بررسی تجربی تغییر شکل و شکست لوله های مربعی فولادی تحت بارهای انفجاری

[rkiahoseyni]

مقدمه:
با وقوع مکرر انفجارهای تروریستی و انفجارهای صنعتی در سراسر جهان، تحقیقات در مورد قابلیت ضد انفجار سازه های مهندسی توجه کارشناسان بین المللی را به خود جلب می کند. اعضای توخالی جدار نازک فلزی (لوله‌ها) دارای سفتی بالا ویژگی‌های جذب انرژی عالی، وزن سبک و پردازش آسان هستند و به طور گسترده در سکوهای اقیانوسی، خطوط لوله گاز و نفت، سازه‌های ساختمانی، صنایع هوافضا و سایر زمینه‌های نظامی یا غیرنظامی استفاده می‌شوند. سازه های مهندسی اغلب توسط یک انفجار منفرد یا مداوم آسیب می بینند، به این معنی که ساختار یک عضو توخالی جدار نازک فلزی ممکن است در معرض خطر انفجارهای متعدد باشد. به عنوان یکی از اشکال مهم سازه های توخالی با دیواره نازک، یک لوله مربعی زمانی که در معرض بار ضربه انفجار قرار می گیرد، تغییر شکل یا پارگی پلاستیک موضعی یا کلی ایجاد می کند و در نتیجه سازه عملکرد اولیه خود را از دست می دهد. در این شرایط، اگر دوباره در معرض ضربه انفجار قرار گیرد، آسیب جدی تری ممکن است رخ دهد. بنابراین، مطالعه مکانیسم پاسخ دینامیکی سازه لوله مربعی تحت بارهای انفجاری متعدد از ارزش کاربردی مهندسی برای پیش‌بینی ویژگی‌های تغییر شکل سازه و بهبود قابلیت ضدانفجار آن برخوردار است.

 

تحقیقات انجام شده بر روی رفتار پروفیل های مربعی:
در سال های اخیر، مطالعات متعددی در مورد پاسخ دینامیکی سازه های جدار نازک مانند پوسته های استوانه ای در معرض انفجار و بارگذاری ضربه ای انجام شده است. یوئن و همکاران از یک سری آزمایش و تحلیل عددی برای به دست آوردن پاسخ دینامیکی یک لوله استوانه ای تحت بار انفجار جانبی که در مجاورت بسیار نزدیک منفجر شده است، استفاده کردند. نتایج تجربی نشان داد که برای یک فاصله ثابت، با افزایش جرم ماده منفجره، انحراف نقطه میانی دائمی افزایش می‌یابد. به نظر می رسد قطر بار بزرگتر باعث آسیب بیشتر برای جرم بار یکسان می شود. گائو و همکاران آسیب پوسته استوانه‌ای پر از آب را که در معرض ضربه انفجار قرار گرفته بود از طریق آزمایش‌ها و شبیه‌سازی‌های عددی مورد مطالعه قرار دادند. نتایج نشان می‌دهد که وجود آب، فشار پایه را برای مقاومت در برابر تغییر شکل فراهم می‌کند. سونگ و همکاران  یک مدل ریاضی برای تجزیه و تحلیل انحراف و زاویه تغییر شکل لوله های دایره ای فولادی تحت بارهای انفجار جانبی ساختند. هنگامی که تغییر شکل نسبتاً کوچک است، نتایج محاسبات به خوبی با مشاهدات آزمایشی مطابقت دارد. کلابلی تأثیر بارهای انفجار طولانی مدت بر پاسخ ساختاری سازه های پوسته استوانه ای آلومینیومی را بررسی کرد. مدل‌سازی اولیه یک نوسان کلان و کمانش موضعی صفحه را پیش‌بینی نمود و آزمایش‌های بعدی شکست و خرد شدن پوسته را قبل از هر حرکت انتقالی نشان داد. کیم و همکاران نیز قابلیت جذب انرژی و رفتار فروپاشی خمشی یک پرتو با مقطع توخالی کوتاه مربعی (SHS) آلومینیوم (Al) تقویت‌شده با فیبر کربن (CFRP) تحت بارگذاری شبه‌استاتیک عرضی را بررسی کرد. عابدی و همکاران با ایجاد یک مدل ریاضی، جابجایی لوله و اوج سرعت ذرات را تحت یک بار دینامیکی معادل موج انفجار یافتند. وو و همکاران مطالعات تجربی و عددی بر روی پاسخ دینامیکی پوسته‌های استوانه‌ای فلزی تحت تأثیر ترکیبی قطعات و امواج ضربه‌ای انجام داد و سه حالت شکست را به‌دست آورد. 

مقاومت پروفیل مربعی در اثر انفجار:
مطالعات فوق عمدتاً بر بار تک انفجاری سازه‌های پوسته‌ای جدار نازک متمرکز بوده و مطالعات کمی در مورد ویژگی‌های مقاومت در برابر انفجار سازه‌های محافظ تحت بارهای انفجاری متعدد انجام شده است. با افزایش آگاهی از مشکلات امنیتی در کاربردهای عملی، مشکل انفجارهای متعدد توجه فزاینده ای را به خود جلب می کند. 
هدف اصلی این مطالعات بررسی تغییر شکل و شکست لوله های مربعی فولادی تحت بارهای انفجاری دوگانه است. برای دستیابی به این هدف، تحقیقی انجام گردید که در آن لوله های مربعی با ضخامت دیواره های مختلف در معرض یک انفجار (با 160 گرم شارژ TNT) و یک انفجار دوگانه (انفجار اول با 100 اینچ بار TNT و انفجار دوم با 160 گرم TNT شارژ) قرار گرفتند. نتایج به دست آمده از این مطالعه به شرح زیر خلاصه می شود:
(1) چهار حالت شکست عمده در طول آزمایش های انفجار، یعنی حالت Ia، Mode Ib، Mode II و Mode III ثبت شد. حالت Ia نشان دهنده تغییر شکل پلاستیک محلی است. حالت Ib تغییر شکل پلاستیک محلی را با یک تغییر شکل کلی کوچک نشان می دهد، که در آن انرژی جذب شده توسط لوله مربع عمدتاً به کار پلاستیک تبدیل می شود. حالت II و حالت III نشان دهنده انواع شکستگی در ناحیه جلویی لوله مربع با درجات مختلف تغییر شکل هستند و انرژی جذب شده توسط لوله مربع عمدتاً به کار پلاستیک و انرژی شکست تبدیل می شود.
(2) همانطور که حالت شکست لوله مربعی از حالت II به حالت III تبدیل می شود، الگوی شکست به ترتیب از ترک نوع H شعاعی به ترک نوع H محوری تغییر می کند. ترک‌ها در جهت شعاعی دیگر به دلیل وجود گوشه‌های جانبی لوله مربع افزایش نمی‌یابند، در حالی که طول ترک‌ها در گوشه‌های کناری لوله مربع در جهت محوری افزایش می‌یابد. حالت III یک مسیر توسعه ترک کاملاً متفاوت از حالت II ارائه می دهد و ترک حالت II بیشتر در ناحیه جلویی قرار دارد.
(3) درجات شکست لوله‌های مربعی تحت یک انفجار دوگانه نسبتاً بیشتر از لوله‌های مربعی تحت یک انفجار منفرد بود، یعنی، لوله مربعی آسیب‌دیده بیشتر از یک لوله آسیب‌دیده در هنگام بارگذاری مجدد انفجار، مستعد آسیب است. هنگامی که فاصله ایستادن یا ضخامت کم است، تفاوت در درجه شکست به طور قابل توجهی آشکار می باشد.
(4) آزمایش نشان می دهد که گوشه های جانبی لوله مربع بسیار آسیب پذیر هستند و به دلیل تمرکز تنش و اثر برشی به راحتی آسیب را تحمل می کنند. این پدیده برای پایداری سازه های لوله مربعی در کاربردهای مهندسی بسیار نامطلوب است.

گردآورنده: سید رحیم کیاحسینی