Численное моделирование взаимодействия взрывных волн с трубопроводами в грунтовых средах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.06, кандидат физико-математических наук Глазова, Елена Геннадьевна

• Глазова, Елена Геннадьевна
• кандидат физико-математических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Глазова, Елена Геннадьевна

ВВЕДЕНИЕ. г., t, . .т.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. О проблеме изучения поведения грунтовых сред под действием взрывных нагрузок.

1.2. Обзор моделей деформирования грунтовых сред.

1.3. Исследования взаимодействия волн в грунтах с элементами конструкций.

1.4. Выводы из обзора. Цели и задачи диссертационной работы.

Научная новизна. Практическая ценность.

2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ПОСТАНОВКА НЕЛИНЕЙНЫХ ДВУМЕРНЫХ ЗАДАЧ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ВЗРЫВНЫХ ВОЛН С ПОДЗЕМНЫМИ ТРУБОПРОВОДАМИ. . .".

2.1. Уравнения динамики грунта в Лагранжевых координатах.

2.2. Условия контакта трубных оболочек с грунтом и жидкостью. Граничные условия.

2.3. Широкодиапазонные уравнения состояния грунтовых сред при динамическом нагружении.,,.

2.3.1. Уравнения состояния типа С.С. Григоряна.

2.3.1.1. Ударная адиабата, упругий и упруго пластический участок.

2.3.1.2. Кривые объемной разгрузки.

2.3.1.3. Кривые предельного состояния для сдвигового деформирования.

2.3.2. Релаксационные уравнения состояния.

2.3.2.1. Уравнения упругопластически-релаксационной модели.

2.3.2.2. Вопросы определения релаксационных констант и функций.

2.3.3. Уравнения состояния для мерзлых, грунтов.

2.3.3.1. Особенности УРС для мерзлых грунтов.

2.3.3.2. Выбор констант и функций для уравнения состояния мерзлого грунта.

2.4. Моделирование процесса взрыва в грунте.

3. ЧИСЛЕННЫЕ СХЕМЫ И АЛГОРИТМЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ.

3.1. Вариационно-разностный метод.

3.2. Реализация УРС грунтов типа С.С. Григоряна.

3.3. Разностные соотношения модели релаксационных УРС.

3.4. Программная реализация в ППП «Динамика-1» и «Динамика-2».

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ШИРОКОДИАПАЗОННЫХ УРС НА ЗАДАЧАХ

О ВЗРЫВЕ В МЯГКОМ ГРУНТЕ.

4.1. Влияние параметров в УРС типа Григоряна.

- 4.2. Влияние релаксационных свойств грунта.

4.2.1. Исследование свойств упругопластически-релаксационной модели грунта.

4.2.2. Влияние релаксационных свойств грунта на параметры взрывных волн.

4.2.3. Сравнение с экспериментальными данными Замышляева Б.В., ЕвтереваЛ.С.

5. исследование взрывных процессов в мерзлом грунте

5.1. Сферический взрыв в мерзлом грунте.

5.1.1. Экспериментальные исследования Г.МЛяхова.

5.1.2. Оценка влияния констант модели грунта и вязкостных свойств на

• результаты расчетов.

5.2. Сферический взрыв в слоистом (мерзлый-немерзлый) грунте.

5.2.1. Численные исследования по подбору фазового состава для талого грунта.

5.2.2. Расчет перехода взрывной волны из мерзлого в немерзлый грунт.

5.2.3. Расчет перехода взрывной волны из немерзлого в мерзлый грунт.

5.3. Двумерная задача о взрыве в мерзлом и слоистом грунте с учетом влияния свободной поверхности.

5.3.1. Особенности численного моделирования.

5.3.2. Влияние свободной поверхности.

5.3.3. Совместное влияние свободной поверхности и слоя немерзлого грунта.

6. ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ВЗРЫВНЫХ ВОЛН С ПОДЗЕМНЫМИ ТРУБОПРОВОДАМИ.

6.1. Взаимодействие трубопровода с продольной волной в упругой среде.

6.2. Взаимодействие трубопровода с поперечной волной в упругой среде.

6.3. Взаимодействие трубопровода с продольной волной с учетом засыпки.

6.4. Взаимодействие трубопровода с упругопластической волной.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Численное моделирование взаимодействия взрывных волн с трубопроводами в грунтовых средах»

Исследрвание-процессов-воздействияГвзры'вных волн iia по в частн6сш''трубо11роводь1, представляет интерес в связи^^сх.ГишрЬкии—кругом приложений в инженерной сейсмологии, геофизике, строительстве. Взрыв, в. грунте сопровождается возникновением и распространением в среде нелинейных волновых процессов. Воздействие образующихся волн на подземные трубопроводтл-и другие объеетьг приводит, с одной стороны, к необходимости изучения действия взрыва ВВ на-грунты как особого динамического процесса, а с другой, к исследованию^войств сами^С-грунгов,: при динамических нагрузках. Решение задач взаимодействия взрывных волн с подземными трубопроводами осложняется дополнительными трудностями, связанными с постановкой адекватных граничных условий на участках 5=:::фшшц:контактного взаимодействия. Необходимо также учитывать реальные условия "залёгания трубопроводов, которые обычно располагаются в траншеях, заполняемых , .грунтом с иными физико-механическими свойствами относительно основной среды. —Перечисленные факторы могут оказывать значительное' влияние на процесс - динамического деформирования трубопровода. - " " *; .Для исследования поведения грунтовых сред под действием взрывных нагрузок применяются как экспериментальные, так и теоретические методы. Решение проблемы динамического воздействия грунтовых сред на элеметы конструкций требует привлечения сложного математического аппарата для совместного интегрирования уравнений динамики среды и префады. Наиболее полно реальные условия нафужения и нелинейные эффекты деформирования при решении начальнокраевых задач взаимодействия элементов конструкций с различными средами могут быть учтены при использовании численных методов. Широкое распространение численных методов при моделировании последствий взрывных процессов на трубопроводы, фундаменты и другие подземные сооружения приводит к необходимости оснащения этих методов достоверными моделями деформирования фунтовых сред и материальными константами и функциями.Учитывая вышесказанное, исследования процессов воздействия волн в фунтовых средах на подземные трубопроводы при различных условиях контакта трубопроводов и окружающей среды и с учетом реальных условий залега1гая являются актуальными, В этой связи необходима разработка численных методик и уравнений состояния фунтовых сред, позволяющих проводить оценку волновыхполей как вблизи, так и вдали от источника возмущения.

Заключение диссертации по теме «Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры», Глазова, Елена Геннадьевна

7. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. В двумерной (плоской или осесимметричной) постановке сформулированы задачи взаимодействия взрывных волн с деформируемыми трубопроводами в мягких и мерзлых грунтовых средах с учетом нелинейных эффектов контактного взаимодействия трубопровода с окружающим грунтом и заполняющей жидкостью, больших перемещений, необратимых объемных и сдвиговых деформаций, объемной вязкости грунта.

2. Разработаны численные алгоритмы, реализующие широкодиапазонные упругопластические и релаксационные уравнения состояния мягких и мерзлых грунтов как многокомпонентных сред. Алгоритмы реализованы в виде программных модулей для ППП «Динамика-1», «Динамика-2».

3. На задачах распространения сферических взрывных волн в грунте исследовано влияние на параметры волн различного вида ударных адиабат, вида объемной разгрузки, зависимости предела текучести от давления, свободной пористости, структурной прочности скелета. Проведенные исследования показали, что наибольшее влияние на амплитуду и длительность волны в мягком грунте оказывают константы, описывающие ударные адиабаты и объемную разгрузку. Релаксационные эффекты наибольшее влияние оказывают в окрестности фронта головной ударной волны, снижая ее амплитуду и сглаживая ударный фронт. Их влияние на величину импульса давления намного меньше.

4. Решены одномерные и двумерные задачи взрыва в мерзлом однородном и слоистом (при конечной глубине промерзания) грунте. Показано существенное влияние на параметры взрывных волн свободной поверхности и границы промерзания. По результатам сравнения численных результатов и экспериментальных данных уточнены значения ряда констант уравнения состояния мерзлого грунта.

5. Проведено численное исследование процессов взаимодействия упругих и упругопластических волн с подземными трубопроводами при поперечном набегании волны. Показано, что важное значение имеют условия, поставленные на поверхности контакта трубной оболочки и грунта. Наличие внутренней жидкости в трубопроводе существенно снижает уровень напряжений в нем. Исследование влияние песчаной засыпки, часто используемой ири закладке трубопроводов в грунт, показало, что она также заметно снижает (более чем в 2 раза) максимальные значения напряжений в трубной оболочке.

Автор выражает благодарность к.т.н. Зефирову C.B., к.т.н. Крылову C.B. за предоставленное программное обеспечение и помощь в проведении численных исследований.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Глазова, Елена Геннадьевна, 2005 год

1. Абдукадыров С.А., Александрова Н.И., Степаненко М.В. Нестационарная дифракция плоской продольной волны на упругой цилиндрической оболочке //Изв. АН СССР. МТТ. 1989. №5. С. 132-137.

2. Абузяров М.Х., Баженов В.Г., Котов В.Л., Кочетков A.B., Крылов C.B., Фельдгун В.Р. Метод распада разрыва в динамике упругопластических сред // ЖВМ и МФ. 2000, Т.40, №6, С.940-953.

3. Абузяров М.Х., Баженов В.Г., Котов В.Л., Кочетков A.B., Крылов C.B. Моделирование взрывных процессов в мягком грунте //Труды конференции по механике прочности и пластичности. ВНИИЭФ. Саров. 2002. С.90-100.

4. Алексеенко В.Д. Экспериментальное исследование поля напряжений в мягком фунте при контактном взрыве //ПМТФ. 1963. №5. С.90-106.

5. Альтшулер Л.В., Павловский М.Н. Исследования глины и глинистого сланца при сильных динамических воздействиях//ПМТФ. 1971. №1. С. 171-176.

6. Афанасьев С.А., Баженов В. Г., Кочетков A.B., Фельдгун В.Р. Пакет прикладных программ "Динамика-111 //Прикладные проблемы прочности и пластичности. Автоматизация научных исследований по прочности. Всесоюз. межвуз. сб. /Г'орьк. ун-т. 1986. С.21-29.

7. Бабич В.М., Молотков И.А. Математические методы в теории упругих волн //Итоги науки и техники ВИНИТИ. Мех. деформ." тв. тела /М. 1977. Т. 10. С.5-62.

8. Бабичев А.И., Саримсаков У.С. Нестационарные задачи распространения волн и взаимодействия твердых тел с деформируемыми средами. //Ташкент: ФАН, 1986. -203с.

9. Баженов В.Г. Численное исследование нестационарных процессов деформации упругопластических оболочек//Проблемы прочности, 1984, №11, с.51-54.

10. Баженов В.Г., Врагов A.M., Котов В.Л., Зефиров C.B., Кочетков A.B., Крылов C.B., Ломунов А.К. Анализ применимости модифицированного метода Кольского для динамических испытаний грунтовых сред в деформируемой обойме // ПМТФ. 2000. т.41, № 3. С. 155-162.

11. Баженов В.Г., Врагов A.M., Котов В.Л., Кочетков A.B. Исследование удара и проникания тел вращения в мягкий грунт // ПММ. 2003. №4. С.

12. Баженов В.Г., Зефиров C.B., Котов В.Л., Кочетков A.B. Действие продольной нагрузки на трубопровод в мягком грунте // Изв. РАН. МТТ. 2002. №6. С. 171179.

13. Баженов В.Г., Зефиров C.B., Фельдгун В.Р., Кочетков A.B., Крылов C.B. Программный комплекс "Динамика-2" //Трансферные технологии в информатике. Научно-технический сборник. Томский политехнический инст. Вып.1. Томск, 1999 С.40-45.

14. Баженов В.Г., Котов В.Л., Кочетков A.B. и др. Исследование волновых процессов в грунтовой среде при взрыве накладного заряда. //Изв. РАН. МТТ. №2. 2001. С.70-77.

15. Баженов В.Г., Котов В.Л., Крылов C.B., Баландин В.В., Брагов A.M., Цветкова Е.В. Экспериментально-теоретический анализ нестационарных процессов взаимодействия деформируемых ударников с грунтовой средой. // ПМТФ. 2001. Т. 42. №6. С. 190-198.

16. Баженов В.Г., Кочетков A.B., Фельдгун В.Р. Деформирование цилиндрической оболочки в мягкой грунтовой среде под действием внутреннего импульсного нагружения // Прикл. пробл. прочн. и пластичности: Всесоюз. межвуз. сб. / Горьк. ун-т. 1989. С.87-95.

17. Балсон Ф.С, Заглубленные сооружения: статическая и динамическая прочность //Стройиздат. Москва. 1991. 240с.

18. Барлас Н.Я., Кравец В.Г., Ляхов Г.М. Волны в слоистых грунтах //Там же. 1979. № 1.С. 147-152.

19. Башуров В.В. Имитация граничным условием движения тонкой цилиндрической оболочки в методике "Вулкан" //ВАНТ. Сер. Методики и программы численного решения задач математ. физики, 1983. Вып.1(12). С.52-56.

20. Бивин Ю.К., Викторов В.В., Коваленко Б.Я. Определение динамических характеристик грунтов методом пенетрации //Изв. АН СССР. МТТ. 1980. №3, С.105-110.

21. Бивин Ю.К., Колесников В.А., Флитман Л.М. Определение механических свойств среды методом динамического внедрения //МТТ, 1982, №5, С.181-184.

22. Брагов A.M., Гандурин В.П., Грушевский Г.М., Ломунов А.К. Новые возможности метода Кольского для исследования динамических свойств мягких грунтов // ПМТФ. 1995. т.36, № 3. С. 179-186.

23. Брагов A.M., Грушевский Г.М. Влияние влажности и гранулометрического состава на ударную сжимаемость песка // Письма в ЖТФ. 1993. Т. 19. Вып. 12. С. 70-72.

24. Вестяк A.B., Горшков А.Г., Тарлаковский Д.В. Нестационарное взаимодействие деформируемых тел с окружающей средой //Итоги науки и техники. Механика деформируемого твердого тела/М.: ВИНИТИ. 1988. Т. 15. С.69-148.

25. Вовк A.A., Замышляев Б.В., Евтерев Л.С. и др. Поведение грунтов под действием импульсных нагрузок. Киев: Наук.думка, 1984. 286с.

26. Вовк A.A., Михалюк A.B., Черный Г.И. и др. Механические свойства мерзлых грунтов при динамическом нагружении //Основания, фундаменты и механика грунтов. 1980. №2. С.14-17,

27. Вовк A.A., Смирнов А.Г., Кравец В.Г. Динамика водонасыщенных грунтов. Киев: Наук.думка, 1975. 201с.

28. Вовк A.A., Черный Г.И., Кравец В.Г. Действие взрыва в грунтах. Киев: Наук.думка. 1974.

29. Вознесенский Е.А. Динамическая неустойчивость грунтов //М., Эдиториал УРСС, 1999.-264с.34,35,36