علوم و فناوریهای پدافند نوین

علوم و فناوریهای پدافند نوین

بررسی اثر انفجار زیر آب، بر یک لوله فلزی با استفاده از ترکیب روش‌های هیدرودینامیک ذرات هموار و اجزای محدود

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
استادیار دانشگاه بزرگمهر قائنات، قائنات، ایران
چکیده
با توجه ‌به مشکلات مدل‌سازی‌های آزمایشگاهی انفجار، استفاده از مدل‌سازی‌های عددی برای تحلیل این پدیده قابل توجیه است. دراین‌بین روش‌های با شبکه‌بندی مانند اجزای محدود باتوجه‌به خصوصیات انفجار مانند سرعت بسیار بالا و تغییر شکل‌های شدید، به علت پیچیدگی شدید شبکه‌ها، نامناسب عمل نموده و سبب ایجاد خطاهای عددی می‌شوند. به همین جهت استفاده از روش‌های بدون شبکه برای مدل‌سازی این پدیده‌ها مؤثرتر عمل می‌نمایند. در این مقاله انفجار در زیرآب و اثر آن بر روی یک لوله استوانه‌ای فلزی، با استفاده از کوپل دو روش بدون شبکه‌بندی هیدرودینامیک ذرات هموار (SPH) و روش دارای شبکه‌بندی اجزای محدود مدل‌سازی شده و نتایج فشار ناشی از انفجار در آب با روابط تجربی و یک نمونه مدل‌سازی عددی، صحت سنجی شده‌اند. پدیده انفجار با روش بدون شبکه ولوله فلزی با روش اجزای محدود و با نرم‌افزار LS-Dyna مدل‌سازی شده‌اند. درنهایت به بررسی تأثیر انفجار زیر آب‌بر روی لوله فلزی ازنظر فشار و تغییر مکان پرداخته‌شده است. نتایج نشان‌می‌دهد که لوله فلزی تحت اثر انفجار در نقاط نزدیک به ماده منفجره متحمل تنش بالا و فشردگی زیاد می‌گردد و با افزایش فاصله زمان رسیدن به فشار حداکثر افزایش و مقدار فشار و فشردگی کاهش می‌یابد. در نزدیک‌ترین نقطه موردمطالعه، فشار در حدود MPa 295 و فشردگی در حدود cm 8/25 و در دورترین نقطه موردمطالعه فشار به MPa 57 رسیده و تحت اثر امواج بازتابی، مکشی به‌اندازه cm 1 ایجاد می‌نماید.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Investigating the Effect of Underwater Explosion on a Metal Pipe using a Coupling of Smooth Particle Hydrodynamic and Finite Element Method

نویسندگان English

behnam karimi ferezghi
Naser Safaeian hamzehkolaei
Assistant Professor at University of Qaenat, Qaenat, Iran
چکیده English

Due to the difficulties and limitations associated with experimental blast modeling, the use of numerical simulations is justified for analyzing such phenomena. Mesh-based techniques like the Finite Element Method (FEM), due to the characteristics of explosions such as very high velocity and severe deformations, are inappropriate due to the extreme complexity of the meshes and cause numerical errors. Therefore, meshless methods prove to be more effective for modeling such phenomena. In this paper, an underwater explosion and its effect on a cylindrical metal tube are modeled using a coupling of two methods: smooth particle hydrodynamics (SPH), Meshless Method, and finite element, one of the mesh-based methodes. The explosion pressure results in water were validated against empirical relations and another numerical study. The explosion phenomenon was modeled by using meshless method and the metal pipe was modeled using the finite element method and used a LS-Dyna software to modeled them. Ultimately, the analysis of the underwater explosion's impact on the metal pipe in terms of pressure and displacement yielded acceptable results. results shown that Results shown that regions near the explosive charge experience high stress and significant compression, with peak pressure of approximately 295 MPa and compression of 25.8 cm. At locations farther from the charge, peak pressure and compression decrease, reaching 57 MPa at the farthest point, where tensile displacement (1 cm) occurs due to reflected waves.

کلیدواژه‌ها English

Underwater Explosion
Mesh Less Methods
Smooth Particle Hydrodynamics
SPH
Finite Element
[1]    Hans, U. M.; “Review: Hydrocodes For Structure Response to Underwater Explosion”; J. Shock Vib. 1999, 6, 81-96. doi:10.1155/1999/587105
[2]    Liu, M. B.; Liu, G. R.; Zong, Z.; Lam, K. Y. “Computer Simulation of High Explosive Explosion using Smoothed Particle Hydrodynamics Methodology”; Comput. Fluids 1999, 32, 305-322. doi:10.1016/S0045-7930(01)00105-0
[3]      Zhang A. M.; Yang W-S.; Yao, X-L. ”Numrical Simulation of Underwater Contact Explosion” Appl. Ocean Res. 2012, 34, 10-20. doi:.10.1016/j.apor.2011.07.009
[4]    Hung, C. F.; Lin, B. J.; Hwang-FUU, J. J.; Hsu, P. U. “Dynamic Response of Cylindrical Shell Structures Subjected to Underwater Explosion”; Ocean Eng. 2009, 36, 564-577. doi:.org/10.1016/j.oceaneng.2009.02.001
[5]    Sherkar, P.; Andrew, S.; Amjad J. “Modelling the Effect of Detonation of High Explosive to Inform Blast Resistant Design”; Technical report MCCEER, Innovative Technologies, 2010.
[6]    Zhang, Z. “Application of Smoothed Particle Hydrodynamics in Analysis of Shaped Charge Jet Penetration Caused by Underwater Explosion”; Ocean Eng. 2017, 145, 177-187. doi:.org/10.1016/j.oceaneng.2017 .08.057
[7]    An, F. J.; Li, X.; Wu, C. “Study of Explosion Load of Near Field Underwater Explosion”; Int. J. Multiphysics 2018, 12, 2. doi:.10.21152/1750-9548.12.2.117
[8]    Liu G. R.; Liu M. B. “Smoothed Particle Hydrodynamics: A Meshfree Particle Method”; World Scientific Publishing, 2003, 473.
[9]    Sprague, M. A.; Geers, T. “A Spectral Element/Finite Element Analysis of Ship-Like Structure Subjected to Underwater Explosion”; J. Comput. Method Appl. 2006, 195, 2149-2167. doi:10.1016/j.cma.2005.03.007
[10]Karimi Ferzghi, B.; Naderi, R. “A Numerical Modelling For Underwater Explosion with Meshless Smooth Particle Hydrodynamics Method”; Adv. Defence Sci. Technol. 2017, 8, 161-169 (InPersian). Dor:20.1001.1.26762935.1396. 8.2.7.7
[11]Dong, X.; Fu, C.; Zhou, F.; Feng, L.; Zhang, Q. “A Volume-Adaptive Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) Model for Underwater Contact Explosion”; Theoretical and Computational Fluid Dynamics 2025, 39. doi:10.1007/ s00162-025-00744-2
[12]Karimi Ferzghi, B.; Naderi, R. “Comparison of Numerical Meshless Method, SPH, and Eulerian and Lagrangian Approach in the Water Explosion Modeling”; Adv. Defence Sci. Technol. 2015, 6, 183-191 (InPersian). Dor:20.1001.1. 26762935.1394.6.3.4.2
[13] Chen, Y-K.; Meringolo, D. D.;  Liu, Y. “SPH Study of Wave Force on Simplified Superstructure of Open-Type Sea Access Road”; Ocean Engineering 2022, 249. doi:10.1016/j.oceaneng.2022.110869.
[14]Chen, C.; Shi, W-K.; Shen, Y-M.; Chen,J-Q.; Zhang, A.-M. ”A Multi-Resolution SPH-FEM Method for Fluid–Structure Interactions”; Comput. Methods Appl. Mech. Eng. 2022, 401. doi:10.1016/j.cma.2022.115659
[15]Zhang, Z-C.; Qiang, H.; Gao, W-R. ”A New Coupled SPH-FEM Algorithm and its Application to Impact Dynamics”; 2011, 31, 243-249.
[16]Pavlović, A.; Minak, G. “FEM-SPH Numerical Simulation of Impact Loading on Floating Laminates”. J. Mar. Sci. Eng. 2023, 11, 1590. doi:10.3390/jmse11081590 
[17]Brugger, M.; Traxl, R.; Lackner, R. “SPH-FE Coupling for the Simulation of Confined Flow through Permeable Deformable Membranes”; Comp. Part. Mech. 2005, 12, 1665–1682. doi:10.1007/s40571-024-00892-y
[18]Botao, Z.; Jun, Z.; Le, F. ” Study of Soil-Spade Interaction based on FEM-SPH”; Proc. 4th Int. Conf. Machine Learning and Computer Application 2024. doi:10.1145/3650215. 3650359
[19]Yan, P.; Guo, E.; Wu, H.; Zhang, L. ”Numerical Simulation of the Seismic Response of a Horizontal Storage Tank Based on a SPH–FEM Coupling Method”; CMES 2024, 139, 1655–1678. doi: 10.32604/cmes.2023.044760.
[20]Năstăsescu, V.; Marzavan, S. “Numerical Simulation of an Underwater Explosion by SPH Method”; Rom. J. Tech. Sci. – Appl. Mech. 2016, 61, 89–107. [Online] Available: https://academiaromana.ro/sectii2002/RomanianJournalTS/rev2016-1/RJTS-M_2016_61_1_a6_Nastasescu.pdf
[21]Bulson, P. S. ”Explosive Loading of Engineering Structures”; An Imprint of Chapman and Hall, 1997, ISBN 0-203-78210-0
[22]Cole, R. H. ”Under Water Explosions”; Princtone University Press and Dover Publication, New York,1965.
[23]Frang, J.; Parriaux A.; Rentschler M.; Ancey C. ”Improved SPH Methods for Simulating Free Surface Flow of Viscose Fluids”; Appl. Numer. Math. 2009, 59, 251-71. doi:10.1016/ j.apnum.2008.02.003.
[24]Du, Y.; Ma, L.; Zheng, J.; Zhang, F.; Zhang, A.” Coupled Simulation of Explosion-Driven Fracture of Cylindrical Shell using SPH-FEM Method”; Int. J. Press. Vessels Piping 2016, 139-140, 28-35. doi: 10.1016/j.ijpvp.2016.03.001
[25]LS-DYNA, keyword user manual,R10, livemore software technology corporation, 2017.
[26]U.S. Department of Defense, Structures to Resist the Effects of Accidental Explosions, UFC 3-340-02,2008.
[27]Mair, C. “Modelling of Underwater Explosions with Cavitation Effects using LS-DYNA”; MSc Thesis, University of Glasgow, 2014.
دوره 15، شماره 4 - شماره پیاپی 58
زمستان
زمستان 1403
صفحه 207-216

  • تاریخ دریافت 12 دی 1403
  • تاریخ بازنگری 01 بهمن 1403
  • تاریخ پذیرش 19 بهمن 1403
  • تاریخ انتشار 03 اسفند 1403