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皮埃尔•罗格朗s Kerampran m . Arrigoni, ”更换压缩气球爆炸的方法在有限元模型”,土木工程的发展我>, 卷。2020年, 文章的ID1497632, 16 页面, 2020年。 https://doi.org/10.1155/2020/1497632
更换压缩气球爆炸的方法在有限元模型
文摘
爆炸影响的评价从恶意或意外引爆爆炸装置是挑战尤其是在大型建筑物。事实上,爆炸的时间和空间尺度的化学反应和流体力学数值模型真的难以实现可接受的结构设计。然而,有限元方法,特别是任意拉格朗日欧拉(ALE)被广泛使用在过去的几十年里,一些简化。其中,爆炸事件的替代压缩气球爆炸的产品被证明是有用的在许多不同的情况。不幸的是,ALE算法不能实现正确的能量平衡通过离散的数值积分方案;这个重要的缺点是没有补偿的使用经典的压缩气球的方法。本文把重点放在增加等效半径的理想气体的气球以达到更好的能量平衡,从而更好的结果在冲击波传播的后期。
1。介绍
爆炸影响的评价从恶意或意外引爆爆炸装置在结构上是一个多重物理量的问题涉及广泛不同的时间和空间尺度。事实上,烈性炸药的爆轰过程意味着化学反应固体中的传播爆炸性的几微秒。这个反应将创建爆炸的产品,换句话说高压力和温度气体将首先与自己创建二级反应的反应称为二次燃烧。这些气体然后将扩大,也与周围的空气,并创建一个反应冲击波向外传播在空中几毫秒,一个可能的火球,和高压力和温度梯度。一个广泛的描述爆轰过程可以发现在1]。最后将影响结构组件的冲击波和可能崩溃超过几秒钟。所有这些现象有不同的空间尺度从cm炸药的来源的几十米的结构。
在实际应用中,当需要更短的计算时间,降低成本,和结构优化,处理所有现象都是具有挑战性的,尤其是在一个常见的高性能计算机(HPC)。为了加快计算,取得了很多努力在过去的50年中,找到合适的方法来评估的行为结构加载爆炸波在合理的计算时间。其中,最有效的方法之一在于计算冲击波,没有考虑到实际爆轰过程。事实上,对于结构设计,pressure-time曲线特别是超压和脉冲传输是最重要的结构参数(2,3]。尽管忽略化学爆炸所以近战的影响(二次燃烧火球)该方法会导致适当的压力时程曲线,从而适当的结构设计。
有几种方法可以用来评估一个冲击波从给定的属性爆炸性的指控。泰勒(4),和一些作者在他(见,例如,5- - - - - -7]),设法获得足够的分析强大的爆炸冲击波模型通过两个主要假设:(1)所有炸药能量集中在一个中心源点。(2)爆炸超压应该比环境更大的压力。他们设法建立一个最大压力之间的关系<我>P我>马克斯和径向位置的冲击<我>R我>给出的 在哪里<我>e我>我我>内部能量释放在一个源点和每单位质量吗<我>米我>的总质量炸药。的因素<我>R我>·<我>米我>−1/3被称为比例距离和表示<我>Z我>从今以后。不幸的是,这两种假设的模型是实现传统炸药爆炸的暗示。事实上,在深入研究TNT,条件都满足在一个相当狭窄的比例距离范围<我>Z我>= 1 m·kg−我>1<我>/我>3。在更大比例的距离,超压不超过十倍的环境压力,接近,扩展距离小于爆炸直径的十倍,所以点源的假设不再是合适的。另外,经验或半经验的方法被用来获得可靠的加载值(8- - - - - -10]。美国陆军的技术手册,终极格斗冠军赛- 3 - 340 - 2 (8),主要是作为艺术的状态在结构设计的办公室,是使用最广泛的实验数据库对民用和军用基础设施设计,因为它提供了最完整的开放数据库的冲击波参数。这些经验解决方案依赖实验数据的好处,但有几个缺点。第一个是缺乏可靠的数据规模的距离小于0.5 m·kg−我>1<我>/我>3。实际上,它不仅仅是可疑为近战的使用这些数据库结构(11,12]。这主要是由于爆炸之间的化学反应产品和周围的空气。其次,数据只提供事件的冲击波和可能的倒影不能轻易考虑。这可以防止这些解决方案被应用于密闭或城市空间。最后,只有简单的几何图形为电荷和结构可以被认为是(球形电荷和计划墙)。
另一个普遍的解决方案是使用显式数值软件。然而,尽管努力提高解决有限元素和有限卷,物理建模的不同方面在不同的时间尺度仍然是一个相当大的挑战。特别是,一个时间步低于爆炸的特征时间从几个数量级的需要获得适当的爆轰过程的模型。此外,一个明确的数值方法使得每个时间步长计算;因此,一个小的时间步直接增加总计算时间。一些混合动力解决方案使用ufc - 3 - 340 - 2的数据添加到数值模拟,以获得一个快速加载对于一个给定的结构(13- - - - - -15]。这些方法都是基于经验数据和遭受同样的问题,也就是说,他们不考虑波浪反射和重组限制或市区和全爆轰过程的模拟是必要的。
根据理想爆轰过程,反应前高爆炸药中传播的速度大约7000 m·s−1对TNT (16,17]。身后的这个反应,查普曼儒盖(18模型预测的压力<我>P我>CJ我>= 21 GPa。查普曼儒盖波速度是表示<我>D我>CJ我>。事实上,时间步长将不到一微秒导致计算倍以上常见的HPC可接受的范围。而不是失去准确性和试图不代表爆轰过程,可以只模型爆炸产品的放松。最初在爆轰数值软件,产品可以建模为一个齐次体积高压力和温度的气体,称为一个气球。
为简单起见,爆炸的化学成分的产品大部分时间被视为空气,他们不能与自己或周围的空气反应。多重物理量爆震的问题是减少流体力学问题,即高压力和温度气体的放松。需要选择一个状态方程描述的行为气球内的气体混合物的放松。有几种选择。最常用的状态方程在商业软件是约翰·威尔金斯李JWL状态方程(2):
这个方程的参数是爆炸性的依赖、都已经被广泛地研究过了。给定的值,在密度1630公斤TNT·m−我>3,Dobratz [16]和Souers [17与ufc)产生结果相对较好协议- 3 - 340 - 2。然而,JWL状态方程诱发大量的计算工作,要求高爆内初始压力状态的产品。这些高压力梯度对小元素大小(小于1毫米)。
事实上,对于当前的HPC,有限元素的数量不应超过500万,代表10厘米的卷3在网格元素的情况下1毫米大小,和模型全面基础设施显然是不够的。尽管non-representation爆炸的气球装满JWL气体不适合快速和准确的数值模型。当1950年代,Brode [19)提出了简化模型和考虑理想气体定律模型的进化爆炸的产品。理想气体状态方程已经使用在过去的几十年里代表放松爆炸数值模拟产品的现实事件(20.,21)或实验室规模的实验(22]。所有这些作者与不同的压力值使用理想气体,密度和能源为代表的物理状态爆炸的产品。
在2010年代,布兰科(23)表明,监测的关键参数balloon-induced冲击波是炸药的密度和特定的能量来源。Dobratz TNT的参数,这个收益率<我>ρ我>b我>=<我>ρ我>T我>·NT我>= 1630公斤·m−我>3和<我>e我>=<我>e我>T我>·NT我>= 4.3乔丹·公斤−我>1。这些参数的最佳精度占所有相关冲击波参数(超压、冲动和到达时间)对理想爆轰模型。其他的参数可以用来描述的放松气球内的高压气体由于理想气体状态方程(查普曼儒盖参数:24),等体积的压缩(19),等温压缩,等等)。表中给出的主要方法1。
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在这部作品中,方法的23)被选中,因为它给出了更好的协议对理想爆轰过程,和相对可接受的物理值气球的密度和压力气体的初始状态。因此,元素大小的要求更少的限制,但由此产生的冲击波属性可能被低估,尤其是在近场。的另一个好处减少高压和能量梯度在早期阶段的放松是一个不平衡的总能量的降低,这是一个遗留问题的有限元模型25]。事实上,在压力处理不连续,密度,和能源,有限元软件需要添加人工粘度(26)光滑不连续的压力,能源、材料的速度和质量,为了执行所需的压力函数的推导有限元分析。也称为数值阻尼,这将人为地减少总能量,特别是在早期阶段的冲击波传播,因为巨大的压力梯度。然后它会导致更高的错误由商业软件。
这项工作从一个终端用户的角度来看,解决了这个问题通过增加压缩气球的半径10倍的初始半径炸药。这主要新奇是向以下:(我)更好的能量平衡有限元算法。(2)更好的精度与实验数据从ufc - 3 - 340 - 2 (8在后期的冲击波传播。(3)减少计算时间,工程应用。
首先,给出了数值模型和理想气体状态方程的爆炸产品相比古典JWL状态方程。第二部分,气球半径的影响是所有模型评估调查和对实验数据的发现- 3 - 340 - 2。所有数值结果比较选择参考(ufc - 3 - 340 - 2),结构设计的实验数据库被当局接受。执行网格敏感性分析来验证结果,最后对能量平衡的影响评估。
2。压缩气球模型
牵牛星Hyperworks§我>R套件是用于构建所有的数值模型和显式有限元代码。收音机§我>R用于模拟。使用的解算器是调用的遗产,它是一个经典的任意拉格朗日欧拉(ALE)有限元/有限体积混合解算器。质量和能量守恒方程是解决的中心每个元素和动量守恒方程的每个节点。最常用,第一个模型需要JWL状态方程,提出了引入与TNT的选择参数(16];以下称为“JWL模型。“所有其他气体由水动力建模流体材料使用多项式方程的状态(3)。 在哪里<我>e我>单位体积的能量,<我>µ我>膨胀系数=<我>ρ/ρ我>0−我>1,<我>P我>是压力。
通过选择<我>C我>0=<我>C我>1=<我>C我>2=<我>C我>3= 0和<我>C我>4=<我>C我>5= 0<我>。我>4、水动力多项式法描述了一个理想的双原子气体的比热容比<我>γ我>= 1<我>。我>4所示。为了模型周围的空气,密度和单位体积的能量,分别设置<我>ρ我>空气我>= 1.225公斤·m−我>3和<我>e我>空气我>= 0.25乔丹·m−我>3对(3)。气球的详细介绍,对压缩方法,内部能量的密度和单位体积的气球将TNT值:<我>e我>气球我>= 7000乔丹·m−我>3和<我>ρ我>气球我>= 1630公斤·m−我>3。参数β是由方程(4)。这是气球半径的比值对梯恩梯当量球的半径。这个比例将在本研究不同一至十:
的总质量和能量爆炸源不应该修改气球半径的增加。因此,密度<我>ρ我>β我>和特定的能源<我>E我>β我>降低系数吗<我>β我>3:
两种类型的网格进行了研究,与等效元素的大小。第一个是笛卡尔网格,这是结构设计更方便使用的办公室,因为它更容易创建和更好的符合大多数流固界面。第二个是一个径向结构化网格。即使很难获得,径向网格是更准确的27),更适应浸流固界面。径向和笛卡尔网格用于气球模型呈现在图1。
笛卡尔网格很简单;每个元素是一个常规的广场和网是没有影响的<我>β我>。相反,径向网格在两个部分:第一个是笛卡尔的中心向三分之二的爆炸半径,其余的是径向网格。这个径向网格适用于每个β为了减少网格畸变之间的过渡笛卡尔和径向部分。这对冲击波传播没有结果,因为网格大小在传播方向上保持一致<我>β我>模型。
一个轴对称的边界条件实施纵斧确保球形冲击波的传播。同样,一个对称条件应用于水平轴,以减少计算域四分之一的空间。
缩放网格大小定义为实际的网格的质量相当于在隔间根高爆炸药:
压力作为时间的函数的结果高度依赖于网格大小(规模25]。在实际运用中,5毫米·公斤−我>1<我>/我>3是最小的可能的扩展网格尺寸可以接受土木工程应用程序的CPU时间(约500万个元素)。然后在本节中使用的元素的大小。
为了评估的简化方法<我>β我>气球,两个参数被认为是,最大超压和积极的冲动。事实上,既发挥重要作用的结构性行为加载结构,一个是通常比另一个更重要的取决于结构的固有频率。超压的定义是最大的压力历史和积极的冲动是集成的积极的部分更精确地定义的压力历史曲线 与<我>t我>1和<我>t我>2任意选择如下为了避免数值噪声:<我>t我>1的时间和<我>t我>2的时间 。
此外,定义了两个相对差异率对ufc - 3 - 340 - 2
数据2和3分别显示的进化<我>δ我>我我>和<我>δ我>p我>功能的扩展距离。仪表已经放置在数值模拟记录的压力历史中心的费用每20厘米,提取并与相关参数值由ufc - 3 - 340 - 2。此外,有限体积法计算的python模块clawpack由华盛顿大学(28也与有限元计算。所有<我>δ我>我我>曲线显示的高梯度比例距离低于1米·公斤−我>1<我>/我>3,这可能是由于实验数据的困难所以接近炸药29日]。
按比例缩小的距离超过1.5 m·公斤−我>1<我>/我>3,<我>δ我>我我>曲线趋于稳定,表现出一个明确的依赖网格类型(笛卡尔或径向)。正如所料,径向网格给出更好的结果<我>δ我>我我>对于径向网格规模较小的比笛卡尔网格。同样的趋势是见过的<我>δ我>p我>图但所有模型之间的差异更小。
压力和冲动,有限体积给出更好的结果。不幸的是,blast-structure互动拉格朗日有限元代表表示空气域的结构部分和有限体积仍然具有挑战性的商业软件。结构设计是几乎不可能的涉及有限体积的空气模型,特别是考虑到材料非线性和位移。
3所示。结果
为了评估<我>β我>方法可用于土木工程应用程序中,所有数据都从径向中提取结构化网格的网格大小比例5毫米·公斤−我>1<我>/我>3。中央处理单元(CPU)时间的计算模型是合理的参数研究(30分钟10 ms的冲击波传播16日CPU)和径向网格通常用于3 d工业应用。
首先,数据2和3将扩展到所有β值从1到10之间的相对差异测试模型和终极格斗冠军赛- 3 - 340 - 2 (<我>δ我>看到方程(9)和(10)将研究,导致临界距离d (<我>β我>)β模型更准确比模型使用JWL状态方程的描述爆炸产品的放松,对于一个给定的网格。第二次的平均值<我>δ我>所有扩展距离绘制的网格类型来得到更多的全球观点的影响<我>β我>在感兴趣的扩展距离范围。
3.1。气球半径的影响
图4(一)表明,靠近爆炸中心,<我>δ我>P我>迅速增加而增加的值<我>β我>。这是可以预料到的由于缺少适当的压力和密度的分布。对于一个爆炸性的指控,一旦创建了冲击波的质量和能量都集中在几厘米在激波间断的后面。相反的,气球模型,质量和能量爆轰气体产品的均匀分布在整个气球体积和需要few-balloon半径集中激震前沿。在大比例的距离,<我>δ我>P我>是小于<我>δ我>P我>使用JWL的模型的模型。在图4 (b)iso值相对误差的终极格斗冠军赛- 3 - 340 - 2外推网格大小和β的中间值。
(一)
(b)
从<我>β我>= 3<我>β我>= 10,<我>δ我>p我>曲线交叉<我>δ我>p我>(JWL)曲线。这意味着有一个距离的测试模型更加准确的预测比JWL峰值超压,认为网格大小。这个距离是以后表示<我>d我>并绘制在图5。
按比例缩小的距离大于1.5公斤−我>1<我>/我>3,β气球模型提出了研究给出一个超压接近于一个给定的- 3 - 340 - 2。这意味着如果一个混凝土墙从爆炸中心足够远,β气球模型会给更好的结果比模型使用JWL状态方程的放松爆产品。没有点之前<我>β我>= 3在图5因为<我>β我>我我>3β气球模型比JWL模型甚至接近爆炸中心。
关于图的冲动6积极、高<我>δ我>我我>观察到附近的高爆炸药,这意味着冲动之前严重高估了约0.8 m·公斤−我>1<我>/我>3。此外,冲动的结果是更复杂的分析由于冲击波数值阻尼变化形状。参见图7,pressure-time曲线和impulse-time(计算2)中定义的<我>β我>= 5,JWL模型绘制两个距离1.4米·kg−我>1<我>/我>3和2.6 m·kg−我>1<我>/我>3。事实上,上升时间(定义为从环境压力、最大压力)增加两国测量1.4和2.6米·公斤−我>1<我>/我>3。模型考虑JWL状态方程的展品更大比的增加<我>β我>= 5模型。因此pressure-time曲线下的面积(脉冲)是更大的和接近值给出的参考生- 3 - 340 - 2 JWL状态方程。这个精度是人工因为概要文件的形状改变,所以是加载的结构。为了获得一个有意义的价值<我>d我>我我>的结构行为,增加之间的关系上升时间和结构设计还需要进一步研究。材料或自然频率等因素不考虑在目前的工作,因此爆炸剖面的变化由作者在本研究中并没有涉及。
在一些实际应用中,特别是在爆炸,没有特殊的兴趣和距离应该准确的在整个空气冲击波域。例如,在一屋子的设备,超压峰值和脉冲应该尽可能准确的在每一个按比例缩小的每个对峙点的距离。这就是为什么相对的均值差异<我>δ我>我我>和<我>δ我>p我>在下一节中进行了研究。
3.2。平均差异
对于一个给定的网格大小的5毫米·公斤−我>1<我>/我>3,数据8和9显示所有气球模型的平均表现,分别脉冲和超压。性能被定义为平均值的相对差异<我>δ我>P我>或<我>δ我>我我>对所有扩展距离从0.5到5 m·公斤1<我>/我>3。的值<我>β我>= 0对应JWL状态方程模型。
网格的行为是不同的对于冲击波脉冲;参见图8。事实上,径向网格显示增加相对差异对终极格斗冠军赛- 3 - 340 - 2β,另增加,笛卡尔,显示减少相对差异与终极格斗冠军赛- 3 - 340 - 2。
相反,超压曲线类似;参见图9。显示值的极值<我>β我>根据网格的考虑:<我>β我>笛卡儿网格和= 2<我>β我>= 5的径向。这之间的权衡的结果在早期阶段的模拟精度和准确性差的大气球更大的距离。在结论这一节中,有一个最优的<我>β我>值对于一个给定的网格(元素大小和网格类型)。在讨论,这些结果将扩展到其他元素的大小。
3.3。计算时间
执政的主要参数计算时间步的时间。在收音机R在大多数的有限元软件,需要条件必须满足,以确保数值稳定性。这个条件建立了报,弗里德里希·利维(节能灯)30.]。不幸的是,CFL条件需要确保稳定的数值方案但它是不够的,有可能是时间步应该进一步减少,以便计算运行直到最后。根据收音机R文档,每个元素的计算稳定性条件后,节能灯在方程(11)。那么小的时间步∆<我>t我>用于整个计算。 与∆<我>t我>时间步,∆<我>l我>元素的大小,材料的速度,ALE网格速度和<我>k我>节能灯系数1。
c我>是声音的速度,计算(12)。 与<我>ρ我>的密度和<我>P我>压力。
在冲击波传播的早期阶段,结果小<我>β我>模型,以及该模型考虑到JWL状态方程(<我>β我>= 0),表现出更大的超压比大<我>β我>模型。这导致较小的时间步长。图10显示了两个径向气球模型的具体的例子<我>β我>= 1,<我>β我>= 10。之前的百分之几毫秒,一步是更小的时间<我>β我>= 1。然而,在后期的冲击波传播,这种趋势逆转,<我>β我>= 10模型时间步减少由于更高的最大超压比小<我>β我>气球在同一时间。腐烂的曲线显示的时间步的平均值计算的两个部分。
后期(后4 ms)取代早期的意思是时间步(虚线)β= 10小;因此计算持续到两次只要计算与β= 1。中给出的k-parameter方程(11)应减少到0.1确保数值稳定由于径向网格的网格畸变。然而,大型β气球模型减少压力梯度,从而允许更大的使用<我>k我>比模型JWL状态方程或小测试气球模型。在图11,增加<我>k我>考虑到计算的平均时间一步径向网格。相反,笛卡尔网格展品数值稳定性问题防止计算到最后。
平均时间的进化步骤,因此网格的CPU时间是不同的。事实上,一般来说,增加CFL条件的参数<我>k我>提出只有径向网格之前的好处。然后,气球,越大越高时间步长,从而降低计算时间。相反,这个参数是保持尽可能高(<我>k我>= 0.9)的笛卡尔网格,因此这一趋势逆转,气球越大,时间步长越低。最后这部分,振幅的变化<我>δ我>P我>和<我>δ我>我我>真的是在最初的几大几十厘米·公斤吗−我>1<我>/我>3。尽管如此,<我>β我>气球模型提供更好的超压对ufc - 3 - 340 - 2后按比例缩小的距离<我>d我>0.8和1.5 m·公斤之间−我>1<我>/我>3。的平均值<我>δ我>P我>和<我>δ我>我我>给所有β值结果在10%以内,不能用于评估<我>β我>模型。使用这些方法的首要目标是简化,因此系,计算。这是通过增加径向网格的数值稳定性。的最优值<我>β我>可以找到基于最大超压。在这方面,<我>δ我>P我>是最小的β= 5,β= 6之间的笛卡尔网格和β= 2径向网格。这个结果很重要,从实用的角度来看,当试图系或增加计算的准确性。不幸的是,按比例缩小的网格大小的关键参数计算处理冲击波影响大型结构和β气球的解决方案必须是更大范围的减少网格大小进行验证。
4所示。讨论
4.1。网格敏感性分析
所有冲击波结果高度依赖于元素的大小。所有提出的方法试图使一个更大的网格大小对于一个给定的准确性和/或更好的准确性对于一个给定的网格尺寸。因此网格敏感性分析是需要评估拟议中的β气球模型的性能与降低元素大小从1毫米·公斤−我>1<我>/我>315毫米·k−我>1<我>/我>3。
首先,的平均值<我>δ我>P我>是策划,见图12,以下按比例缩小的元素大小:1毫米·公斤−我>1<我>/我>3;2毫米·公斤−我>1<我>/我>3;5毫米·公斤−我>1<我>/我>3;10毫米·公斤−我>1<我>/我>3;和15毫米·公斤−我>1<我>/我>3。在图12(b), iso值相对误差的终极格斗冠军赛- 3 - 340 - 2外推网格大小和β的中间值。
(一)
(b)
一方面,最小的网格大小,数值阻尼是有限的和小的<我>β我>模型更准确的约20%。另一方面,对于较大的元素大小,数值阻尼和获得大更重要<我>β我>明显是一个理想的大小<我>β我>= 5。作为一个例子,从点(<我>β我>d = 1,<我>x我>= 7毫米−我>1<我>/我>3),iso值的平均相对偏差与ufc - 3 - 340 - 2显示了极值在缩放网格大小14毫米−我>1<我>/我>3。作为一个粗略的估计,是按比例缩小的筛孔尺寸的两倍意味着两次长时间步骤,所以减少了计算时间。在这个模型中,计算的总运行时间减少了80%,快而不丢失任何平均精度。1 m·公斤之间的区别−我>1<我>/我>3和15 m·kg−我>1<我>/我>3减少近30%<我>β我>= 1为不到10%<我>β我>= 10这表明模型与大的值<我>β我>不太敏感的元素的大小。事实上,一方面,需要至少5元素内的爆炸波长为了代表正确的冲击波。另一方面,气球的小值<我>β我>创建冲击波与波长小于气球大的值<我>β我>由于增加波长与比例距离(8,9]。因此,小<我>β我>模型需要较小的元素代表比大爆炸概要文件<我>β我>模型元素的大小,所以他们更敏感。
图13显示了所有的压力作为时间的函数在给定网格大小比例距离的3 m·公斤−我>1<我>/我>3。人工粘性更可见较大的网格尺寸。因此,尽管大的网格大小,脉冲将增加和相对差异对终极格斗冠军赛- 3 - 340 - 2将减少。然而,这仅仅是由于数值的工件不应该导致草率的结论。
图14是图的扩展5并显示的距离<我>d我>气球模型的地方变得更准确比JWL模型相同的网格大小。所有iso值使用线性外推法计算。“永远不要更好”意味着距离大于3.7公斤−我>1<我>/我>3,因此比每个JWL模型更准确<我>β我>模型,或者<我>δ我>p我>(<我>JWL我>)<我><δ我>p我>(<我>β我>= [1…10])。另一方面,“最好”的意思<我>δ我>p我>(<我>β我>= [1…10])<我><我>δ我>p我>(<我>JWL我>)。
(一)
(b)
蓝域图14显示了参数导致更准确的超压气球获得的评估模型对JWL之一。为维<我>x我>= 1毫米·公斤−我>1<我>/我>3,只有β= 1的气球比JWL模型更准确的曲线在图上的只有一个点11。对于所有其他网格大小、距离<我>d我>增加网格大小。然而,对于网格尺寸大于5毫米·公斤−我>1<我>/我>3,距离<我>d我>小于1.5 m·公斤−我>1<我>/我>3,这是一个可能的对峙了第一目标距离墙。
β气球模型性能更好,当网格不够好所以它接管大元素大小或网格畸变,以确保更好的准确性和更短的计算时间。
4.2。能量平衡
ALE算法用于模拟呈现的是感兴趣的,因为它允许直接流体和结构之间的耦合。动量方程的网格节点的材料速度也在计算节点,因为它是与拉格朗日算法。是那么容易界面的流体和结构等同的材料速度两个部分的方向正常接口。不幸的是,这是non-conversation所对应的总能量的流体部分与离散积分守恒方程由有限元法(31日]。图15显示了总能量作为时间的函数<我>β我>模型一起JWL模型。
笛卡尔网格上的计算初始能量因为网是恒定的<我>β我>值到另一个地方。不过,没有关系给特定(或单位体积)能量吸收中设置条件(ABS)所提到的被发现,因此提取的价值<我>β我>气球模型。事实上一个元素模型已经只有一个吸收细胞的1 m×1米;因此,总能量很容易单位体积中直接提取。<我>e我>腹肌我>=−0.25乔丹·m−我>3。在方程(13)和(14),所有的资本<我>E我>代表总能量和所有小<我>e我>单位体积。 与<我>E我>三硝基甲苯我>= 4.3 MJ 1公斤TNT炸药的能量,<我>e我>空气我>= 0.25乔丹·公斤−我>3单位体积空气的能量<我>E我>腹肌我>= 0.589 MJ的能量吸收的元素。
此外,能源每弧度值给出了轴对称模型,只有一个空间域建模的一半。因此,对于<我>β我>= 1,
最初的能量平衡的差异应该很小。事实上,强烈的假设之一<我>β我>气球是高爆炸药的总能量是常数和传播在更大的体积。此外,数字域的总量也不断在所有模拟。因此,空气的总量是较大的测试模型,从而也降低了最初的总能量。这个小内的空气量的变化模拟解释了小差异<我>t我>在图女士= 015。
能量损失由于ALE算法在第一毫秒为模型是更重要的对小气球和考虑到JWL状态方程。直接相关的实际损失能量,压力,密度在一个特定的元素。因此,大<我>β我>气球传播更多的能量和压力梯度,每个元素损失是不那么重要,因此这些模型提供一个更好的能量平衡。超压衰减从2女士也不那么重要了,对应的最大超压约0.14 MPa。这就解释了数值阻尼减少和能量平衡的稳定。的提出<我>β我>气球模型管理减轻最初传播的数值阻尼高压和能量在一个更大的体积。通过降低单位体积的能量在一个元素,两个元素之间的梯度也减少了,因此这个梯度的能量损失比例也降低。能量平衡的增加导致更小<我>δ我>提出了在部分3,尤其是在更大的距离。
5。结论
基于初始Brode和最新的论文,一个压缩的气球研究取代烈性炸药的爆轰过程的数值模拟爆炸波影响结构。前面的模型没有考虑到数值阻尼作用在每一个有限元显式方案。本文的主要目的是解决这一问题。为此,理想气体的半径气球已经增加了十倍初始爆炸半径。两个结构化网格被认为:笛卡儿和径向。增加压缩气球的大小减少压力和能量梯度在冲击波传播的早期阶段。梯度下降导致减少人工粘性和数值阻尼,从而更准确的冲击波减少距离。的确,有一个特定的扩展距离,缺乏适当的状态方程和体积的爆炸产品超过总能量守恒。后约m.kg−我>1<我>/我>3、大压缩气球开始更好的按照尊重ufc - 3 - 340 - 2。所有爆炸波数值模拟是高度依赖于网格大小,尊重趋势规模越小,更准确的结果。提出工作使更大的网格大小相同的准确性和/或更好的精度相同的网格大小如果<我>β我>参数是增加。更具体地说,可以双重网格大小,而不会损失任何精度的最大超压。在实际应用中,一个最优<我>β我>被发现在吗<我>β我>= 5,可以减少大约80%的计算机时间等效精度对ufc - 3 - 340 - 2。此外,对于一个等价的网格大小,大型测试模型减少计算时间特别是径向网格,为实现数值稳定面临挑战。半径大于或等于6倍初始(Brode)半径,计算时间是六到七倍的初始计算JWL状态方程用于放松的爆轰气体参与建模的高爆炸药。此外,提供更快的计算时间,气球模型不需要任何特定的知识,设置的参数,除了其梯恩梯当量爆炸性的指控。
这种气球压缩方法可以应用于有限体积算法,从理论上讲,保守的总能量,不需要人工粘度。正在调查一些算法,但有限volume-finite元素之间的耦合,分别欧拉和拉格朗日部分是具有挑战性的,专门为工业和商业软件。另一种方法可以增加初始能量以达到想要爆炸时能量冲击波面前是影响结构,但在其他距离会导致不准确的结果。
数据可用性
我们的文章将会发表在ResearchGate和学术界一个哈尔(https://hal.archives-ouvertes.fr/)。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关这项研究的出版物。
确认
作者要感谢无线电发展团队,尤其是丹尼尔Chauveheid答案的质量与有限元软件中遇到的问题。作者感谢也DGA(法国军备采购)共同出资博士的工作。
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