Моделювання дії ударної хвилі від вибухового пристрою на захисну оболонку

Заголовок (англійською): 
Simulation of shock wave action from an explosive device on a protective shell
Автор(и): 
Лук’янченко О.О.
Геращенко О.В.
Костіна О.В.
Автор(и) (англ): 
Lukianchenko O.O.
Geraschenko O.V.
Kostina O.V
Ключові слова (укр): 
захисна оболонка, вибуховий пристрій, ударна хвиля, метод скінченних елементів, статичний і динамічний аналіз
Ключові слова (англ): 
protective shell, explosive device, shock wave, finite element method, static and dynamic analysis
Анотація (укр): 
Представлено чисельний підхід до дослідження поведінки захисної оболонки при дії ударної хвилі від вибухового пристрою. Виконано порівняння експериментальних характеристик ударної хвилі від різних вибухових пристроїв з аналітичними значеннями, отриманими за формулами Садовського. За допомогою програми NASTRAN cтворені геометрична модель ударної хвилі у вигляді півсфери та дві скінченно-елементні моделі циліндричної сталевої оболонки із зонами, що мали конкретні значення надлишкового тиску і позитивного імпульсу. Як приклад, розглянута позитивна фаза ударної хвилі від вибухового пристрою з TNT еквівалентною масою тротилу 250 кг. Надлишковий тиск подано у вигляді рівномірно розподіленого навантаження, значення якого залежало від відстані між епіцентром вибуху та конкретної зони поверхні оболонки. Поведінка оболонки від статичної дії надлишкового тиску досліджена в нелінійній постановці методом Ньютона-Рафсона і порівняна з результатами лінійної задачі статики та задачі втрати стійкості. Отримано коефіцієнти критичного навантаження та статичні характеристики оболонки. Першим кроком динамічного дослідження був модальний аналіз оболонки із застосуванням методу Ланцоша. Позитивний імпульс представлено у вигляді трикутника з конкретним значенням часу його дії. Враховано максимальний період власних коливань оболонки. Досліджено вплив позитивного імпульсу на динамічну поведінку двох моделей оболонки методом прямого інтегрування Рунге-Кутти. Представлено стан оболонки в різний час дії позитивного імпульсу. Результати статичного і динамічного аналізів дозволили оцінити вплив дії ударної хвилі від вибухового пристрою на напружено-деформований стан захисної оболонки.
Анотація (англ): 
The numerical approach to investigate the protective shell behavior under shock wave from an explosive device was presented. Comparison of shock wave characteristics from different explosive devices that were obtained experimentally and by Sadovsky’s analytic formulas was made. The hemispheric geometrical model of shock wave and two finite element models of the cylindrical steel protective shell with the surface areas that had certain values of overpressure and positive impulse were created using NASTRAN software. As an example, the positive phase of shock wave from an explosive device with a TNT equivalent of explosive mass 250 kg was considered. Overpressure was given as the evenly distributed load which depended on the distance from explosion epicenter to the shell surface areas. Shell behavior from the static action of overpressure was investigated in the nonlinear formulation by the Newton-Raphson method and compared with the results of the linear static and buckling analysis. The critical load coefficients and static characteristic of shell were obtained. The first step of the dynamic investigation was modal analysis of shell using the Lanczos method. The positive impulse was presented in the shape of a triangle with a certain time of action. The largest period of shell natural oscillations was taken account. Influence of positive impulse of shock wave on the dynamic behavior of the two shell models was investigated by the fourth-order Runge-Kutta method. The shell state at the different time of positive impulse was presented. The results of static and dynamic analysis allowed to assess the impact of shock wave action from the explosive device on the stressed deformed state of the protective shell.
Публікатор: 
Київський національний університет будівництва і архітектури
Назва журналу, номер, рік випуску (укр): 
Опір матеріалів і теорія споруд, 2025, номер 115
Назва журналу, номер, рік випуску (англ): 
Strength of Materials and Theory of Structures, 2025, number 115
Мова статті: 
English
Формат документа: 
application/pdf
Документ: 
03-115_lukianchenko_o.o._geraschenko_o.v._kostina_o.v.pdf
Дата публікації: 
22 December 2025
Номер збірника: 
115
Університет автора: 
Kyiv National University of Construction and Architecture 31, Povitryanykh Sylave., Kyiv, Ukraine, 03680
References: 
 
  1. Jacob N., Nurick G.N., and Langdon G.S. The effect of stand-off distance on the failure of fully clamped circular mild steel plates subjected to blast loads // Engineering Structures, 2007. – Vol. 29, No. 10. – pp. 2723-2736.
  2. Tuhut L.I., Ghicioi E. Computational simulation of shock wave generated by the detonation of explosives for civil use // SESAM 2019, MATEC Web of Conferences 305, 2020, 00019.
  3. Aune V., Valsamos G., Casadei F., Larcher M, Langseth M., and Borvik T. Numerical study on the structural response of blast-loaded thin aluminium and steel plates // International Journal of Impact Engineering, 2020. – Vol. 99. – pp. 131-144.
  4. Xu Q.P., Li Z.R., Ding G., Su J.J., Liu Y., and Huang F.L.Numerical simulation of the influence of ditch landform on shockwave propagation // Engineering Blasting, 2020. – Vol. 26, No. 6. – pp. 23-27.
  5. Al-Yacoby A.M., Hao L.J., Liew M.S., Ratnayake R.M.S., Samarakoon S.M.K. Thin-Walled Shell Storage Tank under Blast Impacts: Finite Element Analysis // Materials, 2021. – Vol. 143. – 7100.
  6. Hafskjold B., Bedeaux D. and Kjelstrup S. Theory and simulation of shock waves: Entropy production and energy conversion // PoreLab, Department of Chemistry, Norwegian University of Science and Technology (NTNU), Trondheim, Norway, Physical Review E 104, 2021, 014131.
  7. Mykhailovsky D.V., Shliakov I.O. Methods of calculation and engineering protection of critical infrastructure objects and other strategic facilities against long-range projectiles // Strength of Materials and Theory of Structures, 2023. – Вип. 111. – C. 155-171.
  8. Bazhenov V.A., Lukianchenko O.A., Vorona Yu.V., Vabyshchevych M.O. The influence of shape imperfections on the stability of thin spherical shells // Strengh of Materials, 2021. –  Vol. 53, №6. – Р. 842-850.
  9. Lizunov P.P., Lukianchenko O.O., Geraschenko O.V., Kostina O.V. Dynamic stability of a hemispherical shell with shape imperfections // Strength of Materials and Theory of Structures. – 2023. – Issue. 110. – Р. 97-107.
  10. Jaecheol Koh Siemens NX Nastran: Tutorials for Beginners and Advanced Users. – ASIN: B0B19ZBZCM, 2022. – 566 p.
  11. Ray W. Clouph, Joseph Penzien Dynamics of Structures. – New York, 1975. –  634 p.