Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время вопросам безопасности окружающей среды от взрывных воздействий в объектах хранения опасных веществ уделяется большое внимание. Рассматриваемая проблема включает большой перечень фундаментальных и прикладных задач в области чрезвычайных ситуаций техногенного характера, которые необходимо решить. Одной из главных задач является определение волновых напряжений в объектах хранения опасных веществ с окружающей средой. Для обеспечения безопасности окружающей среды от взрывных воздействий в объектах хранения опасных веществ назрела необходимость применять различные технические средства, которые могли помочь управлять напряженным состоянием. Управление волновым напряженным состоянием можно осуществить с помощью методов численного моделирования рассматриваемого объекта. В работе применяется один из возможных технических средств защиты окружающей среды от взрывных воздействий в объектах хранения опасных веществ - полости в окрестности предполагаемого сооружения. Взрывное волновое воздействие, на своем пути встречая полость, будет ее обходить. Поэтому будет снижаться напряженное состояние в предполагаемом объекте. На основании изложенного можно утверждать, что постановка задачи, разработка методики, реализация алгоритма численного моделирования и решение задач о применении технических средств защиты окружающей среды от волновых взрывных воздействий в объектах хранения опасных веществ, является актуальной фундаментальной и прикладной научной задачей.
Объект исследования - безопасность сооружения от взрывных воздействий.
Предмет исследования - безопасность окружающей среды от взрывных воздействий в объектах хранения опасных веществ.
Целью работы, является численное моделирование безопасности окружающей среды с помощью полостей от взрывных воздействий в объекте хранения опасных веществ. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
-
Постановка, разработка методики и реализация алгоритма решения задачи о применении полостей для увеличения безопасности объекта хранения опасных веществ при взрывных воздействиях, с помощью численного моделирования волновых уравнений теории упругости.
-
Численное исследование задачи о распространении плоских продольных волн в виде импульсного воздействия (восходящая часть - четверть круга, нисходящая - линейная) в упругой полуплоскости.
-
Сопоставление с результатами аналитического решения на фронте плоской волны для плоского напряженного состояния.
-
Решение задачи о воздействии упругой взрывной волны в объекте хранения опасных веществ без полости.
-
Решение задачи о воздействии упругой взрывной волны в объекте хранения опасных веществ с полостью в виде прямоугольника (соотношение ширины к высоте один к пяти).
-
Решение задачи о воздействии упругой взрывной волны в объекте хранения опасных веществ с полостью в виде прямоугольника (соотношение ширины к высоте один к десяти).
-
Решение задачи о воздействии упругой взрывной волны в объекте хранения опасных веществ с полостью в виде прямоугольника (соотношение ширины к высоте один к пятнадцати).
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 в объекте хранения опасных веществ. Основные соотношения метода конечных элементов получены с помощью принципа возможных перемещений. Задачи решаются методом сквозного счета, без выделения разрывов.
-
Решена задача о распространении плоских продольных волн в виде импульсного воздействия (восходящая часть - четверть круга, нисходящая - линейная) на упругую полуплоскость. Исследуемая расчетная область имеет 14250 узловых точек. Решается система уравнений из 57000 неизвестных.
-
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 воздействии взрывной волны в объекте хранения опасных веществ без полости. Исследуемая расчетная область имеет 14250 узловых точек. Решается система уравнений из 57000 неизвестных. Получены напряжения в точках на поверхности упругой полуплоскости около объекта хранения опасных веществ без полости. Растягивающее упругое контурное напряжение ок имеет следующее максимальное значение
ок = 0,326. Сжимающее упругое контурное напряжение ок имеет
следующее максимальное значение ок = - 0,259. Растягивающее упругое
нормальное напряжение ох имеет следующее максимальное значение
ох = 0,301. Сжимающее упругое нормальное напряжение ох имеет
следующее максимальное значение ох = - 0,204.
5. Решена задача о воздействии упругой взрывной волны в объекте хранения
опасных веществ с полостью в виде прямоугольника (соотношение
ширины к высоте один к пяти). Исследуемая расчетная область имеет
14250 узловых точек. Решается система уравнений из 57000 неизвестных.
Получены напряжения в точках на поверхности упругой полуплоскости
около объекта хранения опасных веществ с полостью. Полость, с
соотношением ширины к высоте один к пяти, уменьшает величину упругого растягивающего контурного напряжения ок в 1,462 раза. Полость, с соотношением ширины к высоте один к пяти, уменьшает величину упругого сжимающего контурного напряжения ок в 1,66 раза. Полость, с соотношением ширины к высоте один к пяти, уменьшает величину упругого растягивающего нормального напряжения ох в 1,51 раза. Полость, с соотношением ширины к высоте один к пяти, уменьшает величину упругого сжимающего нормального напряжения ох в 1,84 раза.
-
Решена задача о воздействии упругой взрывной волны в объекте хранения опасных веществ с полостью в виде прямоугольника (соотношение ширины к высоте один к десяти). Исследуемая расчетная область имеет 14250 узловых точек. Решается система уравнений из 57000 неизвестных. Получены напряжения в точках на поверхности упругой полуплоскости около объекта хранения опасных веществ с полостью. Полость, с соотношением ширины к высоте один к десяти, уменьшает величину упругого растягивающего контурного напряжения ок в 3,2 раза. Полость, с соотношением ширины к высоте один к десяти, уменьшает величину упругого сжимающего контурного напряжения ок в 1,86 раза. Полость, с соотношением ширины к высоте один к десяти, уменьшает величину упругого растягивающего контурного напряжения ох в 3,07 раза. Полость, с соотношением ширины к высоте один к десяти, уменьшает величину упругого сжимающего контурного напряжения ох в 2,04 раза.
-
Решена задача о воздействии упругой взрывной волны в объекте хранения опасных веществ с полостью в виде прямоугольника (соотношение ширины к высоте один к пятнадцати). Исследуемая расчетная область имеет 14250 узловых точек. Решается система уравнений из 57000 неизвестных. Получены напряжения в точках на поверхности упругой полуплоскости около объекта хранения опасных веществ с полостью. Полость, с соотношением ширины к высоте один к пятнадцати, уменьшает величину упругого растягивающего контурного напряжения ок в 5,34 раза. Полость, с соотношением ширины к высоте один к пятнадцати, уменьшает величину упругого сжимающего контурного напряжения ок в 2,75 раза. Полость, с соотношением ширины к высоте один к пятнадцати, уменьшает величину упругого растягивающего контурного напряжения ох в 5,79 раза. Полость, с соотношением ширины к высоте один к пятнадцати, уменьшает величину упругого сжимающего контурного напряжения ох в 2,61 раза.
Практическая ценность работы. 1. Методика и результаты решенных задач рекомендуются для использования в научно-технических организациях, специализирующихся в области защиты окружающей среды с помощью полостей от взрывных воздействий в объектах хранения опасных веществ.
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 волн в виде импульсного воздействия в упругой полуплоскости, с результатами аналитического решения, показало хорошее качественное и количественное согласование.
Основные научные положения. Автором защищаются основные научные положения:
-
Методика, алгоритм и комплекс программ для решения линейных двумерных плоских задач, которые позволяют решать сложные задачи при взрывных воздействиях в объекте хранения опасных веществ.
-
Численное исследование задачи о распространении плоских продольных волн в виде импульсного воздействия (восходящая часть - четверть круга, нисходящая - линейная) в упругой полуплоскости.
-
Сопоставление с результатами аналитического решения на фронте плоской волны для плоского напряженного состояния.
-
Численное исследование задачи о воздействии упругой взрывной волны в объекте хранения опасных веществ без полости.
-
Численное исследование задачи о воздействии упругой взрывной волны в объекте хранения опасных веществ с полостью в виде прямоугольника (соотношение ширины к высоте один к пяти).
-
Численное исследование задачи о воздействии упругой взрывной волны в объекте хранения опасных веществ с полостью в виде прямоугольника (соотношение ширины к высоте один к десяти).
-
Численное исследование задачи о воздействии упругой взрывной волны в объекте хранения опасных веществ с полостью в виде прямоугольника (соотношение ширины к высоте один к пятнадцати).
Апробация работы.
Отдельные результаты и работа в целом доложены:
-
На Международном семинаре «Проблемы безопасности сложных систем» (Москва, РУДН, 2007, 2008 и 2009).
-
На Всероссийской научно-практической конференции «Безопасность и экология технологических процессов и производств» (Персияновка, Донской государственный аграрный университет, 2007, 2008, 2009, 2010, 2011, 2012 и 2013).
-
На Всероссийской научно-практической конференции «Техносферная безопасность, надежность, качество, энергосбережение» (Ростов-на-Дону -Новомихайловский, Ростовский государственный строительный университет, 2007, 2008, 2009, 2010, 2011 и 2012).
-
На Международной конференции «Проблемы управления безопасностью сложных систем» (Москва, ИПУ РАН, 2007, 2008, 2009, 2010, 2011 и 2012).
-
На Всероссийской конференции с международным участием «Информационно-телекоммуникационные технологии и математическое
моделирование высокотехнологических систем» (Москва, РУДН, 2009, 2010,2011 и 2012).
-
На Всероссийской молодежной конференции «Математическое моделирование в проблемах рационального природопользования» (Москва, РГСУ, 2012).
-
На Международной научно-практической конференции «Инженерные системы» (Москва, РУДН, 2009 и 2010).
-
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 39 работ.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Основное содержание изложено на 246 страницах, в том числе текста 77 страниц, рисунков 98 страниц и списка литературы 71 страницы из 439 наименований.
