Tổng quan luận án

Công trình nghiên cứu "Phân tích động lực học vỏ trụ có gân gia cường trên liên kết đàn hồi chịu tác dụng của hệ sóng xung kích" được thực hiện bởi nghiên cứu sinh Lê Xuân Thùy dưới sự hướng dẫn khoa học của GS.TS Nguyễn Thái Chung, bảo vệ năm 2022 tại Học viện Kỹ thuật Quân sự. Luận án thuộc chuyên ngành Cơ kỹ thuật, mã số đào tạo 9.01.

Trong lĩnh vực kỹ thuật công trình và công trình quốc phòng, kết cấu tấm và vỏ (đặc biệt là vỏ có gân gia cường, lượn sóng, gấp nếp) được ứng dụng rộng rãi trong các hạng mục như vòm hầm trú ẩn, mái che bảo vệ tên lửa, máy bay và kho tàng quân sự. Đặc thù của các kết cấu này là yêu cầu chịu được các tải trọng động có cường độ cao, điển hình là tải trọng sóng xung kích do bom đạn phát nổ trong không khí. Theo tổng quan của tác giả, các bài toán kết cấu chịu tác dụng của sóng xung kích đơn (mô tả một vụ nổ đơn lẻ) đã được nghiên cứu tương đối toàn diện. Ngược lại, bài toán kết cấu chịu tác dụng của hệ sóng xung kích (nhiều vụ nổ diễn ra liên tiếp trong không gian và thời gian) có mức độ phức tạp cao do xuất hiện hiện tượng chồng lấn tải trọng trong quá trình làm việc của hệ, trong khi các công bố khoa học về hướng này còn rất hạn chế. Để giải quyết vấn đề trên, việc nghiên cứu phương pháp tính toán và tìm giải pháp kết cấu phù hợp (như gia cường hệ gân trực giao, đặt trên liên kết tựa đàn hồi) là yêu cầu cấp thiết về mặt lý thuyết và thực tiễn kỹ thuật.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được văn bản xác định cụ thể qua ba nội dung:

  1. Xây dựng thuật toán phần tử hữu hạn (PTHH) và chương trình máy tính phân tích phi tuyến động lực học của vỏ trụ có gân gia cường làm bằng vật liệu đẳng hướng đặt trên liên kết đàn hồi chịu tác dụng của hệ sóng xung kích do các vụ nổ liên tiếp trong không khí gây ra, trong đó phần tử vỏ cong và dầm 3D cong được sử dụng để mô phỏng kết cấu;
  2. Khảo sát số với các thông số bài toán thay đổi, đưa ra các nhận xét định lượng, đánh giá mức độ phức tạp trong đáp ứng động lực học của hệ kết cấu khi có nhiều lớp sóng xung kích tác dụng nhằm giúp cho người thiết kế lựa chọn các thông số hợp lý kết cấu;
  3. Có được bộ số liệu mô tả đáp ứng động lực học của kết cấu vỏ có gân gia cường, như: biến dạng, gia tốc bằng thực nghiệm trên mô hình tại hiện trường.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng kết cấu: Vỏ trụ có gân gia cường (hệ gân bố trí song song và vuông góc với đường sinh) làm bằng vật liệu đẳng hướng đặt trên các liên kết đàn hồi dạng lò xo ở biên chu vi.
  • Đối tượng tải trọng: Hệ sóng xung kích do các vụ nổ liên tiếp trong không khí gây ra, mô hình hóa theo quy luật áp lực suy giảm hàm số mũ, chỉ xét trong pha nén.
  • Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát ứng xử động lực học phi tuyến hình học của kết cấu vỏ, biểu thị qua các đại lượng chuyển vị, vận tốc, gia tốc, ứng suất và biến dạng theo thời gian.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án điểm lại các nhóm công trình nghiên cứu chính liên quan đến tải trọng nổ và động lực học kết cấu tấm, vỏ:

Về quy luật tải trọng sóng xung kích trong không khí, luận án dựa trên các công thức kinh nghiệm của Viện sĩ M.A Xađôvxki (1952) xác định trị số siêu áp mặt sóng xung kích $\Delta P_\Phi$ theo khoảng cách $R$ và khối lượng thuốc nổ $C_{tp}$, cùng quy luật biến thiên áp lực sóng nén theo chỉ số nhị thức Newton $n = 1 + \Delta P^{2/3}$ của các tài liệu chuyên ngành [17], [90]. Quy luật tương tác của sóng nổ lên công sự nổi ở khu gần và khu xa, sóng phản xạ trên tường chắn được tác giả tham khảo từ các công trình của Đặng Văn Đích, Vũ Đình Lợi (1995, 2000), Vũ Đình Lợi (2001) [15], [29].

Về ứng xử của kết cấu chịu tải trọng sóng xung kích trên thế giới: Anqi Chen, Luke A. Louca và Ahmed Y. Elghazouli (1996) [39] dùng mô hình Euler và Euler-Lagrange tính toán biến dạng thùng thép; Cheng Zheng, Xiang-shao Kong, Wei-guo Wu và Fang Liu (2016) [42] khảo sát biến dạng lớn của tấm có gân dưới tải nổ; Türkmen (2003) [58], [59] dùng phương pháp giải tích và thực nghiệm đối với panel vỏ trụ composite; Yi Hua và cộng sự (2014) [101] nghiên cứu truyền sóng nổ qua khối cầu bằng ABAQUS; Rajan Sriram và Uday K. Vaidya (2006) [83] dùng LS-DYNA khảo sát tấm sandwich lõi nhôm xốp chịu nổ; Gabriele Imbalzano, Phuong Tran, Tuan D. Ngo (2016) [57] nghiên cứu tấm sandwich có lõi tăng trưởng auxetic; Huon Bornstein và cộng sự (2016) [60] sử dụng thùng chất lỏng để tiêu tán năng lượng nổ; Lin Jing và cộng sự (2013, 2014) [67], [68], [69] khảo sát lý thuyết và thực nghiệm vỏ trụ sandwich lõi xốp chịu nổ; Phuong Tran, Tuan D. Ngo, Abdallah Ghazlan (2016) [81] dùng phần tử dính kết song tuyến tính mô tả tách trượt lớp composite; Steeve Chung Kim Yuen và cộng sự (2013) [91] thí nghiệm ống thép chịu nổ gần; Vanessa Pickerd và cộng sự (2016) [94] nghiên cứu thùng chứa kín chịu nổ bên trong; Yonghui Wang, Hongyuan Zhou (2015) [100] mô phỏng thùng chứa nước giảm chấn nổ; Hazell (2016) [96] tính panel bê tông gia cường trong ANSYS LS-DYNA; Yonghui Wang, Ximei Zhai và cộng sự (2016) [97] phân tích phi tuyến vỏ sandwich thép - bê tông - thép (SCS); Zubair Imam Syed và cộng sự (2016) [102] xây dựng biểu đồ xung lực - áp suất (P-I) cho vách ngăn công trình biển.

Về nghiên cứu trong nước: Trần Anh Dũng (2009) [14] phân tích tấm 3 lớp có đệm đàn hồi; Phạm Tiến Đạt, Nguyễn Văn Hưng, Trần Ngọc Cảnh (2014) [5] khảo sát vỏ trụ composite; Nguyễn Thái Chung (2014) [7] mô phỏng tương tác đường hầm với nền san hô chịu sóng nổ; Nguyễn Văn Hưng, Trần Thế Văn và cộng sự (2014) [21] khảo sát tấm vỏ FGM và composite dưới nước nhưng chỉ dừng lại ở vỏ trơn không gân; Lương Sĩ Hoàng (2016) [23] nghiên cứu bể chứa chất lỏng; Vũ Đình Lợi và cộng sự (2003, 2015) [15], [30], Nguyễn Trí Tá, Lê Hải Dương và cộng sự (2008, 2011) [16], [29] nghiên cứu kết cấu che chắn và công sự. Đặc biệt, công trình của Nguyễn Đức Thắng (2007) [33] đã nghiên cứu phản ứng động của vỏ thoải trên liên kết đàn hồi chịu sóng xung kích đơn, đồng thời nêu rõ khoảng trống chưa giải quyết đối với trường hợp vỏ có biện pháp gia cường và chịu hệ sóng xung kích liên tiếp.

Về phương pháp tính kết cấu tấm vỏ:

  • Hướng giải tích: Andreas Hauso (2014) [38], Saravanos và Christoforou (1994) [52], Banerjee và Mazumdar (2013) [70], Đào Huy Bích và cộng sự (2006, 2008, 2011, 2012) [3], [4], [45], [46], Đào Văn Dũng và cộng sự (2012, 2015) [13], [47], [48], [49], [50], Trần Ngọc Đoàn và Lê Vũ Đan Thanh (2015) [19], Nguyễn Đình Đức và cộng sự (2015, 2016) [72], [73], [74], [92], Vũ Khắc Bảy (2014) [2], Trần Minh Tú và cộng sự (2015) [34], [35].
  • Hướng phương pháp số (PTHH): Djoudi (2015) [37], Harish B. Venkata Ramana và K. Manjunatha (2015) [61], Ramamurti (1995) [43], Stumpf (1994) [64], Ganapathi (1995) [71], R. Schweizerhof (1998) [84], Sang Jin Lee (2014) [88], Kai Luo và cộng sự (2016) [65], Nivin Philip và C. Prabha (2013) [79], Dragan Marinković và cộng sự (2006) [53], Nguyễn Thái Chung, Hoàng Xuân Lượng và cộng sự (2012, 2013, 2014, 2015) [8], [9], [10], [24], [26], [27], [28], [76], Gangolu Vijay Kumar và cộng sự (2012) [56], Nguyễn Văn Hiếu và cộng sự (2015) [22], Đinh Công Dự và cộng sự (2015) [12], Nguyễn Đăng Thạch và cộng sự (2015) [31], Nguyễn Thái Chung và Lê Hải Châu (2015) [11].

Khoảng trống nghiên cứu được luận án lựa chọn giải quyết là: Xây dựng hoàn chỉnh mô hình tính toán động lực học phi tuyến hình học cho vỏ trụ có bố trí hệ gân trực giao, tựa trên chu vi liên kết đàn hồi, làm việc dưới tác dụng của hệ sóng xung kích gồm nhiều xung nổ kế tiếp trong không khí; kết hợp xây dựng chương trình số tự động hóa và tiến hành thử nghiệm nổ thực tế ngoài hiện trường để kiểm chứng lý thuyết.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án xây dựng cơ sở lý thuyết dựa trên mô hình biến dạng trượt bậc nhất Reissner - Mindlin đối với vỏ cong mỏng và trung bình, có kể đến số hạng phi tuyến hình học theo Von Kármán. Trường chuyển vị tại điểm bất kỳ trong phân bố vỏ được thiết lập:

  • Chuyển vị theo phương $x$: $u(x, y, z, t) = u_0(x, y, t) + z \psi_y(x, y, t)$
  • Chuyển vị theo phương $y$: $v(x, y, z, t) = v_0(x, y, t) - z \psi_x(x, y, t)$
  • Chuyển vị theo phương $z$: $w(x, y, z, t) = w_0(x, y, t)$

Trong đó $u_0, v_0, w_0$ là các thành phần chuyển vị trên mặt trung bình ($z = 0$); $\psi_x, \psi_y$ là các góc xoay pháp tuyến quanh các trục tương ứng. Quan hệ biến dạng - chuyển vị phi tuyến Von Kármán phân tách thành phần tuyến tính ${\varepsilon^L}$ và phi tuyến ${\varepsilon^N}$, biểu diễn qua các đạo hàm chuyển vị và độ cong $R$ của vỏ.

Quan hệ ứng suất - biến dạng tuân theo định luật Hooke cho vật liệu đàn hồi tuyến tính đẳng hướng trong trạng thái ứng suất phẳng ($\sigma_z = 0$), với mô đun đàn hồi $E$, hệ số Poisson $\nu$ và mô đun đàn hồi trượt $G = E / [2(1 + \nu)]$.

Các gân gia cường bố trí dọc theo đường sinh ($Ox$) và vòng theo chu vi cong ($Oy$) được mô hình hóa bằng phần tử thanh 3D cong. Luận án thiết lập điều kiện tương thích chuyển vị tuyệt đối tại mặt tiếp xúc giữa gân và bề mặt dưới của vỏ, từ đó chuyển đổi các ma trận độ cứng, khối lượng của phần tử gân về các bậc tự do của nút phần tử vỏ.

Liên kết đàn hồi biên được mô hình hóa bởi hệ lò xo tuyến tính có độ cứng kéo/nén $k$ bố trí tại các nút thuộc chu vi kết cấu, kết hợp điều kiện biên chặn dịch chuyển tự do trong mặt phẳng ngang $X, Y$.

Phương trình vi phân mô tả dao động phi tuyến tổng thể của kết cấu có dạng: $$[M]{\ddot{q}} + [C]{\dot{q}} + ([K_L] + [K_N]){q} = {R(t)}$$

Trong đó:

  • $[M]$ là ma trận khối lượng tổng thể;
  • $[K_L]$ và $[K_N]$ lần lượt là ma trận độ cứng tuyến tính và ma trận độ cứng phi tuyến;
  • $[C]$ là ma trận cản tổng thể, xác định theo mô hình cản Rayleigh: $[C] = \alpha_{ra}[M] + \beta_{ra}[K]$;
  • ${R(t)}$ là véc tơ tải trọng tác dụng do hệ sóng xung kích, được xác định từ biểu thức áp lực phản xạ thẳng đối với mục tiêu khu gần theo công thức Xađôvxki và hàm suy giảm lũy thừa: $$P(t) = P_{max} \left(1 - \frac{t}{\theta_i}\right)^{somu}$$ với thời gian trễ $\Delta t_0$ giữa các xung nổ liên tiếp;
  • ${q}, {\dot{q}}, {\ddot{q}}$ là các véc tơ chuyển vị, vận tốc và gia tốc nút.

Phương pháp số và công cụ tính toán: Luận án ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn, sử dụng thuật toán tích phân từng bước Newmark kết hợp vòng lặp biến dạng phi tuyến Newton - Raphson để giải hệ phương trình vi phân chuyển động. Tác giả xây dựng chương trình máy tính CPAS_2018 (Compute_PlateandShell_2018) viết bằng ngôn ngữ APDL trên nền phần mềm ANSYS:

  • Vỏ được rời rạc hóa bằng phần tử vỏ cong bậc cao 8 nút SHELL93 (mỗi nút 6 bậc tự do: $UX, UY, UZ, ROTX, ROTY, ROTZ$);
  • Gân gia cường được mô hình hóa bằng phần tử dầm không gian BEAM188;
  • Liên kết đàn hồi được mô tả bằng phần tử lò xo COMBIN14.

Phương pháp thực nghiệm: Thực nghiệm hiện trường được tiến hành trên mô hình vỏ trụ thép có gân gia cường, đặt trên khung thép chịu lực thông qua hệ thống lò xo đàn hồi. Mẫu thí nghiệm chịu tác dụng của sóng xung kích sinh ra từ các khối thuốc nổ TNT (50g) kích nổ bằng kíp điện. Dữ liệu thực nghiệm được thu thập thông qua:

  • Máy kéo nén vạn năng MTS-810 Landmark (xác định mô đun đàn hồi $E$, hệ số $\nu$ và độ cứng lò xo $k$);
  • Đầu đo áp suất sóng nổ Kistler Type 6233AA1000;
  • Cảm biến đo gia tốc động;
  • Tấm điện trở đo biến dạng (strain gauge);
  • Hệ thống thu thập và phân tích dữ liệu đa kênh LMS.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về tải trọng nổ trong không khí, sự hình thành pha nén và pha dãn, công thức thực nghiệm của M.A Xađôvxki, các biểu thức xác định áp lực sóng phản xạ trên bề mặt công trình trong khu gần ($R_Э < H$) và khu xa. Tác giả phân tích các kết quả đã công bố trong và ngoài nước về tính toán kết cấu tấm vỏ chịu tải nổ, chỉ ra ưu điểm của phương pháp phần tử hữu hạn so với phương pháp giải tích khi mô phỏng hình học và tải trọng phức tạp. Chương này kết luận về hai khoảng trống khoa học chính: thiếu các nghiên cứu về hệ sóng xung kích tác dụng liên tiếp (tải trọng chồng lấn) lên vỏ có gân gia cường trên liên kết đàn hồi, và thiếu các nghiên cứu thực nghiệm hiện trường tương ứng để kiểm chứng mô hình giải tích/số.

Chương 2: Phân tích phi tuyến động lực học vỏ trụ có gân gia cường trên liên kết đàn hồi chịu tác dụng của hệ sóng xung kích do nổ

Chương 2 trình bày toàn bộ quy trình thiết lập toán học cho bài toán:

  • Xây dựng quan hệ biến dạng - chuyển vị phi tuyến Von Kármán, định luật Hooke cho phần tử vỏ cong;
  • Thiết lập phương trình cân bằng phần tử gân cong 3D theo hai phương $Ox$ và $Oy$, thiết lập tương thích chuyển vị giữa gân và mặt trung bình của vỏ;
  • Rời rạc hóa kết cấu và thành lập các ma trận phần tử, chuyển đổi từ hệ tọa độ tự nhiên sang hệ tọa độ tổng thể;
  • Ghép nối các ma trận độ cứng, khối lượng, cản của vỏ, gân và phần tử lò xo COMBIN14 để thu được hệ phương trình vi phân chuyển động tổng thể;
  • Xây dựng thuật toán giải bài toán dao động tự do (xác định các tần số dao động riêng bằng phương pháp Block Lanczos) và bài toán dao động cưỡng bức phi tuyến theo phương pháp Newmark;
  • Trình bày lưu đồ thuật toán và mã nguồn chương trình CPAS_2018;
  • Kiểm tra độ tin cậy của chương trình tính thông qua các bài toán chuẩn: so sánh tần số dao động riêng và chuyển vị động của tấm/vỏ với kết quả giải tích của các công trình công bố và mô hình tính chuẩn trong ANSYS, cho kết quả tương thích tốt.

Chương 3: Khảo sát số và thảo luận

Chương 3 triển khai khảo sát số trên chương trình CPAS_2018 để khảo sát định lượng đáp ứng động lực học của vỏ trụ thoải có gân gia cường dưới tác dụng của hệ sóng xung kích. Kết cấu khảo sát có kích thước hình học danh định: chiều dài $L = 2,0\text{ m}$, bán kính cong $R = 1,5\text{ m}$, góc mở $\theta = 40^\circ$, chiều dày vỏ $h = 0,005\text{ m}$; vật liệu thép có $E = 2,1 \times 10^{11}\text{ N/m}^2$, $\nu = 0,3$, $\rho = 7850\text{ kg/m}^3$; độ cứng lò xo biên $k = 10^6\text{ N/m}$.

Các yếu tố được khảo sát chi tiết bao gồm:

  1. Loại phần tử mô phỏng vỏ: Khẳng định việc sử dụng phần tử vỏ cong phản ánh độ cứng và trường ứng suất chính xác hơn phần tử phẳng khi kết cấu có độ cong lớn;
  2. Phương án bố trí gân: So sánh 4 phương án: không gân, chỉ có gân dọc ($Ox$), chỉ có gân ngang ($Oy$), và gân trực giao cả hai phương ($Oxy$). Phương án gân trực giao cho hiệu quả kháng uốn cao nhất, làm giảm chuyển vị đứng $W_{max}$ và ứng suất pháp lớn nhất;
  3. Tỷ số kích thước gân ($h_g/b_g$): Khi giữ nguyên diện tích tiết diện gân nhưng tăng tỷ số chiều cao trên chiều rộng ($h_g/b_g$), độ cứng chống uốn tăng lên rõ rệt, dẫn đến biên độ chuyển vị và gia tốc giảm;
  4. Cường độ siêu áp $p_m$: Đáp ứng chuyển vị, gia tốc và ứng suất tăng phi tuyến khi siêu áp mặt sóng tăng từ các mức tải trọng nhỏ đến tải trọng phá hủy;
  5. Số lượng lớp sóng xung kích ($N_t = 1, 2, 3$): Khi số đợt sóng nổ tác dụng liên tiếp tăng lên, năng lượng nạp vào kết cấu liên tục gây hiện tượng tích lũy biến dạng và gia tăng biên độ ứng suất so với trường hợp một vụ nổ đơn lẻ;
  6. Thời gian chênh lệch giữa các lớp sóng ($\Delta t_0$): Đây là tham số quyết định mức độ chồng lấn tải trọng. Khi khoảng thời gian $\Delta t_0$ rơi vào lân cận chu kỳ dao động riêng cơ bản của hệ, chuyển vị cực đại tăng vọt do cộng hưởng động lực học;
  7. Độ cứng gối tựa đàn hồi ($k$): Khi tăng độ cứng $k$, chuyển vị tổng thể tại biên giảm dần về dạng biên cứng, làm tăng tần số dao động riêng nhưng đồng thời làm gia tăng ứng suất uốn cục bộ tại mép vỏ;
  8. Điều kiện biên: Khảo sát ảnh hưởng của các trạng thái biên khác nhau (tựa đơn, ngàm, tựa đàn hồi dọc các cạnh);
  9. Lỗ khoét trên vỏ ($a_1 \times a_1$): Vỏ có lỗ khoét tại tâm làm giảm độ cứng tổng thể, gây hiện tượng tập trung ứng suất quanh chu vi lỗ và làm tăng chuyển vị tại các điểm lân cận;
  10. Bán kính cong $R$ và độ vồng $f_0$: Giảm bán kính cong $R$ (tăng độ vồng) làm tăng hiệu ứng vòm chịu lực màng, giúp giảm đáng kể chuyển vị uốn pháp tuyến;
  11. Chiều dày vỏ ($h$): Tăng chiều dày $h$ làm tăng độ cứng chống uốn và khối lượng của kết cấu, làm giảm độ võng cực đại nhưng làm thay đổi phổ tần số dao động riêng.

Bảng tổng hợp các thông số khảo sát chính và xu hướng đáp ứng động học:

Tham số khảo sát Phạm vi / Các trường hợp khảo sát Xu hướng ảnh hưởng đến đáp ứng động của vỏ trụ
Phương án gân Không gân; gân dọc $Ox$; gân ngang $Oy$; gân trực giao $Oxy$ Gân trực giao giảm chuyển vị đứng $W$ và ứng suất $\sigma_{max}$ hiệu quả nhất
Tỷ số kích thước gân Thay đổi tỷ số chiều cao / bề rộng gân $h_g/b_g$ Tăng $h_g/b_g$ làm tăng mô men quán tính, giảm chuyển vị và gia tốc đỉnh
Số lớp sóng xung kích $N_t = 1; 2; 3$ đợt sóng nổ liên tiếp Chồng lấn tải trọng làm tăng biên độ dao động, ứng suất và biến dạng tích lũy
Thời gian lệch sóng $\Delta t_0$ Thay đổi bước thời gian trễ giữa các vụ nổ Xuất hiện đỉnh dao động cực đại khi $\Delta t_0$ trùng pha dao động riêng
Độ cứng lò xo $k$ Thay đổi $k$ từ mềm đến cứng ($10^4 - 10^8\text{ N/m}$) $k$ tăng làm giảm chuyển vị gối, tăng tần số riêng nhưng tăng ứng suất biên
Kích thước hình học Thay đổi bán kính cong $R$ và chiều dày vỏ $h$ Bán kính $R$ giảm (tăng độ vồng $f_0$) hoặc chiều dày $h$ tăng làm giảm $W_{max}$
Lỗ khoét trên vỏ Không có lỗ so với có lỗ kích thước $a_1 \times a_1$ Lỗ khoét gây tập trung ứng suất tại mép lỗ, làm tăng độ võng vùng lân cận

Chương 4: Nghiên cứu đáp ứng động của vỏ trụ có gân gia cường chịu tác dụng của sóng xung kích bằng thực nghiệm

Chương 4 mô tả toàn bộ quá trình thực nghiệm hiện trường nhằm kiểm chứng kết quả tính toán số:

  • Gia công kết cấu vỏ trụ thép có hệ gân gia cường trực giao hàn ở mặt dưới, liên kết với hệ khung thép cứng qua các lò xo đàn hồi dạng trụ;
  • Thí nghiệm cơ tính vật liệu trên máy MTS-810 Landmark xác định được mô đun đàn hồi $E$, hệ số Poisson $\nu$ của thép làm vỏ và gân, cũng như độ cứng thực tế của lò xo liên kết;
  • Bố trí thí nghiệm nổ hiện trường với hai kịch bản:
    • Kịch bản 1: Treo 1 lượng nổ TNT khối lượng 50g thẳng đứng phía trên đỉnh vỏ ở khoảng cách định trước;
    • Kịch bản 2: Treo 2 lượng nổ TNT (mỗi lượng 50g) kích nổ liên tiếp với thời gian trễ để tạo hệ 2 lớp sóng xung kích;
  • Thu thập tín hiệu dao động bằng cảm biến gia tốc tại các vị trí G1, G2 và cảm biến đo biến dạng tại vị trí B1 qua máy đo động LMS; áp lực sóng nổ được đo bằng cảm biến áp suất Kistler Type 6233AA1000;
  • Đo và xử lý phổ biên độ - tần số để xác định các tần số dao động riêng đầu tiên của hệ (Bảng 4.1 trong luận án);
  • Xác định giá trị cực đại về gia tốc và biến dạng tại các đầu đo (Bảng 4.2 trong luận án) cho cả hai trường hợp 1 lượng nổ và 2 lượng nổ;
  • So sánh các kết quả đo đạc thực nghiệm với kết quả phân tích số từ chương trình CPAS_2018: sai số về tần số dao động riêng và giá trị cực đại của gia tốc, biến dạng nằm trong giới hạn sai số kỹ thuật cho phép, khẳng định độ tin cậy của thuật toán phần tử hữu hạn và mô hình lý thuyết đã đề xuất.

Kết quả và những đóng góp mới

Các đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học:

  1. Xây dựng hoàn chỉnh mô hình cơ học và thiết lập hệ phương trình vi phân mô tả dao động phi tuyến hình học của vỏ trụ có hệ gân gia cường trực giao đặt trên các liên kết tựa đàn hồi, chịu tác dụng của hệ sóng xung kích gồm nhiều xung nổ liên tiếp trong không khí.
  2. Xây dựng thuật toán phần tử hữu hạn kết hợp giữa phần tử vỏ cong bậc cao (mô phỏng vỏ), phần tử thanh 3D cong (mô phỏng gân gia cường) và phần tử thanh lò xo (mô phỏng liên kết đàn hồi biên), đảm bảo tính tương thích chuyển vị giữa gân và vỏ.

Các đóng góp mới về mặt thực tiễn và kỹ thuật:

  1. Xây dựng và hoàn thiện chương trình tính toán CPAS_2018 trong môi trường APDL của phần mềm ANSYS, tạo công cụ số phân tích đáp ứng động lực học phi tuyến của kết cấu tấm và vỏ có gân gia cường trên liên kết đàn hồi chịu tải trọng nổ phức tạp.
  2. Cung cấp bộ số liệu khảo sát số toàn diện, định lượng rõ ràng quy luật ảnh hưởng của các thông số kết cấu (cách bố trí gân, tỷ số $h_g/b_g$, bán kính cong $R$, chiều dày $h$, lỗ khoét), độ cứng liên kết tựa biên ($k$) và các thông số của hệ sóng nổ (cường độ $p_m$, số xung nổ $N_t$, thời gian lệch xung $\Delta t_0$) đến các đại lượng chuyển vị, vận tốc, gia tốc, ứng suất và biến dạng của vỏ.
  3. Thu thập được bộ dữ liệu thực nghiệm hiện trường có giá trị về tần số dao động riêng, lịch sử thời gian của gia tốc và biến dạng của kết cấu vỏ trụ có gân trên gối lò xo khi chịu tác dụng của 1 và 2 lượng nổ TNT, làm cơ sở kiểm chứng mô hình tính toán số.

Kiến nghị và giải pháp kỹ thuật đề xuất:

  • Khuyến nghị áp dụng giải pháp gia cường bằng hệ gân trực giao (kết hợp cả gân dọc theo đường sinh và gân vòng theo chu vi) để nâng cao khả năng chịu uốn hai chiều và giảm tập trung ứng suất;
  • Khuyến nghị lựa chọn tiết diện gân có tỷ số chiều cao trên bề rộng $h_g/b_g$ lớn để tăng mô men quán tính chống uốn mà không làm tăng quá nhiều khối lượng vật liệu;
  • Cần sử dụng các liên kết tựa đàn hồi thích hợp tại biên kết cấu công trình nhằm phân tán năng lượng va đập của sóng xung kích và giảm trị số ứng suất cục bộ tại các vị trí liên kết;
  • Trong công tác thiết kế công trình phòng thủ, bắt buộc phải tính toán kiểm tra kết cấu dưới tác dụng của hệ nhiều lớp sóng xung kích liên tiếp thay vì chỉ tính toán với một xung nổ đơn lẻ, do hiệu ứng chồng lấn tải trọng có thể làm tăng biên độ dao động và gây phá hủy công trình.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Các hạn chế được văn bản đề cập hoặc xác định theo phạm vi nghiên cứu:

  • Vật liệu chế tạo vỏ và gân mới dừng lại ở mô hình vật liệu đẳng hướng, đàn hồi tuyến tính; chưa xét đến ứng xử phi tuyến vật lý (vật liệu đàn - dẻo, phá hủy) dưới tốc độ biến dạng rất cao của tải trọng nổ;
  • Tải trọng sóng xung kích chỉ xem xét trong pha nén, bỏ qua ảnh hưởng của pha dãn; giả thiết áp lực nén phân bố đều tức thời trên bề mặt hình chiếu của vỏ, bỏ qua thời gian truyền sóng cục bộ dọc theo bề mặt vỏ cong trong không khí và ảnh hưởng của trường nhiệt độ từ vụ nổ;
  • Bỏ qua ảnh hưởng tương tác phản xạ ngược giữa các lớp sóng xung kích đi sau với môi trường khí bị nhiễu loạn bởi lớp sóng xung kích đi trước;
  • Mô hình liên kết đàn hồi mới khảo sát dạng lò xo đàn hồi tuyến tính độc lập, chưa xét đến tính chất cản đàn nhớt hoặc liên kết phi tuyến đàn dẻo của gối tựa.

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

  • Mở rộng bài toán phân tích phi tuyến động lực học kết hợp cả phi tuyến hình học và phi tuyến vật lý (xét vật liệu đàn dẻo, vật liệu composite nhiều lớp, vật liệu có cơ tính biến thiên FGM);
  • Nghiên cứu mô hình tương tác đầy đủ giữa chất lưu và kết cấu (FSI), mô tả chính xác quá trình lan truyền sóng xung kích trên bề mặt cong và ảnh hưởng của pha dãn;
  • Khảo sát các dạng liên kết tựa biên phức tạp hơn như gối đàn nhớt, gối tiêu tán năng lượng phi tuyến hoặc vật liệu đệm hấp thụ xung kích;
  • Thực hiện bài toán tối ưu hóa hình học: xác định số lượng, vị trí và kích thước tối ưu của hệ gân gia cường trên vỏ nhằm đạt hiệu quả kháng nổ cao nhất với khối lượng kết cấu nhỏ nhất.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo hữu ích cho các đối tượng và lĩnh vực sau:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học, giảng viên và cán bộ nghiên cứu thuộc các chuyên ngành Cơ kỹ thuật, Cơ học vật rắn biến dạng, Xây dựng công trình ngầm và công sự quân sự;
  • Các kỹ sư thiết kế công trình dân dụng và quốc phòng phụ trách tính toán kháng chấn nổ cho các công trình mái vòm, hầm trú ẩn, hầm chỉ huy, kho tàng bảo quản vũ khí, đạn dược;
  • Các nhà nghiên cứu phát triển thuật toán số và mô phỏng trên nền phần mềm ANSYS APDL;
  • Phần nội dung đáng tham khảo nhất bao gồm: quy trình thiết lập ma trận phần tử vỏ cong kết hợp thanh cong 3D tương thích chuyển vị ở Chương 2; toàn bộ mã nguồn APDL của chương trình CPAS_2018 trong phần Phụ lục; các biểu đồ phân tích tham số ảnh hưởng của thời gian lệch xung nổ $\Delta t_0$ ở Chương 3; và phương pháp bố trí mặt bằng, lắp đặt cảm biến trong thí nghiệm nổ hiện trường ở Chương 4.

Câu hỏi thường gặp

1. Áp lực sóng xung kích tác dụng lên vỏ trụ được xác định theo mô hình toán học nào trong luận án?

Áp lực cực đại trên mặt sóng nén được tính theo công thức thực nghiệm của M.A Xađôvxki đối với vụ nổ trong không khí vô hạn, kết hợp công thức xác định siêu áp sóng phản xạ thẳng $\Delta P_{fx} = 2\Delta P_\Phi + 6\Delta P_\Phi^2 / (\Delta P_\Phi + 7,2)$ áp dụng cho mục tiêu đặt trong khu gần ($R_Э < H$). Quy luật biến thiên áp lực theo thời gian được mô tả bằng hàm số mũ suy giảm $P(t) = P_{max} (1 - t/\theta_i)^{somu}$ (với $somu = 1,96$), chỉ xét trong pha nén và xem áp lực phân bố đều trên bề mặt vỏ tại mỗi thời điểm.

2. Chương trình CPAS_2018 sử dụng những loại phần tử hữu hạn nào để mô hình hóa kết cấu?

Chương trình CPAS_2018 được viết trên ngôn ngữ APDL của ANSYS, sử dụng ba loại phần tử chính:

  • Phần tử SHELL93: phần tử vỏ cong 8 nút bậc hai (mỗi nút 6 bậc tự do) dùng để mô phỏng bề mặt vỏ trụ;
  • Phần tử BEAM188: phần tử dầm không gian 3D dùng để mô phỏng hệ gân gia cường cong theo chu vi và gân thẳng dọc theo đường sinh;
  • Phần tử COMBIN14: phần tử lò xo đàn hồi tuyến tính dùng để mô phỏng các liên kết tựa đàn hồi ở biên chu vi vỏ.

3. Hiện tượng chồng lấn tải trọng của hệ sóng xung kích ảnh hưởng như thế nào đến đáp ứng động lực học của kết cấu?

Khi chịu tác dụng của nhiều đợt sóng xung kích liên tiếp ($N_t = 2, 3$), động năng nạp vào kết cấu liên tục làm cho biên độ dao động, ứng suất và biến dạng tích lũy tăng cao hơn nhiều so với một vụ nổ đơn lẻ. Đặc biệt, nếu thời gian chênh lệch giữa các lớp sóng $\Delta t_0$ xấp xỉ chu kỳ dao động riêng cơ bản của hệ, hiện tượng cộng hưởng động lực học sẽ xảy ra, làm cho chuyển vị đứng cực đại và ứng suất uốn tăng vọt, làm tăng nguy cơ phá hủy kết cấu.

4. Thí nghiệm hiện trường nổ thuốc nổ TNT được thiết lập để đo đạc những thông số nào?

Thí nghiệm hiện trường sử dụng các lượng nổ TNT khối lượng 50g treo phía trên đỉnh vỏ (khảo sát trường hợp 1 lượng nổ và 2 lượng nổ liên tiếp). Hệ thống đo đạc gồm đầu đo áp suất Kistler Type 6233AA1000 để đo áp lực sóng nổ, các cảm biến gia tốc tại điểm G1, G2 để đo lịch sử thời gian của gia tốc, và các tấm điện trở tại điểm B1 để đo biến dạng động. Tín hiệu được kết nối và xử lý qua máy đo LMS để trích xuất tần số dao động riêng và các giá trị đáp ứng cực đại.

5. Việc bố trí gân gia cường và thay đổi độ cứng gối tựa đàn hồi có vai trò gì đối với khả năng chịu tải của vỏ?

Bố trí hệ gân trực giao (kết hợp cả phương dọc và phương vòng) làm tăng đáng kể độ cứng uốn của kết cấu, giúp giảm mạnh độ võng cực đại và phân tán ứng suất đều hơn so với vỏ trơn hoặc vỏ chỉ có gân đơn hướng. Trong khi đó, việc điều chỉnh độ cứng lò xo gối tựa $k$ cho phép kiểm soát tần số dao động riêng của hệ và mức độ tiêu tán năng lượng nổ; giảm độ cứng gối tựa giúp giảm ứng suất tập trung tại biên liên kết nhưng làm tăng chuyển vị tổng thể của công trình.

Kết luận

Luận án của tác giả Lê Xuân Thùy là công trình nghiên cứu chuyên sâu về phân tích động lực học phi tuyến hình học của kết cấu vỏ trụ có gân gia cường trên liên kết đàn hồi dưới tác dụng của hệ sóng xung kích nổ liên tiếp trong không khí. Bằng việc kết hợp chặt chẽ giữa xây dựng thuật toán phần tử hữu hạn, phát triển chương trình tính toán số CPAS_2018 trong môi trường ANSYS APDL và tiến hành thử nghiệm nổ TNT thực tế tại hiện trường, luận án đã làm rõ quy luật ứng xử động lực học và hiện tượng chồng lấn tải trọng của kết cấu. Các kết quả định lượng và khuyến nghị kỹ thuật trong công trình cung cấp cơ sở khoa học tin cậy cho việc tính toán, thiết kế tối ưu các dạng kết cấu vỏ bảo vệ trong công trình dân dụng và công trình quốc phòng.