(Luận văn thạc sĩ) mô phỏng sự ảnh hưởng của tải nổ trong khu vực dân cư bằng phương pháp phần tử hữu hạn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ CÔNG NGHIỆP LONG AN

NGUYỄN THANH TÙNG

MÔ PHỎNG SỰ ẢNH HƢỞNG CỦA TẢI NỔ
TRONG KHU VỰC DÂN CƢ BẰNG PHƢƠNG
PHÁPPHẦN TỬ HỮU HẠN

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành:Kỹ thuật Xây Dựng
Mã số: 8.58.02.01

Long An - 2020

Luan van


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ CÔNG NGHIỆP LONG AN

NGUYỄN THANH TÙNG

MÔ PHỎNG SỰ ẢNH HƢỞNG CỦA TẢI NỔ
TRONG KHU VỰC DÂN CƢ BẰNG PHƢƠNG
PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành:Kỹ thuật Xây Dựng
Mã số: 8.58.02.01

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS Trƣơng Tích Thiện

Long An - 2020

Luan van


i
LỜI CAM ĐOAN
Ngoài những kết quả tham khảo từ những cơng trình khác như đã được ghi trong
luận văn, tơi xin cam kết rằng luận văn này là do chính tôi thực hiện và luận văn chỉ
được nộp tại Trường Đại học Kinh tế Công nghiệp Long An.
Tôi xin cam đoan rằng: Số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là hoàn
toàn trung thực và chưa từng được sử dụng hoặc công bố trong bất kỳ công trình nào
khác.
Mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã được cảm n và các thơng tin
trích dẫn trong luận văn đều được ghi rõ nguồn gốc.

HỌC VIÊN THỰC HIỆN

Nguyễn Thanh Tùng

Luan van


ii
LỜI CẢM ƠN
Luận văn cao học hoàn thành là kết quả của quá trình học tập và nghiên cứu của
học viên tại Trường Đại học Kinh tế Công nghiệp Long An. Bên cạnh những nỗ lực
của học viên, hoàn thành chư ng trình luận văn khơng thể thiếu sự giảng dạy, quan

tâm, giúp đỡ của tập thể Thầy, Cô khoa Kiến trúc Xây dựng (Trường Đại học Kinh tế
Công nghiệp Long An) trong q trình học tập cũng như hồn thành luận văn cao học
này.
Nhân đây, tôi xin chân thành cảm n thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Trƣơng Tích
Thiện cùng tập thể các thầy cơ, đồng nghiệp đã tận tình quan tâm, hướng dẫn, truyền
đạt kiến thức, kinh nghiệm, tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp tơi hồn thành tốt luận
văn này.
Cũng nhân dịp này, tôi xin trân trọng cám n gia đình, bạn bè, tập thể lớp Cao
học Xây dựng đã hỗ trợ tơi trong q trình học tập và thực hiện luận văn.

HỌC VIÊN THỰC HIỆN

Nguyễn Thanh Tùng

Luan van


iii
Tóm tắt luận văn
Ngày nay, rất nhiều vụ tai nạn công nghiệp kèm theo vụ nổ đang xảy ra trên
khắp thế giới. Ngoài ra, sự gia tăng số lượng các hành vi khủng bố được thực hiện
bằng các vụ nổ được quan sát. Để cải thiện sự an toàn của các tịa nhà và cơng trình,
cần phải nâng cao khả năng chống lại các hiệu ứng nổ, cũng như có thể dự đoán mức
độ thiệt hại tiềm tàng khi tải trọng nổ có cường độ khác nhau. Một trong những mục
tiêu chính trong việc thiết kế cấu trúc chống lại các hiệu ứng nổ là để xác định phản
ứng động của các cấu trúc đối với tác động của sóng nổ. Để cuối cùng, áp lực thoáng
qua trên các bức tường của các cấu trúc kỹ thuật dân dụng sẽ được xác định. Trong
những năm gần đây, nhiều nỗ lực đã được dành cho việc phát triển các phư ng pháp
và thuật tốn đáng tin cậy để phân tích thực tế h n về các cấu trúc chịu tải trọng nổ.
Các mô phỏng ở cấp độ kỹ thuật cho phép người ta ước tính tác động sóng nổ đối với

các tịa nhà bị cơ lập. Sự phức tạp của tịa nhà, sự hiện diện của các cấu trúc gần đó và
mơi trường xung quanh có thể được tính đến. Các kỹ thuật phần mềm hỗ trợ máy tính
tiên tiến kết hợp với các phư ng pháp mới nhất của mô hình thành phố ba chiều rời rạc
cho phép mơ phỏng và phân tích ảnh hưởng của vụ nổ trong khu vực đơ thị với độ
chính xác cao.Đề tài sẽ giúp người đọc hiểu thêm về tính chất và độ ảnh hưởng của
một vụ nổ.

Luan van


iv
SIMULATION OF THE EFFECTS OF BLAST LOADING ON STRUCTURES IN
THE RESIDENTIAL AREA BY FINITE ELEMENT METHOD
Today, many industrial accidents accompanied by explosions are happening
around the world. In addition, an increase in the number of acts of terrorism committed
by blasts is observed. To improve the safety of buildings and structures, it is necessary
to improve the ability to resist explosive effects, as well as to predict the extent of
potential damage when the explosive load is different intensity. One of the main goals
in designing the structure against explosive effects is to determine the dynamic
response of the structures to the effects of the explosion. To that end, transient pressure
on the walls of civil engineering structures will be determined. In recent years, much
effort has been devoted to developing reliable methods and algorithms for more
realistic analysis of explosive load-bearing structures. Technical-level simulations
allow one to estimate the impact of a wave on isolated buildings. The complexity of
the building, the presence of nearby structures and the surrounding environment can be
taken into account. Advanced computer-aided engineering techniques combined with
the latest methods of discrete three-dimensional city modeling allow simulation and
analysis of the effects of explosions in urban areas with high accuracy The topic will
help readers understand more about the nature and impact of an explosion.

Luan van


v

MỤC LỤC
MỤC LỤC .......................................................................................................................v
LỜI NÓI ĐẦU ............................................................... Error! Bookmark not defined.
ĐỊNH NGHĨA TỪ VIẾT TẮT ..................................................................................... vii
KÝ HIỆU ..................................................................................................................... viii
DANH MỤC BẢNG ..................................................................................................... ix
DANH MỤC HÌNH ........................................................................................................x
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI .......................................................................1
1.1. Ý nghĩa của đề tài .................................................................................................1
1.2. Đối tượng và phư ng pháp nghiên cứu .............. Error! Bookmark not defined.
1.3. Giới thiệu về module Ansys Autodyn ................................................................26
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ..............................................................................12
2.1. Quan hệ giữa trạng thái ứng suất và trạng thái biến dạng ..................................12
2.2. Tổng quan về lý thuyết phần tử hữu hạn (FEM) ................................................15
2.2.1. Khái niệm ....................................................................................................15
2.2.2. Trình tự phân tích bài tốn theo FEM .........................................................16
2.2.3. FEM trong bài toán động lực học ( Explicit Dynamic) ...............................18
2.3. Hiện tượng nổ .....................................................................................................20
2.4. Phư ng pháp phần tử hữu hạn Arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) ..............24
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ MƠ PHỎNG .........................................................................28
3.1. Bài tốn 1 ............................................................................................................28
3.1.1. Giới thiệu bài tốn .......................................................................................28
3.1.2. Thơng số vật liệu .........................................................................................29

Luan van

vi
3.1.3. Mơ hình hình học.........................................................................................30
3.1.4. Mơ hình phần tử hữu hạn ............................................................................31
3.1.5. Q trình thiết lập bài tốn ..........................................................................32
3.1.6. Kết quả mơ phỏng .......................................................................................40
3.1.7. Nhận xét.......................................................................................................51
3.2. Bài tốn 2 ............................................................................................................52
3.2.1. Giới thiệu bài tốn .......................................................................................52
3.2.2. Thơng số vật liệu .........................................................................................52
3.2.3. Mơ hình hình học.........................................................................................52
3.2.4. Mơ hình phần tử hữu hạn ............................................................................54
3.2.5. Q trình thiết lập bài tốn ..........................................................................55
3.2.6. Kết quả tính tốn .........................................................................................60
3.2.7. Nhận xét.......................................................................................................70
CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ..............................................77
4.1. Kết luận...............................................................................................................77
4.2. Kết quả đạt được .................................................................................................77
4.3. Hạn chế và hướng phát triển...............................................................................78
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...............................................................................................1

Luan van


vii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
STT

Từ viết
tắt

Thuật ngữ tiếng Anh

Thuật ngữ tiếng Việt

1

ALE

Arbitrary Lagrange Euler Phư ng pháp Lagrange-Euler

2

FEM

Finite Element Method

Phư ng pháp phân tử hữu hạn

3

JWL

Jones-Wilkins-Lee

Phư ng trình Jones-Wilkins-Lee

Luan van

viii

KÝ HIỆU
Ký hiệu

Mơ tả
Các ứng suất chính
Các biến dạng chính
Các ứng suất tiếp

̇

Tốc độ biến dạng
Biến dạng dẻo dự đốn
Mơđun Young

G

Môđun đàn hồi trượt
Hệ số Poisson
Môđun tiếp tuyến
Môđun dẻo

̅
K

Ma trận độ cứng tổng thể

{̅

Vector chuyển vị nút tổng thể

{̅

Vector tải tổng thể

Ứng suất chảy
[B]

Ma trận biến dạng

, -

Ma trận độ cứng của kết cấu
Áp suất động
Áp lực nổ tối đa
Áp suát phản xạ tối đa
Áp suất xung quanh
Xung phản xạ

Luan van


ix

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Trang
Bảng 2.1. Dạng hình học đ n giản của các phần tử ............................................ 16

Bảng 3.1. Thông số TNT trong phư ng trình JWL (3.1).................................... 29
Bảng 3.2. Thơng số vật liệu của TNT ................................................................. 29
Bảng 3.3. Chiều cao của mơ hình các tịa nhà .................................................... 30
Bảng 3.4. Tọa độ vị trí đặt đồng hồ đo................................................................ 31
Bảng 3.5. Kết quả áp suất sóng nổ theo thời gian ............................................... 40
Bảng 3.6. Kết quả vận tốc lan truyền sóng nổ .................................................... 45
Bảng 3.7. Kết quả năng lượng khối thuốc nổ theo thời gian .............................. 48
Bảng 3.8. Kích thước mơ hình trong bài tốn 2 .................................................. 53
Bảng 3.9. Tọa độ vị trí các điểm khảo sát của bài toán 2 ................................... 53
Bảng 3.10. Kết quả áp suất sóng nổ theo thời gian ............................................. 61
Bảng 3.6. Kết quả vận tốc lan truyền sóng nổ .................................................... 66
Bảng 3.6. Kết quả năng lượng khối thuốc nổ theo thời gian .............................. 68

Luan van


x

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1. Tai nạn nổ nhà máy hóa học .......................................................................... 1
Hình 1.2. Mơ phỏng hiện tượng nổ trong khu vực dân cư bằng phương pháp số ......... 2
Hình 1.3. Đặc điểm tải nổ .............................................................................................. 4
Hình 1.4. Sóng xung kích từ một vụ nổ........................................................................... 5
Hình 1.5. Sự ảnh hưởng của sóng xung kích lên kết cấu theo thời gian ........................ 6
Hình 0.1. Đường cong ứng suất - biến dạng của vật liệu ............................................ 15
Hình 0.2. Biểu đồ áp suất sóng nổ theo thời gian [2] ............................................................................. 22
Hình 0.3. Một số giá trị số đại diện của áp suất phản xạ cực đại [2] ........................................ 24
Hình 2.4. Mơ phỏng va chạm bằng Ansys Autodyn [3].......................................................................... 28
Hình 2.5. Lưu đồ mơ phỏng .......................................................................................... 28
Hình 0.4. Giới thiệu về bài tốn 1 ................................................................................ 29

Hình 0.5. Hình dạng hình học mơ hình tịa nhà của khu dân cư [1] ............................................. 31
Hình 0.6. Mơ hình phần tử hữu hạn ............................................................................. 33
Hình 0.7. Chọn kiểu mơ hình 2D .................................................................................. 34
Hình 0.8. Thêm vật liệu và tạo vùng Euler cho bai tốn .............................................. 34
Hình 0.9. Vị trí thuốc nổ TNT ....................................................................................... 35
Hình 0.10. Vị trí điểm kích nổ ...................................................................................... 36
Hình 0.11. Giá trị áp suất nổ của khối TNT ................................................................ 36
Hình 0.12. Thiết lập mơ hình miền Euler và điều kiện trong Explicit Dynamics ........ 37
Hình 0.13. Thiết lập thời gian nổ là 5ms ...................................................................... 37
Hình 0.14. Thiết lập gia tốc trọng trường .................................................................... 38
Hình 0.15. Cố định các tịa nhà .................................................................................... 38
Hình 0.16. Thiết lập vật liệu cho bài toán trong Ansys Autodyn ................................. 39
Hình 0.17. Tạo vùng khơng khí bao quanh các tịa nhà ............................................... 39

Luan van


xi
Hình 0.18. Thiết lập Boundaries cho bài tốn ............................................................. 40
Hình 0.19. Đưa khối thuốc nổ 2D đã tính tốn ở bước 1 vào bài tốn ........................ 40
Hình 0.20. Kiểm sốt và thiết lập các điều kiện cuối cùng để giải bài tốn ................ 41
Hình 0.21. Xác lập các vị trí điểm khảo sát ................................................................. 42
Hình 0.22. Nhấn Run để bắt đầu giải bài tốn............................................................. 43
Hình 0.23. Kết quả áp suất sóng nổ của TS. Fedorov tại điểm khảo sát T1 ................ 46
Hình 0.24. Kết quả áp suất sóng nổ của luận văn tại điểm khảo sát T1 ...................... 47
Hình 0.25. Kết quả áp suất sóng nổ của TS. Fedorov tại điểm khảo sát T3 ................ 47
Hình 0.26. Kết quả áp suất sóng nổ của luận văn tại điểm khảo sát T3 ...................... 48
Hình 0.27. Kết quả áp suất sóng nổ của luận văn tại 3 điểm khảo sát ........................ 49
Hình 0.28. Đồ thị so sánh kết quả vận tốc tuyền sóng giữa 3 vị trí khảo sát ............... 51
Hình 0.29. Đồ thị kết quả vận tốc tuyền sóng vị trí T1 ................................................ 51

Hình 0.30. Đồ thị kết quả vận tốc tuyền sóng vị trí T2 ................................................ 52
Hình 0.31. Đồ thị kết quả vận tốc tuyền sóng vị trí T3 ................................................ 52
Hình 0.32. Đồ thị so sánh kết quả năng lượng sóng nổ giữa 3 vị trí khảo sát............. 55
Hình 0.33. Đồ thị kết quả năng lượng sóng nổ vị trí T1 .............................................. 55
Hình 0.34. Đồ thị kết quả năng lượng sóng nổ vị trí T2 .............................................. 56
Hình 0.35. Đồ thị kết quả năng lượng sóng nổ vị trí T3 .............................................. 57
Hình 0.36. Hình dạng hình học mơ hình bài tốn 2 .................................................... 59
Hình 0.37. Vị trí các điểm khảo sát .............................................................................. 61
Hình 0.38. Mơ hình phần tử hữu hạn của bài tốn 2 ................................................... 62
Hình 0.36. Thiết lập mơ hình miền Euler và điều kiện trong Explicit Dynamics ........ 62
Hình 0.37. Thiết lập thời gian nổ là 6ms ...................................................................... 63
Hình 0.38. Thiết lập gia tốc trọng trường .................................................................... 63
Hình 0.39. Cố định các tòa nhà .................................................................................... 64

Luan van


xii
Hình 0.40. Thiết lập vật liệu cho bài tốn trong Ansys Autodyn ................................. 64
Hình 0.41. Tạo vùng khơng khí bao quanh các tịa nhà ............................................... 65
Hình 0.42. Thiết lập Boundaries cho bài tốn ............................................................. 65
Hình 0.43. Đưa khối thuốc nổ 2D đã tính tốn ở bước 1 vào bài tốn ........................ 66
Hình 0.44. Kiểm sốt và thiết lập các điều kiện cuối cùng để giải bài tốn ................ 66
Hình 0.45. Xác lập các vị trí điểm khảo sát ................................................................. 67
Hình 0.46. Nhấn Run để bắt đầu giải bài tốn............................................................. 67
Hình 0.39. Đồ thị kết quả áp suất sóng nổ tại T1~T8 của Tiến sỹ Valger ................... 71
Hình 0.40. Đồ thị kết quả áp suất sóng nổ tại T1~T8 của luận văn ............................ 71
Hình 0.41. Đồ thị kết quả áp suất sóng nổ tại T9~T13 của Tiến sỹ Valger ................. 72
Hình 0.50. Đồ thị kết quả áp suất sóng nổ tại T9~T13 của luận văn .......................... 72
Hình 0.42. Kết quả áp suất sóng nổ của luận văn tại 13 điểm khảo sát ...................... 73

Hình 0.43. Kết quả vận tốc lan truyền sóng nổ tại T1~T8 của luận văn ..................... 74
Hình 0.53. Kết quả vận tốc lan truyền sóng nổ tại T9~T13 của luận văn ................... 75
Hình 0.44. Kết quả năng lượng sóng nổ vị trí T1~T8 của luận văn ............................ 77
Hình 0.45. Kết quả năng lượng sóng nổ vị trí T9~T13 của luận văn .......................... 78
Hình 3.56. Kích thước hình học của bài tốn ............................................................. 79
Hình 3.57 Mơ hình phần tử hữu hạn ........................................................................... 80
Hình 3.58. Các thơng số vật liệu nổ và khơng khí....................................................... 81
Hình 3.59. Trường áp suất của bài toán tại từng thời điểm ở giai đoạn ban đầu ...... 83
Hình 3.60. Đồ thị áp suất tác động lên điểm Gauge .................................................. 84

Luan van


1
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1. Mở đầu
Ngày nay, rất nhiều tai nạn công nghiệp kèm theo các vụ nổ đang xảy ra trên
khắp thế giới. Các vụ tai nạn cháy nổ xảy ra tại các khu công nghiệp cất chứa những
hóa chất dễ phát nổ có thể tạo ra sóng xung kích ảnh hưởng đến khu vực dân cư lân
cận. Để cải thiện sự an toàn của các tòa nhà, cần nghiên cứu các phư ng án thiết kế
sao cho tăng sức đề kháng của chúng đối với các hiệu ứng nổ. Việc dự đoán được mức
độ thiệt hại do tải nổ gây ra với các cường độ khác nhau là cần thiết. Một trong những
mục tiêu chính trong việc thiết kế cấu trúc chống lại các hiệu ứng nổ là xác định đáp
ứng động lực học của các cấu trúc đối với tác động của sóng nổ và cần khảo sát sự
thay đổi của áp lực do sóng nổ gây ra theo thời gian.

Hình 1.1. Tai nạn nổ nhà máy hóa học
Theo M. Remennikov, hiện nay có ba nhóm phư ng pháp để đốn tải trọng nổ
tác dụng lên cơng trình như sau:
Phư ng pháp thực nghiệm: về bản chất có liên quan đến các dữ liệu thí nghiệm.

Một trong những hạn chế của nhóm phư ng pháp này là bỏ qua bản chất vật lý thực
của hiện tượng tư ng tác giữa sóng nổ và kết cấu, bởi vì chúng được thiết lập với giả

Luan van


2
định rằng lộ trình tải trọng - thời gian được áp dụng cho tất cả các phần tử bề mặt kết
cấu cùng một lúc.
Phư ng pháp bán thực nghiệm: dựa trên các mơ hình được đ n giản hóa của các
hiện tượng vật lý. Độ chính xác trong việc ước đoán bằng phư ng pháp bán thực
nghiệm thường tốt h n độ chính xác được cung cấp bởi các phư ng pháp thực nghiệm.
Theo nhóm này, tải trọng nổ tác dụng lên tường ngồi của một cơng trình được tính
tốn dựa trên trọng lượng thuốc nổ tư ng đư ng TNT, vị trí của tác nhân nổ đối với
cơng trình và sự giả định về mơ hình truyền sóng liên quan.
Phư ng pháp số: là các phư ng pháp dựa trên các phư ng trình tốn học mơ tả
các định luật vật lý c bản chi phối bài toán. Những phư ng pháp này bao gồm định
luật bảo toàn khối lượng, định luật bảo toàn động lượng và định luật bảo tồn năng
lượng.

Hình 1.2. Mơ phỏng hiện tượng nổ trong khu vực dân cư bằng phương pháp số
Khảo sát ứng xử của kết cấu khi có tác dụng của sóng nổ là một vấn đề có tính
thực tế cao. Hầu hết các nghiên cứu trên đều dựa vào phương pháp số thơng qua các
phần mềm phân tích phi tuyến trên cơ sở so sánh với kết quả thí nghiệm. Trong khi đó,
thí nghiệm nổ rất tốn kém, liên quan đến vấn đề an toàn và gây ảnh hưởng lớn đến mơi
trường sinh thái. Do đó, việc tính tốn mơ phỏng ứng xử của kết cấu dưới sự tác dụng
của tải nổ là việc cần thiết và có ý nghĩa thiết thực về mặt an toàn và kinh tế

Luan van

3
Luận văn xây dựng mơ hình khu dân cư và sử dụng phần mềm ANSYS để mô
phỏng ứng xử c học của khu dân cư dưới tác động của tải trọng nổ bằng phân tích
tư ng tác rắn lỏng dựa trên phư ng pháp phần tử hữu hạn và phư ng pháp thể tích hữu
hạn. Các kết quả về áp suất phân bố lên kết cấu do sóng nổ gây ra và sự lan truyền của
sóng nổ trong khơng gian ba chiều sẽ được phân tích chi tiết.
1.2. Tải trọng gây nổ
1.2.1. Hiện tƣợng nổ
Nổ là hiện tượng có thể xảy ra khi các chất bị đốt nóng hoặc phân hủy đột ngột
tạo ra một lượng lớn nhiệt và trong một khoảng thời gian ngắn. Các loại vũ khí nổ như
bom, đầu đạn… đều có cấu tạo c bản gồm có chất nổ, thiết bị kích nổ và vỏ bọc
ngồi. Khi chất nổ bị kích hoạt bằng nhiệt hoặc xung động, hợp chất nổ xảy ra cả phản
ứng phân hủy và phản ứng cháy. Các chất hóa học chứa rất nhiều năng lượng, đây là
lực liên kết giữa các nguyên tử khác nhau trong cùng một phân tử của chất đó, khi
phản ứng nổ bắt đầu xảy ra, phần lớn năng lượng này được giải phóng tạo ra một
lượng nhiệt khổng lồ và giải phóng ra các chất khí. Các chất khí trong chất hóa học bị
nén dưới áp lực lớn, do đó, khi hiện tượng nổ xảy ra, các chất khí này nở bung ra với
vận tốc rất nhanh, nhiệt lượng được giải phóng kèm theo trong phản ứng nổ thậm chí
cịn tăng vận tốc của các chất khí này lên rất nhiều lần và tạo ra các sóng xung động
1.2.2. Sóng nổ
Là sóng được tạo thành sau một vụ nổ và ở trong một chất nổ. Sóng nổ là sóng
chấn động do thuốc nổ, bom, mìn, đạn pháo cỡ lớn, bộc phá, thủy lơi, bình ga, bình
điện, các vụ hỏa hoạn xăng dầu... cháy nổ tạo nên. Sóng nổ phát ra từ tâm vụ nổ tỏa ra
theo vòng tròn với một áp suất rất cao. Độ lớn của áp suất và tốc độ của sóng nổ giảm
dần khi truyền đi xa tâm vụ nổ. Đại lượng đo sóng nổ tính bằng kg/cm3, đại lượng này
cịn được gọi là xung lượng của sóng nổ .
Khi một vụ nổ được kích nổ trong khơng khí, nó sẽ giải phóng ra một lượng
nhiệt khổng lồ và các sản phẩm khác vào môi trường xung quanh với một tốc độ cao
(~7200m/s). Việc mở rộng nhanh chóng của các sản phẩm nổ tạo ra một làn sóng chấn

động có liên tục trong áp suất, mật độ, nhiệt độ và tốc độ .

Luan van


4

Hình 1.3. Đặc điểm tải nổ
1.3. Sóng xung kích
1.3.1. Định nghĩa
Sóng xung kích là một mặt gián đoạn lan truyền trong các môi trường vật chất
(thường gặp trong môi trường chất lưu như mơi trường chất khí, chất lỏng, plasma,...)
mà khi đi qua mặt truyền sóng các thơng số khí động, nhiệt động như mật độ, áp suất,
nhiệt độ, vận tốc, entropy,... bị gián đoạn với các bước nhảy hữu hạn. Cần phân biệt
sóng xung kích với các sóng xuất hiện từ các va chạm sinh ra. Trong trường hợp sau
thì khơng phải bản thân các thơng số khí động và nhiệt động gián đoạn trên mặt truyền
sóng mà là đạo hàm của chúng bị gián đoạn.

Luan van


5

Hình 1.4. Sóng xung kích từ một vụ nổ
1.3.2. Các tính chất vi mơ của sóng xung kích
Từ cái nhìn vĩ mơ sóng xung kích được xem xét như một mặt tưởng tượng mà
trên đó các đại lượng nhiệt động lực học của môi trường (các thông số này về ngun
tắc là các hàm liên tục theo khơng gian) có các điểm kì dị có thể bỏ qua: bước nhảy
hữu hạn. Khi đi qua mặt truyền sóng xung kích giá trị của áp suất, nhiệt độ, mật độ vật
chất của môi trường, và cả vận tốc chuyển động của môi trường đối với mặt truyền

sóng xung kích đều có sự đột biến. Tất cả các đại lượng này biến đổi khơng độc lập
tuyến tính mà liên hệ bởi một đặc tính duy nhất của sóng xung kích - số Mach. Phư ng
trình tốn học liên hệ các đại lượng nhiệt động trước và sau mặt truyền sóng xung kích
được gọi là hệ thức đẳng áp xung kích, hoặc là đẳng áp Hugoniot (Hu-gơ-ni-ơ)
1.3.3. Cấu trúc vi mơ của sóng xung kích

Luan van


6
Độ dày của sóng xung kích cường độ lớn thường vào khoảng độ dài bước nhảy tự
do của phân tử khí (chính xác h n là khoảng 10 lần độ dài bước nhảy tự do, và không
thể nhỏ h n 2 lần giá trị này; kết quả này được đưa ra bởi Chapman vào những năm
đầu thập kỉ 50). Trong khí động lực học vĩ mơ thì độ dài chuyển động tự do được xem
là vô cùng nhỏ (xấp xỉ bằng khơng), các phư ng pháp khí động học đ n thuần không
thể đem ứng dụng vào việc nghiên cứu cấu trúc của sóng xung kích với cường độ lớn.
Để phục vụ mục đích nghiên cứu lý thuyết về cấu trúc của sóng xung kích người
ta thường sử dụng lý thuyết động học. Bài tốn về cấu trúc của sóng xung kích khơng
có lời giải giải tích, nhưng cũng có thể sử dụng các mơ hình đã được đ n giản hóa.
Một trong những mơ hình đó là mơ hình Tamm-Mott-Smith.

Hình 1.5. Sự ảnh hưởng của sóng xung kích lên kết cấu theo thời gian
1.3.4. Vận tốc truyền sóng xung kích
Vận tốc truyền sóng xung kích trong mơi trường cao h n vận tốc âm thanh trong
mơi trường đó. Cường độ sóng càng lớn thì vận tốc truyền sóng càng cao. Cường độ

Luan van


7

của sóng xung kích được đánh giá dựa vào tỉ lệ giữa độ chênh lệch áp suất trước và
sau mặt truyền sóng so với áp suất của mơi trường.
1.4. Tổng quan về tình hình nghiên cứu
1.4.1. Tình hình nghiên cứu ở nƣớc ngoài
Trên thế giới đã nhiều nghiên cứu về vấn đề ứng xử c học của kết cấu dưới tác
dụng của các loại tải trọng nổ thông qua phư ng pháp thực nghiệm phư ng pháp số.
Michele Bounsanti và các cộng sự (2013) đã nghiên cứu ứng xử c học của kết cấu
đường hầm dưới tác động của tải nổ thông qua mô phỏng số ba chiều. Rong-Bing
Deng và Xian-Long Jin (2009) đã mô phỏng sự phá hủy của kết cấu cầu khi có sự tác
động của tải nổ. Các kết quả tính tốn đều được đăng trên các tạp chí khoa học quốc
tế.
1.4.2. Tình hình nghiên cứu trong nƣớc
Tại Việt Nam, đã có một số nghiên cứu về vấn đề ứng xử c học của kết cấu
dưới tác dụng của các loại tải trọng nổ bằng phư ng pháp số nhưng khá ít. Hầu hết là
các kết cấu đường hầm hoặc liên quan đến các cơng trình qn sự. Chủ yếu là sử dụng
phư ng pháp thực nghiệm. Đặng Văn Kiên (2018) đã nghiên cứu ảnh hưởng của chấn
động nổ mìn khi thi cơng đường hầm đến kết cấu cơng trình ngầm lân cận thơng qua
luận án tiến sĩ kỹ thuật. Vũ Đình Lợi và các đồng nghiệp vào năm 2015 đã nghiên cứu
thực nghiệm tác dụng giảm chấn của cơng trình chịu tải trọng sóng xung kích dưới
nước ở quần đảo trường sa và kết quả được đăng trên Tạp chí Khoa học và Cơng nghệ
Biển. Bên cạnh đó, tại Học viện Kỹ thuật Quân sự, GS. Nguyễn Văn Hợi và các cộng
sự đã tính tải trọng sóng nổ tác dụng lên cơng trình đặt trong mơi trường đất bão hịa
nước theo mơ hình đàn hồi nhớt phi tuyến.
1.5. Lý do chọn đề tài
Hiện nay ở Việt Nam, q trình xây dựng các khu cơng nghiệp lớn đang diễn ra
mạnh mẽ, đặt ra nhu cầu cấp thiết về sự đảm bảo về độ an toàn của các cơng trình xây
dựng ngồi với kết cấu được thiết kế vững chắc, yêu cầu kĩ thuật cao để có thể giảm
thiểu tối đa các thiệt hại về kinh tế và nhân mạng nếu có sự cố cháy nổ xảy ra.

Luan van

8
Các vụ tai nạn xảy ra tại các khu công nghiệp cất chứa những hóa chất dễ phát nổ
có thể tạo ra sóng xung kích ảnh hưởng đến khu vực dân cư lân cận nên cần nghiên
cứu các phư ng án thiết kế sao cho tăng sức đề kháng của những cơng trình quan trọng
đối với các hiệu ứng nổ. H n nữa, việc dự đoán được mức độ thiệt hại do tải nổ gây ra
với các cường độ khác nhau là cần thiết.
Việc nghiên cứu ứng xử c học của cơng trình khu dân cư dưới tác dụng của tải
nổ sẽ mang lại tính an tồn, hiệu quả kinh tế, giảm thiệt hại tối đa cho cơng trình khi
sự cố xảy ra. Đây là một yêu cầu quan trọng cần được quan tâm trong lĩnh vực xây
dựng những khu công nghiệp cất chứa những vật liệu dễ cháy nổ hay những cơng trình
qn sự.
Vì vậy,việc nghiên cứu ứng xử c học các cơng trình khu dân cư dưới sự tác
dụng của tải nổ cần được triển khai nghiên cứu nhiều h n để giảm thiểu thiệt hại cho
cơng trình và nhân mạng phịng khi có sự cố lớn xảy ra.
1. . Lợi ích củ đề t i
1.6.1. Lợi ích khoa học
Các kết quả mô phỏng của luận văn sẽ cung cấp một cách nhìn tồn diện h n về
hiệu quả của việc áp dụng phư ng pháp số để phân tích bài tốn ứng xử phi tuyến của
vật liệu dưới sự tác dụng của tải trọng nổ. Ngoài ra, luận văn cũng cung cấp một qui
trình mơ phỏng bài toán đáp ứng động lực học của kết cấu chịu tải nổ thơng qua
chư ng trình tính tốn hiện đại.
1.6.2. Lợi ích thực tiễn
Việc áp dụng các phư ng pháp số thơng qua các chư ng trình tính tốn hiện đại
để mô phỏng ứng xử c học phi tuyến của kết cấu khi có tải nổ tác động giúp ta tiết
kiệm được chi phí thử nghiệm, kiểm chứng trong thực tế. Bên cạnh đó, dựa vào kết
quả mơ phỏng được ta có thể đề xuất ra các giải pháp an tồn cho cơng trình.
1.7. Mục tiêu, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
1.7.1. Mục tiêu tổng qu t

Luan van


9
Áp dụng phư ng pháp số đểmô phỏng sự lan truyền của sóng nổ theo thời gian
và ứng xử c học của các cơng trình khu dân cư dưới sự tác dụng của tải nổ.
1.7. . Mục tiêu cụ thể
Cụ thể, mục tiêu của đề tài này như sau:
-

Mục tiêu 1: Nghiên cứu các phư ng pháp số phù hợp để mơ phỏng bài tốn
động lực học cho trường hợp cơng trình dưới sự tác dụng tải nổ.

-

Mục tiêu 2: Mơ phỏng sự lan truyền của sóng nổ và ứng xử của kết cấu khi bị
tác động của sóng nổ.
-

Mục tiêu 2.1: Thiết lập bài toán động lực học theo thời gian với tải trọng gây
nổ.

-

Mục tiêu 2.2:.Tính tốn mơ phỏng được trường áp suất của sóng nổ,ứng
suất, chuyển vị của kết cấu theo thời gian trong quá trình tải nổ tác động
bằng phần mềm ANSYS.

-

Mục tiêu 3: Xác định được các vị trí yếu nhất của kết cấu khi có sự tác động của
tải nổ, đề xuất giải pháp gia cố để tăng độ vững chắc.

1.8.3. Đối tƣợng v phạ

vi nghiên cứu

1.9.3.1. Đối tƣợng nghiên cứu
Cơng trình dân dụng khu dân cư dưới tác động của tải trọng nổ.
1.9.3.2. Phạm vi nghiên cứu
Mô phỏng ứng xử c học của kết cấu dưới sự tác dụng của tải trọng nổ. Xét bài
tốn tư ng tác giữa sóng nổ và kết cấu. Nghiên cứu sự biến dạng của kết cấu sau khi bị
tác động bởi tải nổ, sự lan truyền của sóng nổ. Các yếu tố phi tuyến được xét đến là:
 Phi tuyến vật liệu (phá hủy).
 Phi tuyến hình học (biến dạng lớn).
 Phi tuyến tiếp xúc.

Luan van


10
Phi tuyến do tư ng tác rắn lỏng.
1.10. Phƣơng ph p nghiên cứu
Phư ng pháp nghiên cứu: Bài toán sử dụng phư ng pháp Arbitrary Lagrange
Euler (ALE) để mô phỏng bài toán nổ trên kết cấu khu dân cư.
1.11. Ý nghĩ củ đề t i
Kết cấu cơng trình dân dụng kết cấu khơng gian phức tạp, có thể gặp nhiều sự cố
như cháy nổ. Chính vì vậy việc tính tốn mơ phỏng ứng xử phi tuyến trong cấu trúc
cơng trình dân dụng dưới sự tác dụng của tải nổ là việc cần thiết. Điều này có ý nghĩa

thiết thực về mặt an toàn và kinh tế. Để cải thiện sự an tồn của các tịa nhà và cơng
trình, cần phải nâng cao khả năng chống lại các hiệu ứng nổ, cũng như có thể dự đốn
mức độ thiệt hại tiềm tàng khi tải trọng nổ có cường độ khác nhau. Một trong những
mục tiêu chính trong việc thiết kế cấu trúc chống lại các hiệu ứng nổ là để xác định
phản ứng động của các cấu trúc đối với tác động của sóng nổ. Các mơ phỏng ở cấp độ
kỹ thuật cho phép ta ước tính tác động sóng nổ đối với các tịa nhà bị cơ lập. Sự phức
tạp của tòa nhà, sự hiện diện của các cấu trúc gần đó và mơi trường xung quanh có thể
được tính đến. Các kỹ thuật phần mềm hỗ trợ máy tính tiên tiến kết hợp với các
phư ng pháp mới nhất của mơ hình thành phố ba chiều rời rạc cho phép người ta mơ
phỏng và phân tích ảnh hưởng của vụ nổ trong khu vực đơ thị với độ chính xác cao.
Trong luận văn, tác giả lựa chọn kết cấu khu dân cư và sử dụng phần mềm
ANSYS AUTODYN để mô phỏng ứng xử c học của kết cấu dưới tác động của tải
trọng nổ bằng phư ng pháp phần tử hữu hạn. Các kết quả về áp suất phân bố lên kết
cấu do sóng nổ gây ra và sự lan truyền của sóng nổ trong khơng gian ba chiều sẽ được
phân tích chi tiết. Kết quả tính tốn được tác giải so sánh với bài báo khoa học uy tín.
Từ kết quả tính tốn, tác giả sẽ đề xuất một số phư ng án phù hợp sao cho giảm tối đa
thiệt hại cho kết cấu trong trường hợp có sự cố xảy ra.

Luan van


11
1.12. Kết luận chƣơng 1
Trong chư ng 1, các khái niệm c bản liên quan đến hiện tượng nổ, lý do chọn
đề tài, mục tiêu, phư ng pháp nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu đã được trình bày để
qua đó, luận văn sẽ có c sở nghiên cứu sâu h n về c sở lý thuyết để có thể áp dụng
trong việc tính tốn mơ phỏng sẽ được cụ thể hóa trong chư ng 3.

Luan van