運用ANSYS Autodyn仿真技術模擬交通隧道中的爆炸和預測潛在損害

2017-05-13 by:CAE仿真在線來源:互聯網

恐怖分子對馬德里、倫敦、莫斯科等城市交通隧道的攻擊造成了巨大損失——人員死傷、資產損壞和經濟后果。由于有限的地下空間、地面塌陷風險和隧道進水(如果在水體下構建),交通隧道中的爆炸極其危險。栢誠公司采用ANSYSAutodyn執行三維耦合Euler-Lagrange(流固耦合)非線性有限元爆炸分析,以仿真普通交通隧道中的爆炸和預測潛在損害。工程師分析了常規保護措施的有效性,如:增加混凝土襯砌厚度或鋼筋用量以及替代保護措施,以降低對襯砌的破壞和確定成本。由于運輸局或管理機關會平衡多種需求,此類信息可以為決策過程提供幫助。

美國聯邦公路管理局(FHWA)和美國州公路和運輸協會(AASHTO)在2011年美國受到恐怖主義攻擊之后成立了橋梁與隧道安全藍帶委員會。該委員會鑒定了美國200多條交通隧道。其中許多隧道為每天運載數百萬旅客的公交系統提供服務。由于交通便利、人員集中、有可能對基礎設施造成巨大破壞以及擾亂經濟活動,交通隧道極易成為了恐怖分子的目標。

運用ANSYS Autodyn仿真技術模擬交通隧道中的爆炸和預測潛在損害ansys圖片1

交通隧道內部

為了提高基礎設施的安全性,栢誠公司進行了廣泛的內部研究,同時開發出了一種稱為TARIF的系統方法。此方法分五個步驟,而且已經應用于多個隧道與地下設施的設計。

基本案例研究

炸藥重量和隔離距離是定義爆炸威脅的兩個重要參數。炸藥重量通常以TNT等效重量測量,而隔離距離是炸藥中心到結構支撐面的距離。本研究采用一種保守估計100磅TNT、間距距離為2英尺的背包炸彈作為合理的潛在威脅。

采用厚度為11 英寸、內部直徑為20英尺的預制混凝土分段襯砌對普通交通隧道進行建模。相鄰管片采用徑向螺栓連接;而相鄰環片采用鋼銷連接。

栢誠公司的工程師選擇Autodyn中用于烈性炸藥的Jones-Wilkins-Lee狀態方程模擬通過未反應材料傳播并且把炸藥轉變成爆炸產物的爆震波。RHT應變率相關混凝土模型可用于仿真在爆破荷載下混凝土材料的受損程度。來自Autodyn材料庫的STEEL 4340模型可用于仿真鋼筋、鋼板、螺栓與鋼銷。此材料模型采用Johnson-Cook強度模型,其代表金屬在經受巨大應變、高應變率和高溫情況下的強度行為。Drucker-Prager強度線性模型可用于呈現土壤與巖石的行為。

相關仿真集成了結構中的非線性動力、高應變和變形、流固耦合、爆炸、沖擊與爆炸波、接觸以及相互作用等。在基本情景中,相關仿真預測出大約有2.6平方英尺的襯砌會遭受嚴重破壞。

運用ANSYS Autodyn仿真技術模擬交通隧道中的爆炸和預測潛在損害ansys圖片2

保護措施仿真

栢誠公司的工程師在成本效益研究中考慮了多種不同的保護措施。第一個措施是把隧道襯砌從11英寸提高到12英寸。與基本案例相比,其破壞降低了35%,減少到1.7平方英尺。而襯砌成本提高了5~10%。

所考慮的第二種措施是使鋼筋用量加倍。與基本案例相比,此情況下隧道襯砌受到的破壞降低了45%,降至1.4平方英尺。而襯砌成本比基本情景中的提高約20~40%。

第三種保護措施是采用鋼- 纖維強化混凝土(SFRC),其中每立方碼隧道襯砌與內部結構的混凝土添加80磅鋼纖維。

運用ANSYS Autodyn仿真技術模擬交通隧道中的爆炸和預測潛在損害ansys圖片3

全部6種保護措施的損壞仿真。藍色表示未受損,紅色表示完全損壞。

運用ANSYS Autodyn仿真技術模擬交通隧道中的爆炸和預測潛在損害ansys結構分析圖片4

SFRC的建模采用分離式模型,其中假設鋼纖維在混凝土單元中均勻分布。根據文獻資料,假設鋼纖維隨其用量提高混凝土構件的強度和韌性。受損面積降低到2.3平方英尺,比基本案例中的低14%。根據來自采用SFRC的類似隧道的資料,由于減少人工和簡化制造工藝,工程師估計此方法能夠相對于基本案例把成本降低15~20%。

考慮到的另一種保護措施是在隧道壁結合1英寸厚的鋼板。仿真顯示混凝土襯砌遭受比基本案例更嚴重的損壞。此模型證明1英寸鋼板不能提供有效沖擊能量吸收,而且襯砌鋼板的沖擊會增加爆炸破壞。鋼板會使襯砌成本提高30~35%。

栢誠公司的工程師研究了在內襯砌支撐面采用一種4英寸厚泡沫鋁板吸收高沖擊能量,其中采取由兩個金屬蓋板和泡沫鋁填充料的夾層結構。本研究采用了P-α壓實模型描述泡沫板的動態壓實。仿真證明多孔泡沫可構成有效的沖擊衰減裝置。襯砌受到的破壞比基本案例中降低了99%以上。不過,增加泡沫板會使襯砌成本提高250%。

本次研究中考慮的最后一種保護措施是把混凝土襯砌厚度提高15英寸,同時縮小鋼筋間距。這種保護措施也能使襯砌受到的破壞降低約99%。包含附加挖掘在內的隧道襯砌成本會增加100%。

仿真證明能夠幾乎全部消除對隧道結構的爆炸沖擊,例如:結合內部泡沫鋁多孔板;但是成本很高,只有關鍵結構才能承受。不過,傳統方法(如:提高襯砌厚度以及采用鋼筋進行設計優化)也能以較低的成本增加來大幅降低破壞。此類信息能夠為安全原則制定人員提供巨大幫助。相關研究證明工程仿真的一個重要優勢:找到成本與安全性的最佳平衡,特別是針對那些試驗研究難度大或者成本高的問題尤為如此。