Огляд математичних моделей та методів дослідження поширення вибухових навантажень в суцільних середовищах

Заголовок (англійською): 
Review of mathematical models and methods to research the explosive loads propagation in continuous environments
Автор(и): 
Солодей І.І.
Затилюк Г.А.
Петренко Е.Ю.
Шовківська В.В.
Автор(и) (англ): 
Solodei I.I.
Zatyliuk Gh.A.
Petrenko E.Yu.
Shovkivska V.V.
Ключові слова (укр): 
динамічні навантаження, вибухові впливи, ударна хвиля, пластичні деформації, швидкість деформації, модель вибуху, напружено-деформований стан, метод скінченних елементів
Ключові слова (англ): 
dynamic loads, explosive effects, shock wave, plastic deformations, strain rate, explosion model, stress-strain state, finite element method
Анотація (укр): 
Конструкторські розрахунки при проектуванні будівель та споруд нерозривно пов’язані з дослідженням міцності та стійкості будівельних конструкцій, аналізом їх напружено-деформованого стану (НДС). На сьогоднішній день значно зросла роль розрахунку будівельних конструкцій на особливі навантаження та впливи. Однак, часто виконання такого розрахунку є ускладненим у зв’язку з недостатньою розробленістю математичного апарату, а також недостатньою обізнаністю про природу виникнення та характер поширення навантажень. З цієї причини, створення адекватних розрахункових моделей є майже неможливим. Окреме місце серед розрахунків на особливі навантаження займають динамічні розрахунки на сейсмічні, імпульсні впливи різної природи, ударні навантаження, в тому числі вибухові. В роботі розглянуто сучасний стан проблеми побудови математичних моделей поширення вибухових хвиль навантажень та підходів до дослідження динамічної реакції конструкцій і споруд, що знаходяться під їх впливом. Наведена класифікація динамічних процесів різної інтенсивності відносно швидкості деформації та рекомендації по вибору найбільш ефективних методів інтегрування розрахункових рівнянь руху за часовою координатою. Проведено огляд робіт по дослідженню динамічних хвиль в анізотропних і ізотропних середовищах, грунтових масивах. Метою серії запропонованих робіт є розробка нових ефективних моделей, методів та алгоритмів аналізу розповсюдження ударних хвиль напружень в суцільних середовищах методом скінченних елементів (МСЕ), створенні на цій основі чисельних засобів, що будуть спроможні давати швидку оцінку впливу надзвичайного перехідного навантаження імпульсного або вибухового характеру на наземні або підземні будівельні та інженерні споруди. Ключові слова: динамічні навантаження, вибухові впливи, ударна хвиля, пластичні деформації, швидкість деформації, модель вибуху, напружено-деформований стан, метод скінченних елементів.
Анотація (англ): 
Design calculations in building and structure engineering are inextricably linked to the analysis of strength, stability, and the stress-strain state (SSS) of structural elements. Today, the importance of assessing structures under special loads and impacts has significantly increased. However, such analyses are often complicated due to the underdevelopment of the mathematical framework and insufficient understanding of the nature and propagation characteristics of such loads. As a result, the creation of adequate computational models becomes nearly impossible. A distinct category among special load analyses is dynamic assessment under seismic, impulsive, and impact loads, including explosive effects. The current state of the problem of constructing blast loads waves propagation mathematical models and approaches to study the dynamic response of structures and buildings under their influence is considered. The classification of different intensity dynamic processes in relation to the deformation rate is given and recommendations for choosing the most effective methods for integrating the computational equations of motion in the time coordinate are given. A review of works on the study of dynamic waves in anisotropic and isotropic environments and soil masses is conducted. The aim of this series of studies is to develop new effective models, methods, and algorithms for analyzing the propagation of shock stress waves in continuous media using the finite element method (FEM). Based on this, the goal is to create numerical tools capable of providing rapid assessments of the impact of extreme transient loads of impulsive or explosive nature on aboveground and underground civil and engineering structures.
Публікатор: 
Київський національний університет будівництва і архітектури
Назва журналу, номер, рік випуску (укр): 
Опір матеріалів і теорія споруд, 2025, номер 114
Назва журналу, номер, рік випуску (англ): 
Strength of Materials and Theory of Structures, 2025, number 114
Мова статті: 
Українська
Формат документа: 
application/pdf
Документ: 
08-114_solodey_i.i._zatilyuk_g.a._petrenko_e.yu_._shovkivska_v.v.doc
Дата публікації: 
04 Июнь 2025
Номер збірника: 
114
Університет автора: 
Київський національний університет будівництва і архітектури
Литература: 
 
  1. Lindholm U.S. In: Techniques in Metals Research / ed. by R.F. Bunshah. Vol. 5, pt 1. N.Y. : Interscience, 1971.
  2. Карнаухов В.Г., Ревенко Ю.В. Стаціонарні коливання та дисипативний розігрів в’язкопружних тонкостінних елементів при дії на них рухомого навантаження // Вісник Національного технічного університету «ХПІ». 2002. Вип. 9, т. 8. С. 97–103.
  3. Пановко Я.Г., Губанова І.І. Устойчивость и колебания упругих систем. М. : Наука, 1987. 352 с.
  4. Дмитриев А.Б., Стратонова М.М., Толмач Г.У. Расчет частот и форм колебаний механической системы по спектру частот и форм колебаний подсистем // Труды Центрального института авиационного моторостроения. 1982. № 996. С. 177–184.
  5. Клаф Р. Динамика сооружений. М. : Стройиздат, 1979. 320 с.
  6. Уилкинсон Дж.Х. Алгебраическая проблема собственных значений. М. : Наука, 1970.327 с.
  7. Бате К., Вильсон Е. Численные методы анализа и метод конечных элементов. М. : Стройиздат, 1982. 447 с.
  8. Bathe K.Y., Wilson E.L. Stability and accuracy of direct integration methods // Earthquake Engineering and Structural Dynamics. 1973. Vol. 1. P. 283–291.
  9. Nickell R.E. On the stability of approximation operators in problem of structural dynamics // International Journal of Solids and Structures. 1971. Vol. 7. P. 301–319.
  10. Исаков Н.Ю., Исполов Ю.Г., Шабров Н.Н. Метод численного интегрирования уравнений динамики больших конечно-элементных моделей // Проблемы прочности. 1987. № 12. С. 91–95.
  11. Figuli L. et al. Numerical analysis of the blast wave propagation due to various explosive charges // Advances in Civil Engineering. 2020. Vol. 2020, No. 1. P. 8871412.
  12. Lee E.L., Hornig H.C., Kury J.W. Adiabatic Expansion of High Explosive Detonation Products. Livermore: University of California, Lawrence Radiation Laboratory, 1968. 45 p. (Report UCRL-50422).
  13. Kingery R.D., Bulmash G. Airblast Parameters from TNT Spherical Air Burst and Hemispherical Surface Burst. – Aberdeen Proving Ground, MD: U.S. Army Ballistic Research Laboratory, 1984. – Report ARBRL-TR-02555.
  14. He X. et al. A modified numerical-flux-based discontinuous Galerkin method for 2D wave propagations in isotropic and anisotropic media // Geophysics. 2020. Vol. 85, No. 5. P. T257–T273.
  15. Clarke S. et al. Characterisation of buried blast loading // Proceedings of the Royal Society A. 2020. Vol. 476. P. 20190791.
  16. Katko B.J. et al. Experimental and numerical study of blast-structure interaction // In: Structures Congress 2020. Reston, VA : American Society of Civil Engineers, 2020. P. 105–118.
  17. Dela Cueva J.C.A. et al. Blast wave interaction with structures: An application of exploding wire experiments // Multiscale and Multidisciplinary Modeling, Experiments and Design. 2020. Vol. 3. P. 337–347.
  18. Ichino H. et al. Effects of EPS density on blast mitigation performance in underground protective structures // International Journal of Impact Engineering. 2022. Vol. 164. 104189.
  19. Khodaparast M., Mohamad Momeni R., Bayesteh H. Numerical simulation of surface blast reduction using composite backfill // Geosynthetics International. 2022. Vol. 29, No. 1. P. 66–80.
  20. Ambrosini D., Luccioni B. Effects of underground explosions on soil and structures // Underground Space. 2020. Vol. 5, No. 4. P. 324–338.
  21. Pan Y. et al. Experimental and numerical study on ground shock propagation in calcareous sand // International Journal of Impact Engineering. 2023. Vol. 180. 104724.
  22. Солодей І.І., Затилюк Г.А. Дослідження достовірності та ефективності використання моделей зміцнюваного ґрунту в рамках метода скінченних елементів // Опір матеріалів і теорія споруд: наук.-техн. зб. К. : КНУБА, 2022. Вип. 109. С. 30–37. https://doi.org/10.32347/2410-2547.2022.109.30-37.
  23. Солодей І.І., Петренко Е.Ю., Затилюк Г.А. Особливості створення розрахункових моделей при дослідженні напружено-деформованого стану підземних споруд // Опір матеріалів і теорія споруд: наук.-техн. зб. К. : КНУБА, 2019. Вип. 102. С. 139–149. https://doi.org/10.32347/2410-2547.2019.102.139-149.
  24. Keskin İ. et al. An evaluation on effects of surface explosion on underground tunnel; availability of ABAQUS Finite Element Method // Tunnelling and Underground Space Technology. 2022. Vol. 120. 104306.
  25. Solodei I.I., Petrenko E.Yu., Zatyliuk G.A. Nonlinear problem of structural deformation in interaction with elastoplastic medium // Strength of Materials and Theory of Structures: sci.-tech. coll. art. K. : KNUBA, 2020. Issue 105. P. 48–63. https://doi.org/10.32347/2410-2547.2020.105.48-63.
  
References: 
 1.     Lindholm U.S. In: Techniques in Metals Research / ed. by R.F. Bunshah. Vol. 5, pt 1. N.Y. : Interscience, 1971.2.     Karnaukhov V.H., Revenko Yu.V. Statsionarni kolyvannia ta dysypatyvnyi rozihriv viazkopruzhnykh tonkostinnykh elementiv pry dii na nykh rukhomoho navantazhennia (Stationary vibrations and dissipative heating of viscoelastic thin-walled elements under moving load) // Bulletin of the National Technical University "KhPI". 2002. Issue. 9, v. 8. P. 97–103.3.     Panovko Ya.H., Hubanova I.I. Ustoichyvost y kolebanyia upruhykh system (Stability and vibrations of elastic systems.). M. : Nauka, 1987. 352 p.4.     Dmytryev A.B., Stratonova M.M., Tolmach H.U. Raschet chastot y form kolebanyi mekhanycheskoi systemы po spektru chastot y form kolebanyi podsystem (Calculation of frequencies and modes of vibration of a mechanical system based on the spectrum of frequencies and modes of vibration of subsystems) // Proceedings of the Central Institute of Aviation Motors.. 1982. № 996. P. 177–184.5.     Klaf R. Dynamyka sooruzhenyi (Dynamics of structures). M. : Stroiyzdat, 1979. 320 p.6.     Wilkinson J.H. Alhebraycheskaia problema sobstvennыkh znachenyi (Algebraic eigenvalue problem). M. : Nauka, 1970. 327 s.7.     Bate K., Wilson E. Chyslennыe metodы analyza y metod konechnыkh эlementov (Numerical methods of analysis and finite element method). M. : Stroiyzdat, 1982. 447 p.8.     Bate K.Y., Wilson E.L. Stability and accuracy of direct integration methods // Earthquake Engineering and Structural Dynamics. 1973. Vol. 1. P. 283–291.9.     Nickell R.E. On the stability of approximation operators in problem of structural dynamics // International Journal of Solids and Structures. 1971. Vol. 7. P. 301–319.10.   Іsakov N.Iu., Yspolov Yu.H., Shabrov N.N. Metod chyslennoho yntehryrovanyia uravnenyi dynamyky bolshykh konechno-эlementnыkh modelei (Method of numerical integration of the equations of dynamics of large finite element models) // Strength of Materials. 1987. № 12. P. 91–95.11.   Figuli L. et al. Numerical analysis of the blast wave propagation due to various explosive charges // Advances in Civil Engineering. 2020. Vol. 2020, No. 1. P. 8871412.12.   Lee E.L., Hornig H.C., Kury J.W. Adiabatic Expansion of High Explosive Detonation Products. Livermore: University of California, Lawrence Radiation Laboratory, 1968. 45 p. (Report UCRL-50422).13.   Kingery R.D., Bulmash G. Airblast Parameters from TNT Spherical Air Burst and Hemispherical Surface Burst. – Aberdeen Proving Ground, MD: U.S. Army Ballistic Research Laboratory, 1984. – Report ARBRL-TR-02555.14.   He X. et al. A modified numerical-flux-based discontinuous Galerkin method for 2D wave propagations in isotropic and anisotropic media // Geophysics. 2020. Vol. 85, No. 5. P. T257–T273.15.   Clarke S. et al. Characterisation of buried blast loading // Proceedings of the Royal Society A. 2020. Vol. 476. P. 20190791.16.   Katko B.J. et al. Experimental and numerical study of blast-structure interaction // In: Structures Congress 2020. Reston, VA : American Society of Civil Engineers, 2020. P. 105–118.17.   Dela Cueva J.C.A. et al. Blast wave interaction with structures: An application of exploding wire experiments // Multiscale and Multidisciplinary Modeling, Experiments and Design. 2020. Vol. 3. P. 337–347.18.   Ichino H. et al. Effects of EPS density on blast mitigation performance in underground protective structures // International Journal of Impact Engineering. 2022. Vol. 164. 104189.19.   Khodaparast M., Mohamad Momeni R., Bayesteh H. Numerical simulation of surface blast reduction using composite backfill // Geosynthetics International. 2022. Vol. 29, No. 1. P. 66–80.20.   Ambrosini D., Luccioni B. Effects of underground explosions on soil and structures // Underground Space. 2020. Vol. 5, No. 4. P. 324–338.21.   Pan Y. et al. Experimental and numerical study on ground shock propagation in calcareous sand // International Journal of Impact Engineering. 2023. Vol. 180. 104724.22.   Solodei I.I., Zatyliuk H.A. Doslidzhennia dostovirnosti ta efektyvnosti vykorystannia modelei zmitsniuvanoho gruntu v ramkakh metoda skinchennykh elementiv (Study of the reliability and efficiency of using reinforced soil models within the framework of the finite element method) // Strength of Materials and Theory of Structures: sci.-tech. coll. art. K. : KNUBA, 2022. Issue 109. P. 30–37. https://doi.org/10.32347/2410-2547.2022.109.30-37.23.   Solodei I.I., Petrenko E.Iu., Zatyliuk H.A. Osoblyvosti stvorennia rozrakhunkovykh modelei pry doslidzhenni napruzheno-deformovanoho stanu pidzemnykh sporud (Features of the numerical simulation in research on the stress strain behavior of underground structures) // Strength of Materials and Theory of Structures: sci.-tech. coll. art. K. : KNUBA, 2019. Issue 102. P. 139–149. https://doi.org/10.32347/2410-2547.2019.102.139-149.24.   Keskin İ. et al. An evaluation on effects of surface explosion on underground tunnel; availability of ABAQUS Finite Element Method // Tunnelling and Underground Space Technology. 2022. Vol. 120. 104306.25.   Solodei I.I., Petrenko E.Yu., Zatyliuk G.A. Nonlinear problem of structural deformation in interaction with elastoplastic medium // Strength of Materials and Theory of Structures: sci.-tech. coll. art. K. : KNUBA, 2020. Issue 105. P. 48–63. https://doi.org/10.32347/2410-2547.2020.105.48-63.