Численное моделирование безопасности сооружений неглубокого заложения при внешних взрывных воздействиях Сазонов, Константин Борисович

Введение к работе

Актуальность работы. Разрушение уникальных объектов от внешних взрывных воздействий может привести к материальному ущербу, большим человеческим жертвам и тяжелым экологическим последствиям. Одной из главных задач обеспечивающих безопасность уникальных объектов машиностроения, энергетики, строительства и других отраслей экономики является определение волновых напряжений. Обеспечение безопасности сооружений неглубокого заложения от внешних взрывных воздействий осуществляется с помощью численного моделирования волновых уравнений теории упругости. Численное моделирование предоставляет возможность исследовать волновое напряженное состояние сооружения неглубокого заложения с помощью вычислительного эксперимента. Математическое моделирование позволяет провести исследование быстрее и дешевле лабораторного и натурного эксперимента. Для обеспечения безопасности рассматриваемого объекта предлагается применять вертикальные полости, которые позволяют управлять волновым напряженным состоянием. Взрывное волновое воздействие, на своем пути встречая полость, будет ее обходить. Поэтому будет снижаться напряженное состояние в предполагаемом сооружении. На основании представленной информации можно утверждать, что постановка задачи, разработка методики, реализация алгоритма численного моделирования и решение задач о применении вертикальных полостей для защиты сооружения неглубокого заложения от внешних волновых взрывных воздействий, является актуальной фундаментальной и прикладной научной задачей.

Целью работы, является численное моделирование безопасности сооружения неглубокого заложения от внешних взрывных воздействий с помощью вертикальных полостей. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Целью работы является постановка, разработка методики и реализация алгоритма решения задачи о применении полостей для увеличения безопасности сооружения неглубокого заложения при внешних взрывных воздействиях, с помощью численного моделирования волновых уравнений теории упругости.

2. Численное исследование задачи о воздействии плоской продольной волны в виде треугольного импульса с большой линейной нисходящей частью на упругую полуплоскость.

3. Сопоставление с результатами аналитического решения на фронте плоской волны для плоского напряженного состояния.

4. Решение задачи о внешнем взрывном воздействии на сооружение неглубокого заложения без полости.

5. Решение задачи о внешнем взрывном воздействии на сооружение неглубокого заложения с полостью в виде прямоугольника (соотношение ширины к высоте один к пяти, десяти и пятнадцати).

Научная новизна работы.

6. На основе метода конечных элементов в перемещениях разработаны методика, алгоритм и комплекс программ для решения линейных двумерных плоских задач, которые позволяют решать сложные задачи при внешних взрывных воздействиях на уникальные сооружения неглубокого заложения.

7. Решена задача о распространении плоских продольных упругих волн напряжений в полуплоскости. Исследуемая расчетная область имеет 17112 узловых точек. Решается система уравнений из 68448 неизвестных. Волновое воздействие моделируется в виде треугольного импульса с большой линейной нисходящей частью.

8. Сравнение результатов для нормальных напряжений, которые получены с помощью метода конечных элементов в перемещениях, при решении задачи о распространении плоских продольных упругих волн в полуплоскости с результатами аналитического решения, показало хорошее количественное и качественное совпадение.

9. Проведенные исследования позволяют сделать вывод о физической достоверности результатов численного решения полученных, с помощью метода конечных элементов в перемещениях, при решении задач о распространении взрывных волн в деформируемых телах.

10. Решена задача о внешнем взрывном воздействии на сооружение неглубокого заложения без полости. Взрывное воздействие моделируется в виде дельта функции. Исследуемая расчетная область имеет 17112 узловых точек. Решается система уравнений из 68448 неизвестных. Получены напряжения в точках на поверхности упругой полуплоскости около сооружения неглубокого заложения без полости. Растягивающее упругое контурное напряжение о_к имеет следующее максимальное значение а_к = 0,349. Сжимающее упругое контурное напряжение а_к имеет следующее максимальное значение а_к =-0,303. Растягивающее упругое нормальное напряжение а_х имеет следующее максимальное значение а_х =0,163. Сжимающее упругое нормальное напряжение а, имеет следующее максимальное значение ёт_х =-0,192.

11. Получены напряжения в угловых точках основания сооружения неглубокого заложения без полости. Растягивающее упругое контурное напряжение ст_к имеет следующее максимальное значение o_k =0,126. Сжимающее упругое контурное напряжение <т_к имеет следующее максимальное значение о_к = - 0,164.

12. Решена задача о внешнем взрывном воздействии на сооружение неглубокого заложения с полостью в виде прямоугольника (соотношение ширины к высоте один к пяти). Исследуемая расчетная область имеет 17112 узловых точек. Решается система уравнений из 68448 неизвестных. Рассматриваются точки на свободной поверхности упругой полуплоскости, которые находятся на поверхности между полостью и

сооружением неглубокого заложения. Полость, с соотношением ширины к высоте один к пяти, уменьшает величину упругого растягивающего контурного напряжения о_к в 2,374 раза. Полость, с соотношением ширины к высоте один к пяти, уменьшает величину упругого сжимающего контурного напряжения о_к в 2,78 раза. Полость, с соотношением ширины к высоте один к пяти, уменьшает величину упругого растягивающего нормального напряжения о_х в 2,012 раза. Полость, с соотношением ширины к высоте один к пяти, уменьшает величину упругого сжимающего нормального напряжения а_х в 3,2 раза.

8. Получены напряжения в угловых точках основания сооруженіш неглубокого заложения с полостью в виде прямоугольника (соотношение ширины к высоте один к пяти). Полость, с соотношением ширины к высоте один к пяти, уменьшает величину упругого растягивающего нормального напряжения а_к в 1,145 раза. Полость, с соотношением ширины к высоте один к пяти, уменьшает величину упругого сжимающего нормального напряжения о_к в 1,864 раза.

9. Решена задача о внешнем взрывном воздействии на сооружение неглубокого заложения с полостью в виде прямоугольника (соотношение ширины к высоте один к десяти). Исследуемая расчетная область имеет 17112 узловых точек. Решается система уравнений из 68448 неизвестных. Рассматриваются точки на свободной поверхности упругой полуплоскости, которые находятся на поверхности между полостью и сооружением неглубокого заложения. Полость, с соотношением ширины к высоте один к десяти, уменьшает величину упругого растягивающего контурного напряжения а_к в 4,256 раза. Полость, с соотношением ширины к высоте один к десяти, уменьшает величину упругого сжимающего контурного напряжения с_к в 6,587 раза. Полость, с соотношением ширины к высоте один к десяти, уменьшает величину упругого растягивающего нормального напряжения о_х в 3,26 раза. Полость, с соотношением ширины к высоте один к десяти, уменьшает величину упругого сжимающего нормального напряжения в_х в 6,4 раза.

10. Получены напряжения в угловых точках основания сооружения неглубокого заложения с полостью в виде прямоугольника (соотношение ширины к высоте один к десяти). Полость, с соотношением ширины к высоте один к десяти, уменьшает величину упругого растягивающего нормального напряжения о_к в 2,471 раза. Полость, с соотношением ширины к высоте один к десяти, уменьшает величину упругого сжимающего нормального напряжения о_к в 5,125 раза.

11. Решена задача о внешнем взрывном воздействии на сооружение неглубокого заложения с полостью в виде прямоугольника (соотношение ширины к высоте один к пятнадцати). Исследуемая расчетная область имеет 17112 узловых точек. Решается система уравнений из 68448 неизвестных. Рассматриваются точки на свободной поверхности упругой

полуплоскости, которые находятся на поверхности между полостью и сооружением неглубокого заложения. Полость, с соотношением ширины к высоте один к пятнадцати, уменьшает величину упругого растягивающего контурного напряжения а_к в 7,425 раза. Полость, с соотношением ширины к высоте один к пятнадцати, уменьшает величину упругого сжимающего контурного напряжения а_к в 17,823 раза. Полость, с соотношением ширины к высоте один к пятнадцати, уменьшает величину упругого растягивающего нормального напряжения о, в 5,433 раза. Полость, с соотношением ширины к высоте один к пятнадцати, уменьшает величину упругого сжимающего нормального напряжения о_х в 16 раз. 12. Получены напряжения в угловых точках основания сооружения неглубокого заложения с полостью в виде прямоугольника (соотношение ширины к высоте один к пятнадцати). Полость, с соотношением ширины к высоте один к пятнадцати, уменьшает величину упругого растягивающего нормального напряжения о_к в 2,423 раза. Полость, с соотношением ширины к высоте один к пятнадцати, уменьшает величину упругого сжимающего нормального напряжения о_к в 9,111 раза. Практическая ценность работы.

1. Методика и результаты решенных задач рекомендуются для использования в научно-технических организациях, специализирующихся в области защиты сооружений неглубокого заложения от внешних взрывных воздействий с помощью вертикальных полостей.

2. Проведенные в работе исследования имеют как фундаментальное, так и прикладное значение.

Достоверность результатов.

Сравнение результатов нормальных напряжений, полученных с помощью метода конечных элементов в перемещениях, при решении задачи о распространении плоских продольных взрывных волн в виде треугольного импульса в упругой полуплоскости, с результатами аналитического решения, показало хорошее качественное и количественное согласование.

Основные научные положения. Автором защищаются основные научные положения:

3. Методика, алгоритм и комплекс программ для решения линейных двумерных плоских задач, которые позволяют решать сложные задачи при внешних взрывных воздействиях на сооружения неглубокого заложения.

4. Численное исследование задачи о распространении плоских продольных волн в виде треугольного импульса с большой линейной нисходящей частью в упругой полуплоскости.

5. Сопоставление с результатами аналитического решения на фронте плоской волны для плоского напряженного состояния.

6. Численное исследование задачи о воздействии внешней взрывной волны на сооружение неглубокого заложения без полости.

7. Численное исследование задачи о воздействии внешней взрывной волны на сооружение неглубокого заложения с полостью в виде прямоугольника

(соотношение ширины к высоте один к пяти, десяти и пятнадцати).

Апробация работы.

Отдельные результаты и работа в целом доложены:

8. На Всероссийской научно-практической конференции «Безопасность и экология технологических процессов и производств» (Персияновка, Донской государственный аграрный университет, 2007, 2008, 2009 и 2010).

9. На Всероссийской научно-практической конференции «Техносферная безопасность, надежность, качество, энергосбережение» (Ростов-на-Дону — Шепси, Ростовский государственный строительный университет, 2007 и 2008).

10. На Всероссийской научно-практической конференции «Техносферная безопасность, надежность, качество, энергосбережение» (Ростов-на-Дону -Новомихайловский, Ростовский государственный строительный университет, 2009 и 2010).

11. На XV, XVI, XVII и XVIII Международной конференции «Проблемы управления безопасностью сложных систем» (Москва, ИПУ РАН, 2007, 2008,2009 и 2010).

12. На Международном семинаре «Проблемы безопасности сложных систем» (Москва, РУДН, 2007, 2008 и 2009).

13. На XLIV, XLV и XLVI Всероссийской научной конференции по проблемам математики, информатики, физики и химии. Секции физики (Москва, РУДН, 2008, 2009 и 2010).

14. На Международной научно-практической конференции «Инженерные системы-2008», «Инженерные системы-2009» и «Инженерные системы-2010» (Москва, 2008,2009 и 2010).

15. На Московской городской конференции молодых ученых «Современные проблемы инженерных исследований» (Москва, 2008).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 45 работ.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Основное содержание изложено на 244 страницах, в том числе текста 80 страниц, рисунков 109 страниц и списка литературы 55 страниц из 386 наименований.

Похожие диссертации на Численное моделирование безопасности сооружений неглубокого заложения при внешних взрывных воздействиях

Управление безопасностью окружающей среды с помощью полостей при взрывных воздействиях в сооружениях неглубокого заложенияКуранцов Виктор Аркадьевич

Математическое моделирование безопасности сооружений с грунтовой и воздушной средами при сейсмических воздействияхСитник Светлана Владимировна

Математическое моделирование безопасности окружающей среды при динамических воздействиях на фундамент машинКуранцов, Валентин Викторович

Математическое моделирование безопасности некоторых объектов речного порта при взрывных воздействияхШепелина, Полина Валерьевна

Математическое моделирование защиты окружающей среды от взрывных воздействий на объектах хранения опасных веществШиянов, Сергей Михайлович

Численное моделирование технических средств защиты сооружений от сейсмических воздействийФедоров Андрей Леонидович

Численное моделирование технических средств защиты сооружений от взрывных воздействийПопов Александр Александрович

Обеспечение технологической безопасности гидравлической системы морских нефтеналивных терминалов в процессе налива судов у причальных сооруженийАрбузов Николай Сергеевич

Анализ и моделирование взаимодействия параметров безопасности при влиянии внешних воздействий на информационный комплекс организацииФофанов Алексей Владимирович

Математическое моделирование воздействия лазерного излучения умеренной интенсивности на веществоМажукин Владимир Иванович