Streszczenie

Streszczenie
Użycie materiałów wybuchowych jest bardzo destrukcyjną i jednocześnie najpowszechniejszą
formą ataku terrorystycznego. Na skutek ataków bombowych w 2010 r. na całym świecie śmierć
poniosło 6 595 osób, a 21 151 zostało rannych. W niniejszej pracy zbadany został problem ograniczenia
skutków obciążenia impulsowego od wybuchu ładunku działającego na wybrany element konstrukcyjny
obiektu infrastruktury krytycznej.
Do ochrony różnego rodzaju obiektów stosuje się osłony zmniejszające destrukcyjny charakter
oddziaływania fali wybuchowej. Celem niniejszej pracy jest opracowanie metody zwiększenia
odporności elementu nośnego wybranego obiektu infrastruktury krytycznej na odziaływanie fali
wybuchowej pochodzącej od detonacji ładunku wybuchowego, poprzez zastosowanie numerycznych
metod optymalizacji parametrów konstrukcyjnych panelu ochronnego. Praca została podzielona na trzy
główne części: analizę odporności elementów nośnych obiektów infrastruktury krytycznej na
oddziaływanie fali wybuchowej wraz z określeniem pozostałej nośności, analizę wielowarstwowego
panelu ochronnego bazującego na strukturach kompozytowych i pianowych oraz optymalizację
parametrów konstrukcyjnych panelu ochronnego pod względem minimalizacji spadku nośności
chronionego elementu nośnego.
Pierwszy etap pracy dotyczy wyznaczania odpowiedzi elementów nośnych konstrukcji na
oddziaływanie fali ciśnienia od wybuchu ładunku ze szczególnych uwzględnieniem spadku nośności. Aby
odwzorować pełny cykl obciążeń tego elementu, tj. obciążenia statyczne wynikające z normalnej pracy
konstrukcji oraz obciążenia dynamiczne od wybuchu ładunku, a także obciążenia statyczne niszczące
przy badaniu pozostałej nośności elementu, konieczne było zastosowanie specjalnie opracowanej ścieżki
obliczeń numerycznych. Ścieżka ta składała się z czterech etapów analiz realizowanych przy pomocy
różnych schematów rozwiązywania równań. W pierwszym etapie analizy, słup obciążony został siłą 𝑃𝑛
odpowiadającą obciążeniom nominalnym, rozłożoną równomiernie na górnej powierzchni słupa. Etap
ten został zrealizowany z wykorzystaniem przyrostowej procedury iteracyjnej Newtona-Raphsona
używanej zazwyczaj do obliczeń zagadnień nieliniowych przy obciążeniu statycznym. Drugi etap analiz
obejmował zachowanie się konstrukcji podczas oddziaływania falą wybuchową pochodzącą od detonacji
ładunku wybuchowego. Zastosowano tu metodę całkowania jawnego w dziedzinie czasu
z wykorzystaniem schematu różnic centralnych. Uwzględniony został również stan konstrukcji
z wcześniejszego etapu. Obciążenie impulsowe słupa nośnego uzyskano przy zastosowaniu sprzężenia
numerycznego pomiędzy domeną gazową (sformułowanie Eulera) a strukturą (sformułowanie
Lagrangea). Podczas kolejnego etapu, badana była dalsza odpowiedź konstrukcji, jednak już po ustaniu
oddziaływania od fali wybuchowej. Przeprowadzenie analiz w tym etapie wymagało usunięcia z modelu
numerycznego elementów skończonych opisujących ośrodek gazowy, a także zakończenie działania
algorytmu sprzężenia numerycznego. Dzięki temu znacznie obniżono całkowitą liczbę elementów
w modelu, co pozwoliło na wydłużenie czasu objętego analizą dynamiczną. W ostatnim etapie
przeprowadzona została analiza nośności granicznej słupa, z uszkodzeniem powstałym na skutek
detonacji materiału wybuchowego. W celu wyznaczenia siły maksymalnej, konstrukcja obciążona została
siłą osiową statyczną (wielokrotnością siły Pn), przyłożoną na górne węzły modelu słupa. Obliczenia
prowadzono z wykorzystaniem niejawnego schematu całkowania Newtona-Raphsona, analogicznie jak
w etapie pierwszym ścieżki badawczej. Za nośność graniczną przyjęto wielkość obciążenia otrzymanego
dla ostatniego zbieżnego rozwiązania procedury przyrostowej.
Wyniki przeprowadzonych analiz pokazały, że detonacja ładunku o stosunkowo niewielkiej masie
(kilku kilogramów) w pobliżu elementu konstrukcyjnego, nawet pomimo dużego pola powierzchni
przekroju poprzecznego tego elementu, powoduje bardzo duże deformacje plastyczne oraz utratę
spójności materiału. Rodzaju, wielkość ładunku oraz punktu inicjacji detonacji mają bardzo duży wpływ
na wielkości zniszczeń oraz obniżenie nośności elementu konstrukcyjnego. Znaczna utrata nośności
struktury słupa w postaci dwuteownika następuje dopiero po dużej deformacji struktury i uszkodzeniu
polegającym na oddzieleniu części środnika od półek dwuteownika. Mniejszy poziom odkształceń uznano
za bezpieczny dla konstrukcji, pomimo dużych deformacji. W przypadku, gdy nie dochodzi do utraty
spójności materiału słupa jego nośność zmniejsza się jedynie o ok. 10%
Kolejny etap obejmował analizę osłony energochłonnej o strukturze kompozytowo-pianowej.
Badana osłona cechowała się wielowarstwową budową bazującą na rdzeniu z piany aluminiowej oraz
powłokach z materiału kompozytowego wzmacnianego włóknem węglowym oraz aramidowym.
Przeprowadzony przegląd literaturowy pokazał, że struktury warstwowe kompozytowo-pianowe są
obecnie najbardziej popularnymi grupami materiałów, stosowanymi na elementy pochłaniające energię
od wybuchu. Aby poprawnie zamodelować zachowanie osłony, konieczne było przeprowadzenie wielu
testów indentyfikacyjnych materiałów kompozytowych oraz piany aluminiowej. Ostatecznie, opracowano
numeryczny model osłony uwzględniający niszczenie m.in. piany metalicznej oraz kompozytów
warstwowych wraz z uwzględnieniem zjawiska delaminacji. Pozwoliło to na określenie odpowiedzi
układu osłona-słup chroniony na oddziaływanie impulsem ciśnienia, wywołanym przez interakcję fali
wybuchowej. Badania efektywności osłony wykazały, że ochrona elementów nośnych może w znacznym
stopniu zredukować ich deformacje. Głównymi mechanizmami pozwalającymi na pochłonięcie energii
oddziaływania przez osłonę była deformacja piany metalicznej oraz zrywanie i ścinanie włókien
wzmacniających powłoki kompozytowe. Przeprowadzono również testy walidacyjne poligonowe,
polegające na obciążeniu falą ciśnienia od wybuchu ładunku rzeczywistych obiektów w postaci słupa
niechronionego oraz słupa osłoniętego panelem ochronnym, które wykazały dostateczną dokładność
zbudowanych modeli numerycznych i poprawność przyjętych założeń.
W celu poprawy właściwości ochronnych osłony, opracowano sposób numerycznej optymalizacji
jej parametrów. Wybrany został parametr, który był poddany optymalizacji (funkcja celu), którego
minimalizacja pośrednio wpływała na minimalizację spadku nośności badanego słupa, a więc i poprawę
efektywności osłony. Wykonano serie analiz na uproszonym modelu numerycznym w postaci wycinka
cylindrycznej części osłony, który zawierał główne warstwy osłony w postaci blachy aluminiowej,
laminatu zewnętrznego, piany aluminiowej oraz laminatu wewnętrznego. Pozwalał on również na
uwzględnienie procesu delaminacji warstw, dzięki wprowadzeniu elementów kohezyjnych. Model ten
generowany był automatycznie poprzez opracowany skrypt preprocesora, na podstawie określonych
parametrów zmiennych. Parametrami zmiennymi były liczba warstw powłok kompozytowych oraz
gęstość piany aluminiowej, natomiast masa oraz grubość całego panelu były stałe. Ostatecznie, na
podstawie metamodelu wyznaczono optymalny zestaw parametrów zmiennych, gwarantujący
minimalizację ugięcia środnika chronionego słupa nośnego. Uzyskane wyniki pokazały, że zwiększenie
sztywności wewnętrznej powłoki osłony, kosztem zmniejszenia liczby warstw powłoki zewnętrznej oraz
zmniejszenia gęstości piany aluminiowej wpływa pozytywnie na energochłonność i efektywność panelu.
Weryfikacja wyników optymalizacji na pełnym modelu numerycznym potwierdziła zasadność
wprowadzenia modyfikacji układu warstw panelu. Doszło do zwiększenia ilości energii pochłanianej
przez pianę aluminiową oraz powłokę wewnętrzną, co przełożyło się na znaczną redukcję odkształceń
plastycznych słupa nośnego. Podsumowując, zastosowanie procedury numerycznej optymalizacji
konstrukcji pozwala na znaczną poprawę efektywności badanego panelu ochronnego.