دانلود رایگان ترجمه مقاله شکست مخازن کروی تحت بارگذاری انفجار خارجی (ساینس دایرکت – الزویر 2015)

مبتدی (مناسب برای درک مفهوم کلی مطلب) 

2.2 مدل عددی برای مخازن کروی و منابع انفجاری
یک مدل المان محدود برای خط استوای مماس بر ستون مخزن ذخیره سازی کروی 1000 مترمکعبی ایجاد شده است که متشکل از چهار بخش است: پوسته ی کروی ، ستون ها، گره ها و صفحات اتصال. ضخامت پوسته 45 میلی متر است. بعد مقطع عرضی اسمی از لوله های ستون دایره ای (قطر D ضخامت t) 250 میلی متر در 10 میلی متر است، و بُعد گره 48 در 6 میلی متر است. شکل 1 (الف) شکل و اندازه مدل مخزن ذخیره سازی کروی را نشان می دهد. در این مطالعه،
گاز محتوی آب مفزوض در مخزن ذخیره سازی کروی (شباکو و همکاران، 2007) با حجم 80٪ از آب به منظور به ساده سازی شبیه سازی اثر انفجار در خارج از مخزن مدل شد. فاصله بین مرکز انفجار تا سطح مخزن 25 متر در نظر گرفته شد.

2.3 المان ها و شبکه بندی
با توجه به اندازه واقعی مدل، المان قشری 163 برای شبیه سازی پوسته کروی، اتصال صفحه و ستون مخزن ذخیره سازی کروی استفاده شد و المان قلاب 160 برای نشان دادن گره ها استفاده شد. TNT، گاز مایع و هوا با استفاده از المان جامد 164 مدل شد. از آنجاییکه روش کوپلینگ مایع- جامد ALE نمی تواند به طور همزمان داخل و خارج سازه را در نظر بگیرد، روش ذرات هیدرودینامیک هموار بدون شبکه بندی (SPH) برای شبیه سازی مایع در مخزن استفاده شد و نیروهای منتقله از مایع به پوسته کروی می تواند با بررسی تماس بین آنها مدل سازی شود. برای این کار، شبکه بندی نگاشتی به تصویب رسید. اندازه المان های قشری و المان-های جامد عناصر معرف TNT 40 میلی متر و اندازه المان های جامد معرف هوا 100 میلی متر است.
فعل و انفعالات سیال و سازه با استفاده از یک الگوریتم کوپلینگ شبیه سازی شد. سیال با شبکه بندی ALE ثابت / متحرک مورد عمل قرار گرفت، در حالی که سازه با شبکه بندی تغییر شکل پذیری لاگرانژ مورد عمل بود. الگوریتم کوپلینگ، نیروهای کوپلینگ در رابطه با سیال- سازه را محاسبه می نماید. این نیروها به سیال و سازه نیروهای گرهی اضافه شدند، که بر اساس آنالیز المان محدود صریح محاسبه شد. پیش بینی حداکثر فشار محلی در سازه نیازمند الگوریتم کوپلینگ سیال و سازه دقیق است. الگوریتم کوپلینگ ALE ارائه شده در این مقاله از جریمه های برمبنای فرمول های شبیه به تماس با جرایم آنالیز لاگرانژی استفاده می نماید.

2.4مدل های مواد و معادله حالت
بارهای انفجاری در ارتباط با اثرات نرخ کرنش است. خواص مکانیکی فولاد به طور قابل ملاحظه ای از سویه تحت تاثیر نرخ کرنش است. بنابراین، در این مطالعه، یک مدل سفت شدگی جنبشی چند خطی (مدل جنبشی- پلاستیسیته- حصیری در LS-DYNA)، که قادر به در نظر گرفتن نرخ کرنش است، برای نشان دادن پاسخ فولاد Q235 استفاده شده است. استرس بازده اولیه فولاد 235 مگاپاسکال است، مدول الاستیک 206 گیگا پاسکال و ضریب پواسون 3/0 است. مدل پلاستیسیته وابسته به سرعت برای فشار بازده فولاد، پیشنهاد شده توسط کوپر و سیماندز 1957 با رابطه ی زیر نشان داده شده است: که در آن، 〖 σ〗_dy فشار بازده دینامیکی با توجه به اثر نرخ کرنش، 〖 σ〗_y قدرت بازده استاتیک، εpl نرخ کرنش پلاستیک هم ارز، γ پارامتر ویسکوزیته است، و m پارامتر سفت شدگی نرخ کرنش است. مقادیر پیشنهاد از این دو عامل برای فولاد γ=60 s^(-1) و m=4 است(لو و وانگ، 2012). پارامترهای مکانیکی اصلی برای مواد فولاد استفاده شده در سازه در جدول 1 نشان داده شده است.
مواد منفجره دارای چگالی 1630 کیلوگرم بر مترمکعب، با مواد منفجره با سرعت 6930 متر بر ثانیه و فشار C-J 11010/2 پاسکال هستند. شارژ انفجاری با استفاده از مدل مواد منفجره مواد با سوختگی بالا و معادله حالت جونز-ویلکین-لی (JWL) مدل شد (EOS). معادله حالت JWL فشار را به عنوان تابعی از حجم نسبی، V و انرژی اولیه در واحد حجم، E، به صورت کلی زیر تعریف می کند (لی و همکاران، 1973)

2.5 برآورد رابطه ی هم ارزی TNT مواد منفجره
اثرات انفجار ابر بخار (VCE) به شکل یک موج تلاطم متشکل از یک جبهه تلاطم با فشار بالاست، که با حداکثر فشار پوسیدگی با فاصله به بیرون از مرکز انفجار گسترش می یابد (ژان، 2003). روش هم ارزی TNT به طور گسترده ای برای تخمین بار انفجاری ابر بخار از طریق وزن معادل شارژ TNT استفاده می شود (مانان، 2004؛ پلاناس-کاچی و همکاران، 004). به منظور برآورد حداکثر فشار و ضربه مثبت درفاصله مشخص، انرژی شیمیایی موجود در یک ابر بخار تبدیل به یک وزن موثر مواد منفجره TNT بر اساس معادله زیر شد (بیکر و همکاران، 1983)

که در آن، W_TNT جرم معادل TNT است که می تواند همان اثرات انفجار را تولید نماید، α_e عامل بهره وری است، به طور کلی پذیرفته شده است که با در نظر گرفتن پایه ای برای محاسبه مقدار کل بخار در ابر، مقدار 〖 α〗_e بین 01/0 تا 05/0 برای بیش ترین انفجار است (لوباتو و همکاران، 2006) (در این مقاله، α_e=0.03 است). W_f جرم کل هیدروژن در ابر گازی، Q_f حرارت احتراق هیدروژن (418/0 مگاژول بر کیلوگرم)، و Q_TNT حرارت احتراق TNT (حدود 69/4 مگاژول بر کیلوگرم) (ون دن برگ و لانی، 1993)، ρ چگالی هیدروژن مایع (حدود 5×10^3 کیلوگرم بر مترمکعب است)، V_e حجم هیدروژن مایع در داخل مخزن، ξ یک عامل بهره وری از کل مقدار بنزین آزاد شده (برای مقاله ی حاضر، ξ=0.35)، با توجه به معادلات (6) و (7)، جرم هم ارزی W_TNT در 420 کیلوگرم برآورد شده است.

2.6 اعتبار سنجی مدل انفجار
نتایج محاسبات از پاسخ دینامیک سازه به شدت وابسته به مدل بارگذاری انفجار است. با این حال، به دست آوردن راه حل های دقیق تحلیلی از روش بارگذاری انفجار از طریق آنالیز ساده و یا محاسبه دستی دشوار است. با توسعه تکنیک های کامپیوتری، شبیه سازی عددی روش موثری برای تجزیه و تحلیل و حل مسایل انفجار است ، اگر چه دقت و قابلیت اطمینان از نتایج محاسبه نیازمند تاییدیه های تجربی است. لو و همکارانش (a2011، b2011) یک سری از مطالعات انفجار متلاطم تجربی بر روی پاسخ دینامیکی سقف شناور و سقف ثابت نمونه مخزن مورد بررسی قرار دادند. ویژگی های فشاری ناشی از انفجار بارگذاری شده بر روی دیواره ی صلب در مقیاس بزرگ کشتی ضد انفجار با استفاده از سنسورهای فشار دینامیکی فرکانس بالا اندازه گیری شد. با استفاده از نتایج فشار موج تلاطم به دست آمده از آزمایشات (لو و همکاران، a2011، b2011)، دقت و قابلیت اطمینان تکنیک های مدل سازی انفجار در حال بارگذاری و روش آنالیز اعتبار سنجی شد. روش ALE و روش هم ارزی TNT برای شبیه سازی فرآیند انفجار گاز قابل احتراق، انتشار امواج تلاطم هوا از طریق هوا، و اندرکنش های امواج تلاطم انفجار با دیوار سفت و سخت از کشتی ضد انفجار بزرگ مقیاس به کار گرفته شد. شکل 2 مقایسه نتایج شبیه سازی و داده های تجربی را نشان می دهد (لو و همکاران، a2011، b2011). شکل 2 (الف) و (ب) منحنی های فشار- زمان به دست آمده از مکان های مختلف کشتی به همراه و بدون موج فشار منعکس شده را نشان می دهد. شرح مفصلی از تکنیک های مدل سازی و اعتبار سنجی را در منابع یافت (لو و همکاران، a2011، b2011). مطالعه اعتبار سنجی از دقت و مناسب بودن مدل ارائه شده برای تخمین بارگذاری انفجار حمایت می کند.

3 .بحث و نتایج شبیه سازی
3.1 توزیع انفجار بارگذاری
به منظور اندازه گیری توزیع فشار از موج تلاطم انفجاری در سطح سازه مخزن ذخیره سازی کروی، تعدادی نقطه ی اندازه گیری در مکان های متفاوت از مخزن کروی انتخاب شدند. شکل 3 اطلاعات مربوط به مکان این نقاط اندازه گیری را نشان می دهد.
منحنی های فشار- زمان به دست آمده از اندازه گیری های نقاط مختلف در شکل 4 نشان داده شده است. این نشان می دهد که مقادیر پیک برای همه نقاط فشار انعکاسی بالاتر مقادیر متناظر در حالت تصادفی است. حداکثر مقدار نقطه A حاصل شده است، که در خط استوا کره با مقدار 92/1 مگاپاسکال می باشد، که در شکل 4 (الف) نشان داده شده است. در مقایسه با مقدار فشار به دست آمده در نقطه A، فشار انعکاسی در نقطه اندازه گیری B و G کمی کوچکتر هستند ، که به ترتیب 67/1 مگاپاسکال (شکل 4 (ج)) و 45/1 مگاپاسکال (شکل 4 (ب))، است. لازم به ذکر است که فشار انعکاسی پیک در نقطه B ( 45/1 مگاپاسکال)، که در یکی از پایه ها قرار دارد، نزدیک به یک مقدار تصادفی (37/1 مگاپاسکال) است، آشکار است که پایه ها تنها اثرات محدودی در بازتاب موج تلاطم دارند. نقطه اندازه گیری H، که در آن حداقل فشار اوج حاصل شده است، واقع در بالای مخزن ذخیره سازی کروی است. تقریبا همان مقادیر از فشار انعکاسی و تصادفی در آن نقطه مشاهده شد، که به ترتیب 78/0 و 77/0 مگاپاسکال بود (نگاه کنید به شکل 4 (د)).