Введение к работе
Актуальность работы. Разрушение сооружений от взрывных воздействий может привести к материальному ущербу, во много раз превосходящему стоимость самого сооружения, большим человеческим жертвам, тяжелым экологическим последствиям. Одной из главных задач обеспечивающих безопасность сооружений является определение волновых напряжений в сооружении. Повышение требований к безопасности сооружений от взрывных воздействий обусловливает совершенствование существующих методов расчета. Реализация поставленной проблемы возможно при условии применения моделей и методов волновой теории упругости с учетом моделирования водной и грунтовой сред. Такая постановка задачи позволяет сделать очередное приближение к реальной ситуации при моделировании сложного процесса. На основании изложенного можно утверждать, что постановка задачи, разработка методики, реализация алгоритма численного моделирования и решение задачи для прогноза безопасности сооружений при взрывных воздействиях на набережной речного порта с водной средой является актуальной фундаментальной и прикладной научной задачей.
Объект исследования - безопасность сооружения от взрывных воздействий.
Предмет исследования - безопасность набережной речного порта с водным объектом при сосредоточенном упругом взрывном воздействии.
Целью работы, является численное моделирование безопасности сооружения, находящегося в грунтовой и водной средах, от сосредоточенного взрывного воздействия. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
-
Постановка, разработка методики и реализация алгоритма решения задачи о сосредоточенном упругом взрывном воздействии на набережной речного порта с водным объектом.
-
Решение задачи о распространении плоских продольных волн в виде импульсного воздействия (восходящая часть - четверть круга, средняя -горизонтальная, нисходящая - линейная) в упругой полуплоскости.
-
Сопоставление с результатами аналитического решения на фронте плоской волны для плоского напряженного состояния.
-
Решение задачи о сосредоточенном упругом взрывном воздействии на набережной речного порта с незаполненным водным объектом.
-
Решение задачи о сосредоточенном упругом взрывном воздействии на набережной речного порта с заполненным водным объектом на 25%.
-
Решение задачи о сосредоточенном упругом взрывном воздействии на набережной речного порта с заполненным водным объектом на 50%.
-
Решение задачи о сосредоточенном упругом взрывном воздействии на набережной речного порта с заполненным водным объектом на 75%.
-
Решение задачи о сосредоточенном упругом взрывном воздействии на набережной речного порта с заполненным водным объектом на 100%.
Научная новизна работы.
-
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 взрывных воздействиях на сооружения, находящиеся в грунтовой и водной средах. Основные соотношения метода конечных элементов получены с помощью принципа возможных перемещений. Задачи решаются с помощью метода сквозного счета, без выделения разрывов.
-
Решена задача о распространении плоских продольных упругих волн напряжений в полуплоскости. Исследуемая расчетная область имеет 20402 узловые точки. Решается система уравнений из 81608 неизвестных. Для решения поставленной задачи используется импульсное воздействие (восходящая часть - четверть круга, средняя - горизонтальная, нисходящая - линейная).
-
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.
-
Решена задача о сосредоточенном упругом взрывном воздействии на набережной речного порта с незаполненным водным объектом. Взрывное воздействие моделируется в виде треугольного импульса. Исследуемая расчетная область имеет 20402 узловые точки. Решается система уравнений из 81608 неизвестных. Получены напряжения в точках на набережной речного порта с незаполненным водным объектом. Растягивающее упругое контурное напряжение ок имеет следующее максимальное значение ok =0,331. Сжимающее упругое контурное напряжение ок имеет следующее максимальное значение ок = - 0,356. Растягивающее упругое нормальное напряжение ох имеет следующее максимальное значение ох = 0,192. Сжимающее упругое напряжение ох имеет следующее максимальное значение ох = - 0,233. Растягивающее упругое нормальное напряжение о имеет следующее максимальное значение о = 0,029. Сжимающее упругое напряжение о имеет следующее максимальное значение о = - 0,029. Растягивающее упругое касательное напряжение т имеет следующее максимальное значение тху = 0,05. Сжимающее упругое касательное напряжение тху имеет следующее максимальное значение тху = - 0,059.
-
Решена задача о сосредоточенном упругом взрывном воздействии на набережной речного порта с заполненным водным объектом на 25%. Взрывное воздействие моделируется в виде треугольного импульса. Исследуемая расчетная область имеет 20402 узловые точки. Решается система уравнений из 81608 неизвестных. Получены напряжения в точках
на набережной речного порта. Заполненный водный объект на 25% изменяет величину упругого растягивающего контурного напряжения ок в 1,00 раз. Заполненный водный объект на 25% изменяет величину упругого сжимающего контурного напряжения ок в 1,00 раз. Заполненный водный объект на 25% изменяет величину упругого растягивающего нормального напряжения ох в 1,00 раз. Заполненный водный объект на 25% изменяет
величину упругого сжимающего нормального напряжения ох в 1,00 раз. Заполненный водный объект на 25% изменяет величину упругого растягивающего нормального напряжения о в 1,00 раз. Заполненный
водный объект на 25% изменяет величину упругого сжимающего нормального напряжения о в 1,036 раза. Заполненный водный объект на
25% изменяет величину упругого растягивающего касательного напряжения т в 1,00 раз. Заполненный водный объект на 25% изменяет
величину упругого сжимающего касательного напряжения т в 0,983
раза.
Решена задача о сосредоточенном упругом взрывном воздействии на набережной речного порта с заполненным водным объектом на 50%. Взрывное воздействие моделируется в виде треугольного импульса. Исследуемая расчетная область имеет 20402 узловые точки. Решается система уравнений из 81608 неизвестных. Получены напряжения в точках на набережной речного порта. Заполненный водный объект на 50% изменяет величину упругого растягивающего контурного напряжения ок в 1,003 раза. Заполненный водный объект на 50% изменяет величину упругого сжимающего контурного напряжения ок в 1,00 раз. Заполненный водный объект на 50% изменяет величину упругого растягивающего нормального напряжения ох в 1,00 раз. Заполненный водный объект на 50% изменяет величину упругого сжимающего нормального напряжения ох в 1,035 раза. Заполненный водный объект на
50% изменяет величину упругого растягивающего нормального напряжения о в 1,00 раз. Заполненный водный объект на 50% изменяет
величину упругого сжимающего нормального напряжения о в 1,00 раз.
Заполненный водный объект на 50% изменяет величину упругого растягивающего касательного напряжения т в 1,00 раз. Заполненный
водный объект на 50% изменяет величину упругого сжимающего касательного напряжения тху в 1,00 раз.
Решена задача о сосредоточенном упругом взрывном воздействии на набережной речного порта с заполненным водным объектом на 75%. Взрывное воздействие моделируется в виде треугольного импульса. Исследуемая расчетная область имеет 20402 узловые точки. Решается система уравнений из 81608 неизвестных. Получены напряжения в точках
на набережной речного порта. Заполненный водный объект на 75% изменяет величину упругого растягивающего контурного напряжения ок в 1,003 раза. Заполненный водный объект на 75% изменяет величину упругого сжимающего контурного напряжения ок в 0,99 раза. Заполненный водный объект на 75% изменяет величину упругого растягивающего нормального напряжения ох в 0,99 раза. Заполненный водный объект на 75% изменяет величину упругого сжимающего нормального напряжения ох в 1,059 раза. Заполненный водный объект на
75% изменяет величину упругого растягивающего нормального напряжения о в 1,00 раз. Заполненный водный объект на 75% изменяет
величину упругого сжимающего нормального напряжения о в 1,00 раз.
Заполненный водный объект на 75% изменяет величину упругого растягивающего касательного напряжения тху в 1,00 раз. Заполненный
водный объект на 75% изменяет величину упругого сжимающего касательного напряжения тху в 1,00 раз.
8. Решена задача о сосредоточенном упругом взрывном воздействии на набережной речного порта с заполненным водным объектом на 100%. Взрывное воздействие моделируется в виде треугольного импульса. Исследуемая расчетная область имеет 20402 узловые точки. Решается система уравнений из 81608 неизвестных. Получены напряжения в точках на набережной речного порта. Заполненный водный объект на 100% изменяет величину упругого растягивающего контурного напряжения ок в 1,226 раза. Заполненный водный объект на 100% изменяет величину упругого сжимающего контурного напряжения ок в 1,047 раза. Заполненный водный объект на 100% изменяет величину упругого растягивающего нормального напряжения ох в 1,352 раза. Заполненный водный объект на 100% изменяет величину упругого сжимающего нормального напряжения ох в 1,04 раза. Заполненный водный объект на
100% изменяет величину упругого растягивающего нормального напряжения о в 1,036 раза. Заполненный водный объект на 100%
изменяет величину упругого сжимающего нормального напряжения о в
1,036 раза. Заполненный водный объект на 100% изменяет величину упругого растягивающего касательного напряжения т в 1,00 раз.
Заполненный водный объект на 100% изменяет величину упругого сжимающего касательного напряжения т в 1,00 раз.
Практическая ценность работы.
1. Методика и результаты решенных задач рекомендуются для использования в научно-технических организациях, специализирующихся в области защиты сооружений находящихся в водной и грунтовой средах от взрывных воздействий.
2. Проведенные в работе исследования имеют как фундаментальное, так и
прикладное значение.
Достоверность результатов.
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.
Основные научные положения. Автором защищаются основные научные положения:
-
Постановка, разработка методики и реализация алгоритма решения задачи о сосредоточенном упругом взрывном воздействии на набережной речного порта с водным объектом.
-
Решение задачи о распространении плоских продольных волн в виде импульсного воздействия (восходящая часть - четверть круга, средняя -горизонтальная, нисходящая - линейная) в упругой полуплоскости.
-
Сопоставление с результатами аналитического решения на фронте плоской волны для плоского напряженного состояния.
-
Решение задачи о сосредоточенном упругом взрывном воздействии на набережной речного порта с незаполненным водным объектом.
-
Решение задачи о сосредоточенном упругом взрывном воздействии на набережной речного порта с заполненным водным объектом на 25%.
-
Решение задачи о сосредоточенном упругом взрывном воздействии на набережной речного порта с заполненным водным объектом на 50%.
-
Решение задачи о сосредоточенном упругом взрывном воздействии на набережной речного порта с заполненным водным объектом на 75%.
-
Решение задачи о сосредоточенном упругом взрывном воздействии на набережной речного порта с заполненным водным объектом на 100%. Апробация работы.
Отдельные результаты и работа в целом доложены:
-
На Всероссийской научно-практической конференции «Безопасность и экология технологических процессов и производств» (Персияновка, Донской государственный аграрный университет, 2011, 2012 и 2013).
-
На Всероссийской научно-практической конференции «Техносферная безопасность, надежность, качество, энергосбережение» (Ростов-на-Дону -Новомихайловский, Ростовский государственный строительный университет, 2011 и 2012).
-
На Международной конференции «Проблемы управления безопасностью сложных систем» (Москва, ИПУ РАН, 2010, 2011 и 2012).
-
На Всероссийской конференции с международным участием «Информационно-телекоммуникационные технологии и математическое моделирование высокотехнологических систем» (Москва, РУДН, 2011 и 2012).
-
На Всероссийской молодежной конференции «Математическое моделирование в проблемах рационального природопользования» (Москва, РГСУ, 2012).
-
На Международной научно-технической конференции «Инновационные технологии в развитии строительства, машин и механизмов для строительства и коммунального хозяйства, текущего содержания и ремонта железнодорожного пути» (Смоленск, МГУПС, 2011 и 2012). Публикации.
По теме диссертации опубликовано 30 работ.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Основное содержание изложено на 272 страницах, в том числе текста 80 страниц, рисунков 120 страниц и списка литературы 72 страницы из 441 наименования.
