результаты численного моделирования близко совпадают.

В работе [90] приводятся результаты верификации задачи обтекания сферы потоком воздуха при разных скоростях. Сравнивается величина подъемной силы на сфере, значение которой получено в результате эксперимента и численного решения. В работе приводятся данные, что для данного примера для диапазона чисел Рейнольдса от Re 1,000 до Re 100,000 численное решение хорошо соответствует экспериментальным данным.

На основе приведенных значений данных верификации можно сделать вывод о высокой достоверности результатов, получаемых с помощью связанного метода Эйлера-Лагранжа.

3.8 Выводы по Главе Произведен анализ существующих методов исследования воздействия ударных волн на объекты нефтегазовой отрасли. В результате в качестве метода обоснован и выбран метод численного моделирования взаимодействия ударной волны с сооружениями.

В качестве метода численного моделирования был обоснован и выбран связанный метод Эйлера-Лагранжа. Приведено описание данного метода.

Приведен метод построения численных моделей воздействия ударной волны на защитное устройство и гаситель.

Описана постановка задачи прохождения ударной волны через газовую среду. Описаны необходимые граничные условия и свойства материалов.

Описана постановка прочностной задачи воздействия ударной волны.

Обоснован выбор модели материала, для использования в расчёте. Приведены правила задания нагрузки и граничного условия.

Описано создание полностью связанных моделей «газ-конструкция» для случая воздействия ударной волны на гаситель и для случая воздействия ударной волны на защитное устройство вместе с защищаемым зданием.

На основе экспериментального и аналитического решения произведена верификация выбранного метода. Также достоверность метода подтверждена на основе анализа литературных источников с примерами верификации данного метода. Данные верификации подтверждают высокую достоверность результатов, получаемых с помощью связанного метода Эйлера-Лагранжа.

Глава 4 Результаты применения метода для исследования поведения защитного устройства при воздействии ударной волны 4.1 Определение параметров ударных волн На основе РД-03-409-01 произведен расчёт параметров взрывной волны для наиболее опасных типов технологических оборудования. Результаты расчёта представлены в Таблице 12.

Таблица 12. Параметры ударных волн.

P+ P R E (Дж) T+ (с) T- (с) 5000 кг 198 КПа 30 КПа 50 2,2E+11 0,0616 0, Где R – радиус от эпицентра взрыва, E – эффективный энергозапас горючей смеси, P+ –амплитуда фазы сжатия, P- –амплитуда фазы разряжения, T+ - длительность фазы сжатия, T- - длительность фазы разряжения.

4.2 Результаты моделирования воздействия ударной волны на гаситель защитного устройства Для обеспечения безопасности защищаемого объекта с помощью разработанного метода производится анализ конфигурации защитного устройства, обеспечивающего снижения давления на фронте ударной волны до безопасных величин.

Конструктивные параметры защитного устройства определяются с помощью прогнозирования действия взрывной волны на гаситель защитного устройства.

В результате использования метода получена картина воздействия взрывной волны на гаситель защитного устройства, приведенная на Рисунке 15.

1 2 3 4 5 Рисунок 15 – воздействие ударной волны на гаситель.

На Рисунке 9 и 10 приведено распределение поля давлений и скоростей при прохождении ударной волны через гаситель защитного устройства, для варианта задействованных в расчёте 5000 кг ВВ.

Рисунок 9. Деформированная конфигурация гасителя. Поле давлений.

Рисунок 10. Поле скоростей.

Д ав ле н ие Время Рисунок 11 Графики давлений на входе в гаситель и на выходе.

На Рисунке 11 приводятся графики изменения давления на фронте ударной волны на входе в защитное устройство и на выходе. Как видно на представленном графике максимальное избыточное давление на фронте ударной волны составило 185 КПа, а на выходе не превышает 10 Кпа.

На Рисунке 12 приводится графики изменения давления в различных точках защитного устройства.

Да вл ен ие (К Время Рисунок 12 – изменение давлений на фронте ударной волны в различных точках гасителя.

В Таблице 3 приводится максимальная и минимальная величина давления в выбранных для исследования точках.

Таблица 3. Давления в выбранных точках гасителя.

1 (КПа) 2 (КПа) 3 (КПа) 4 (КПа) 5 (КПа) 6 (КПа) 7 (КПа) P+ 185 185 132 101 60 8 P- -29 -29 -22 -17 -11 -6 - Таким образом подтверждается эффективность снижения давления на фронте ударной волны при прохождения гасителя.

Был выполнен анализ напряженно-деформированного состояния элементов конструкции защитного устройства. НДС и зона пластических деформаций представлена на Рисунке 13.

Рисунок 13 – НДС и пластические деформации в гасителе.

При воздействии взрывной волны максимальные напряжения достигают МПа, что соответствует переходу к пластическому деформированию конструкции для использованной в расчёте Стали 3. Зона пластической деформации находится в точке крепления первой пластины гасителя, выделенной на Рисунке 13 овалом.

На основе проведенного расчёта вычисляется коэффициент локального поглощения для гасителя kloc =Pin/Pout, где Pin – давление на фронте ударной волны до гасителя, Pout – давление на фронте ударной волны после прохождения гасителя.

Коэффициент локального поглощения для выбранной конфигурации гасителя составил 18.

На основании проведенного исследования гасителя, можно сделать предположение о непроницаемости защитного устройства для ударных волн в рамках выбранного значения. Таким образом, при исследовании обтекания ударной волной всего защитного устройства, можно сделать допущение о его непроницаемости, то есть можно рассматривать защитное устройство в качестве сплошной стены.

4.3 Результаты моделирования воздействия ударной волны на операторную На основе предложенного метода создана численная модель взаимодействия ударной волны с незащищенным объектом – операторной станцией. Габаритные размеры операторной станции: высота – 4 м, длинна 15 м. Фронтальная стена операторной расположена в 65 метрах от места взрыва.

При выполнении имитационного моделирования были сделаны следующие допущения:

Задача решалась в квази-двумерной постановке Здание операторной принималось как абсолютно жесткое тело Расчётная схема представлена на Рисунок Свободный вход и Свободный выход Симметричное граничное условие Vz= Операторная Граничное условие непрониктновения Рисунок 29- расчётная схема взаимодействия ударной волны с операторной.

Картина воздействия ударной волны на операторную представлена на рисунке T=0.024 с T=0.099 с T=0.051 с T=0.126 с T=0.075 с T=0.150 с Рисунок 30 – Картина взаимодействия ударной волны с операторной по времени.

Распределение давлений имеет несколько характерных зон. Зона срыва потока – точка, в которой развивается максимальное давление от действия ударной волны.

Зона равномерного распределения давления – основная часть поверхности, в которой распределение давлений равномерно. Распределение максимальных давлений на поверхность операторной и характерные зоны представлены на Рисунок 31.

Зона срыва потока Зона равномерного распределения давления Направление действия ударной Рисунок 31 – распределение давлений по поверхности операторной станции Оценивались максимальные значения величины избыточного давления ударной волны, действующие на переднюю стену, крышу, и заднюю стену здания, и зоны срыва потоков. Величины давлений представлены Таблица.

Таблица 4 – давление ударной волны на различные зоны конструкции Свободно стоящая операторная Максимальное давление 178 КПа Фронтальная стена 125 КПа Крыша 62 КПа Задняя стена 36 КПа Согласно (РД 03-409-01, 2001) давления превышающие 100 КПа приводят к полному разрушению здания, давления превышающие 70 КПа приводят к тяжелым повреждения здания. Таким образом, в текущей конфигурации операторная станция гарантировано будет разрушена, что может привести к гибели персонала и уничтожению оборудования.

4.4 Результаты анализа конфигурации защитного устройства На основе предложенного метода производится расчёт взаимодействия ударной волны с защитным устройством и операторной.

Исследуется влияние конструктивных параметров и расположения защитного устройства на снижение давления от ударной волны, приходящиеся на различные элементы конструкции операторной.

Исследовались различные варианты высоты защитного устройства – 4 м, 5. м, 7 м, 8.5 м. Высота защитного устройства выбиралась из соображений размещения 3 гасителей на 1 м высоты защитного устройства.

Исследовались различные варианты расположения защитного устройства относительно защищаемого объекта – на расстоянии 2 м., 4 м., 6 м., 8 м., 10 м., 12 м. Расстояния до защитного устройства выбиралось из соображений минимального необходимого расстояния для размещения фундамента защитного устройства в 2 м.

В результате исследования определялись давления:

• На защитном устройстве на вершине в зоне срыва потока • На защитном устройстве на фронтальной плоскости • На операторной в верхней части фронтальной плоскости в зоне срыва потока • На операторной на фронтальной плоскости • На операторной в передней части верхней плоскости в зоне срыва потока • На операторной на верхней плоскости • На операторной в верхней части тыловой плоскости в зоне срыва потока • На операторной на тыловой плоскости Результаты исследования представлены в Таблица 27, Таблица 28, Таблица 29, Таблица 30.

Таблица 27 – распределение давлений. ЗУ высотой 4 м.

Высота ЗУ Расстояние 2 4 6 8 10 Срыв 234878 271919 253938 240825 221978 ЗУ Центр 129561 130999 138427 138014 131930 Срыв 137948 116821 115603 129175 128966 Фронт Центр 72181 81750 89959 98519 107805 Срыв 137948 116821 115603 129175 128966 Верх Центр 60908 58421 54996 54106 52654 Срыв 74661 71467 66555 66853 61223 Тыл Центр 31510 31260 30964 25022 28110 Таблица 28 – распределение давлений. ЗУ высотой 5.5 м.

Высота ЗУ 5, Расстояние 2 4 6 8 10 Срыв 246637 261093 244286 236751 229077 ЗУ Центр 132368 129612 140092 136733 129634 Срыв 84475 74672 87358 85910 88924 Фронт Центр 49592 63714 74101 86608 96028 Срыв 84475 74672 87358 85910 88924 Верх Центр 54687 52166 50468 49492 48666 Срыв 69775 63486 61856 69150 59599 Тыл Центр 23807 22665 24627 22942 24606 Таблица 29 – распределение давлений. ЗУ высотой 7 м.

Высота ЗУ Расстояние 2 4 6 8 10 Срыв 229535 240375 229535 225439 221810 ЗУ Центр 132448 129364 140536 136363 138472 Фронт Срыв 48778 52436 63222 71558 75546 Центр 38972 49317 57714 74904 83394 Срыв 48778 52436 63222 71558 75546 Верх Центр 44280 49028 44351 43880 43942 Срыв 60295 85445 63487 56080 57619 Тыл Центр 23439 22616 20906 20353 20267 Таблица 30 – распределение давлений. ЗУ высотой 8.5 м.

Высота ЗУ 8, Расстояние 2 4 6 8 10 Срыв 214686 217450 216388 218657 211123 ЗУ Центр 131118 132208 139674 135848 132825 Срыв 39490 37281 42356 52906 51357 Фронт Центр 34429 37062 46624 60132 66687 Срыв 39490 37281 42356 52906 51357 Верх Центр 34706 36421 37684 37531 37726 Срыв 55898 51627 48849 59853 52462 Тыл Центр 20382 20858 20233 19035 19497 На основе результатов численного моделирования были построены номограммы изменения величины давления в различных частях защитного устройства и защищаемого объекта в зависимости от высоты защитного устройства и расстояния до защищаемого объекта.

Рисунок 16 – зависимость давления фронта ударной волны на защитное устройство от его высоты и расположения относительно операторной в точке срыва потока.

Рисунок 17 – зависимость давления ударной волны на защитное устройство от его высоты и расположения относительно операторной, в центре фронтальной поверхности защитного устройства Рисунок 18 - зависимость давления фронта ударной волны на операторную в точке срыва потока фронтальной плоскости от высоты и расположения защитного устройства.

Рисунок 19 - зависимость давления фронта ударной волны на операторную в центральной точке фронтальной плоскости от высоты и расположения защитного устройства.

На основе результатов численного моделирования были определены значения коэффициента глобального поглощения давления ударной волны защитным устройством в зависимости от конструктивных параметров защитного устройства и его расположения, представленные на Рисунке 20. Коэффициент глобального поглощения kglob определяется как отношение максимального давления на защитном устройстве Pmaxglob-in к максимальному давлению на фронтальной стене защищаемого объекта Pmaxglob-out.

Таким образом, на основе проведенного исследования по предложенному методу становится возможно количественно оценить эффективность защитного устройства на локальном и глобальном уровне и выбрать наиболее подходящую конфигурацию, обеспечивающую безопасность защищаемого объекта.

Рисунок 20 – зависимость глобального коэффициента поглощения от конструктивных параметров и расположения защитного устройства.

4.5 Выводы по Главе Получено численное решение воздействия ударной волны на защитное устройство. Подтверждена эффективность защитного устройства по гашению ударной волны и его прочность при заданной величине избыточного давления.

На основе полученного решение предложено допущение о непроницаемости защитной конструкции в сборе для ударной волны. Защитное устройство можно принимать как сплошную при моделировании воздействия ударной волны на здание операторной.

Получены значения распределения давлений на различных поверхностях операторной. На основании полученных значений сделан вывод о необходимости обеспечения защищенность операторной.

Решена задача воздействия ударной волны на операторную станцию под прикрытием защитного устройства. Построены номограммы зависимости величины давления на различных поверхностях защищаемого здания от высоты защитного устройства и его расстояния до операторной.

Получены номограммы глобального коэффициента поглощения для защитного устройства.

Общие выводы 1. Достигнута цель исследования – создано и обосновано защитное устройство нового типа, используемое для повышения защищенности объектов высокой важности от воздействия ударных волн в условиях сильно загроможденного пространства территории предприятия. Создана методика определения эффективности защитного устройства.

2. Проведен анализ статистики аварий на объектах эксплуатации нефтегазовой отрасли. Выявлены наиболее опасные производственные объекты и их энергонасыщенность.

3. Создан и верифицирован метод построения модели численного анализа поведения защитного устройства и его конструктивных элементов под действием ударной волы.

4. Созданы конечно-элементные модели прохождения ударной волны через выделенное пространство, динамическая прочностная модель гасителя защитного устройства, связанная модель прочности-газодинамики взаимодействия ударной волны на защитное устройство.

5. Проведённый анализ параметров взрывных волн в зависимости от ситуационного плана позволил прогнозировать характеристики ударной волны для использования в предложенном методе.

6. Предложенная конструкция защитного устройства, позволяющего эффективно снижать давление на фронте ударной волны. Одной из главных особенностей представленной конструкции является ее компактность и возможность использовать в случае загроможденной застройки.

7. Предложен метод исследования поведения защитного устройства от действия взрывной волны. Решены газодинамическая, динамическая прочностная и связанная динамическая задача «газ-конструкция», позволяющие оценить прочность предложенного защитного устройства и его эффективности.

8. Предложены коэффициенты поглощения защитного устройства, позволяющий количественно оценить эффективность работы как составляющих конструкцию защитного устройства гасителей, так и общую эффективность поглощения энергии взрывной волны защитным устройством.

Список литературы 1. Аварии и катастрофы. Предупреждение и ликвидация последствий. Учебное пособие. Книга 1. / Под ред. Котляревского В.А. и Забегаева А.В. – М.: изд во АСВ, 1995. – 320 с.

2. Аварии и катастрофы. Предупреждение и ликвидация последствий. Учебное пособие. Книга 2. / Под ред. Кочеткова К.Е., Котляревского В.А. и Забегаева А.В. – М.: изд-во АСВ, 1996. – 336 с.

3. Аварии и катастрофы. Предупреждение и ликвидация последствий. Учебное пособие. Книга 3. / Под ред. Котляревского В.А.и Забегаева А.В. – М.: изд во АСВ, 1998. – 416 с.

4. Архипов, И. Н. Расчет прочности защитных конструкций на действие высокоскоростных ударников : автореф. дис. канд. техн. наук : 01.02.04 / И.

Н. Архипов. - Томск, 2011.

5. Барштейн М.Ф. Динамический расчет сооружений на специальные воздействия. Справочник проектировщика. / М.Ф. Барштейн – М.:

Стройиздат, 1981. – 215 с.

6. Бесчастнов М.В. Взрывобезопасность и противоаварийная защита химико технологических процессов / М.В. Бесчастнов – М.: Химия, 1983. - 472 с.

7. Бесчастнов М.В. Промышленные взрывы. Оценка и предупреждение / М.В.

Бесчастнов – М.: Химия, 1991. – 432 с.

8. Бирбраер А.Н. Прочность и надежность конструкций АЭС при особых динамических воздействиях / А.Н. Бирбраер, С. Г. Шульман. – М.:

Энергоатомиздат, 1989. – 304 с.

9. Бирбраер А. Н. Экстремальные воздействия на сооружения / А.Н. Бирбраер, А. Ю. Роледер. – СПб: Изд-во Политехн. Ун-та, 2009. – 594 с.

10.Бормотова Т. А. Экспериментальное исследование дифракции ударной волны, выходящей из каналов с различной формой поперечного сечения:

автореф. Дис. Канд. физ-мат наук: 01.04.14 / Т. А. Бормотова. - М., 1998.

11.Взрывные явления. Оценка и последствия: В 2-х кн. Пер. с англ./ Бейкер У., Кокс П., Уэстайн П. и др. Под ред. Зельдовича Я. Б., Гельфанда Б. E.– M.:

Мир, 1986. – 319 с.

12.Взрывобезопасность и огнестойкость в строительстве / под. ред. Н. А.



Pages:     | 1 || 3 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.