نشریه علمی-پژوهشی مکانیک سنگ

نشریه علمی-پژوهشی مکانیک سنگ

مدل‌سازی عددی ترکیبی پاسخ انفجار در محیط‌های لایه‌ای فولاد-خاک

نوع مقاله : مقاله پژوهشی انگلیسی

نویسندگان
گروه مکانیک سنگ، دانشکده معدن و مواد، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران
10.22034/IRSRM.2026.468758.0141
چکیده
پیش‌بینی دقیق آسیب ناشی از انفجار در سیستم‌های ژئوتکنیکی لایه‌ای، برای طراحی مقاوم سازه‌های حفاظتی زیرزمینی ضروری است. با این حال، فیزیک پیچیدهٔ انفجار – شامل تغییرشکل‌های بسیار زیاد، اندرکنش چندماده‌ای، و نرخ‌های کرنش بالا – چالش‌های قابل‌توجهی را هم برای بازتولید تجربی و هم برای مدل‌سازی عددی تک‌روشی ایجاد می‌کند. برای پر کردن این خلأ، مطالعهٔ حاضر یک چارچوب محاسباتی ترکیبی را توسعه می‌دهد که روش‌های هیدرودینامیک ذرات هموار (SPH)، روش المان گسسته (DEM) و روش المان محدود (FEM) را برای شبیه‌سازی آسیب در یک پیکربندی لایه‌ای فولاد-خاک تحت بارگذاری انفجاری، تلفیق می‌کند. مدل پیشنهادی، مناسب‌ترین روش عددی را به هر مادهٔ تشکیل‌دهنده اختصاص می‌دهد: SPH مادهٔ منفجره TNT را مدل می‌کند و تغییرشکل بزرگ و خردشدگی را بدون اعوجاج شبکه ثبت می‌نماید؛ DEM لایهٔ خاک دانه‌ای را مدل کرده و اندرکنش‌های مقیاس ذره و گسیختگی تماسی را محاسبه می‌کند؛ FEM ورق فولادی را گسسته‌سازی نموده و ارزیابی دقیق تنش-کرنش را امکان‌پذیر می‌سازد. مدل رفتاری جانسون-کوک به عنوان معیار آسیب برای لایهٔ فولادی به کار رفته است که اثرات سخت‌شدگی کرنشی، حساسیت به نرخ کرنش و نرم‌شدگی حرارتی را دربر می‌گیرد. برای خاک، گسیختگی تماسی برای کنترل جداشدگی و جدا شدن ذرات تعریف شده است. رفتار ترمودینامیکی محصولات انفجار توسط معادلهٔ حالت جونز-ویلکینز-لی (JWL) توصیف می‌گردد. مقاله اصول بنیادین، الگوریتم‌های تلفیق و شرایط مشترک بین سه روش را به تفصیل بیان می‌کند. نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهد که رویکرد یکپارچه SPH-DEM-FEM به طور مؤثر الگوهای کلیدی آسیب از جمله سوراخ‌شدگی فولاد، ایجاد دهانهٔ برخوردی (گودال) در خاک و لایه‌لایه‌شدگی را بازتولید می‌کند. این مدل فیزیک‌چندگانهٔ اعتبارسنجی‌شده، ابزار عددی قدرتمندی در اختیار پژوهشگران قرار می‌دهد تا سناریوهای مختلف انفجار، هندسه‌های مادهٔ منفجره و ویژگی‌های لایه‌ها را بررسی کنند و بدین ترتیب درک اندرکنش انفجار-سازه در محیط‌های لایه‌ای را پیش می‌برد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

[1]      O. Aydan, Rock dynamics, CRC Press, 2017.
[2]      Y. Zhou, J. Zhao, Advances in rock dynamics and applications, CRC press, 2011.
[3]      A. Dolatshahi, A. Nouri Qarahasanlou, Pre-existing Crack Effect on Damage of Inner Concrete Lining under an Internal Explosion: A Numerical Study, Journal of Mining and Environment 14 (2023) 945–960.
[4]      G. Sedlacek, C. Kammel, B. Kühn, W. Hensen, Condition assessment and inspection of steel railway bridges, including stress measurements in riveted, bolted and welded structures: Sustainable Bridges Background document SB3.4, (2007).
[5]      P.-A. Persson, R. Holmberg, J. Lee, Rock blasting and explosives engineering, CRC press, 2018.
[6]      S. Yimsiri, K. Soga, DEM analysis of soil fabric effects on behaviour of sand, Géotechnique 60 (2010) 483-495.
[7]      E. Lee, M. Finger, W. Collins, JWL equation of state coefficients for high explosives, Lawrence Livermore National Lab.(LLNL), Livermore, CA (United States), 1973.
[8]      M. Zaid, M.R. Sadique, Numerical modelling of internal blast loading on a rock tunnel, Advances in Computational Design 5 (2020) 417–443.
[9]      Z. Yan, H. Zhu, J.W. Ju, W. Ding, Full-scale fire tests of RC metro shield TBM tunnel linings, Constr Build Mater 36 (2012) 484–494.
[10]   P. Moradi, M.J. Asadi, N. Ebrahimzadeh, B. Yarahmadi, Ilam tunnels inspection, maintenance, and rehabilitation: A case study, Tunnelling and Underground Space Technology 110 (2021) 103814.
[11]   Z.-L. Wang, Y.-C. Li, R.F. Shen, Numerical simulation of tensile damage and blast crater in brittle rock due to underground explosion, International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences 44 (2007) 730–738.
[12]   M. Lak, M. Fatehi Marji, A.R. Yarahamdi Bafghi, A. Abdollahipour, Discrete element modeling of explosion-induced fracture extension in jointed rock masses, Journal of Mining and Environment 10 (2019) 125–138.
[13]   H. Shahnazari, M. Esmaeili, R.H. Hosseini, Simulating the effects of projectile explosion on a jointed rock mass using 2D DEM: a case study of Ardebil-Mianeh railway tunnel, (2010).
[14]   M. Liu, D. Feng, Z. Guo, A modified SPH method for modeling explosion and impact problems, APCOM & ISCM (2013).
[15]   M. Liu, D.L. Feng, Z. Guo, Recent developments of SPH in modeling explosion and impact problems, in: 3rd International Conference on Particle-Based Methods. Fundamentals and Applications, Particles 2013, Stuttgart, Germany, 2013, pp. 428-435.
[16]   J.P. Morris, M.B. Rubin, G.I. Block, M.P. Bonner, Simulations of fracture and fragmentation of geologic materials using combined FEM/DEM analysis, Int J Impact Eng 33 (2006) 463-473.
[17]   Lf. Trivino, B. Mohanty, Assessment of crack initiation and propagation in rock from explosion-induced stress waves and gas expansion by cross-hole seismometry and FEM-DEM method, International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences 77 (2015) 287-299.
[18]   J.-B. Zhu, Y.-S. Li, S.-Y. Wu, R. Zhang, L. Ren, Decoupled explosion in an underground opening and dynamic responses of surrounding rock masses and structures and induced ground motions: A FEM-DEM numerical study, Tunnelling and Underground Space Technology 82 (2018) 442-454.
[19]   Y. Cui, Z. Li, J. Fang, B. Zhao, Crater effects of shallow burial explosions in soil based on SPH-FEM analysis, Front Earth Sci (Lausanne) 10 (2023) 1114178.
[20]   Y. Du, L. Ma, J. Zheng, F. Zhang, A. Zhang, Coupled simulation of explosion-driven fracture of cylindrical shell using SPH-FEM method, International Journal of Pressure Vessels and Piping 139 (2016) 28-35.
[21]   B. Qi, F. Yang, H. He, Research on Dynamic Response of Buried Pipeline Under Explosion Load Based on SPH-FEM Method, in: International Scientific Conference Civil Engineering and Buildings Services, Springer, 2023, pp. 226-237.
[22]   B. Chen, X. Zu, Theoretical and Experimental Study on the Performance of Steel and Concrete Multi-layer Composite Targets Against Shaped Charge Jet, Latin American Journal of Solids and Structures 23 (2026) e8874.
[23]   X. Huang, B. Zhu, Y. Chen, A coupled and parallel peridynamics–SPH modeling and simulation of buried explosion induced soil fragmentation and cratering, Computers and Geotechnics (2025) 105909.
[24]   M. Sharafisafa, Z. Aliabadian, Effect of Discrete Fracture Network density on hydraulic fracturing, Journal of Rock Mechanics 8 (2024) 1-10.
[25]   H. Sarfaraz, M.H. Khosravi, An analytical method based on stress arching theory for stabilization of soil slopes using a single row of piles, Journal of Rock Mechanics 8 (2025) 15-25.
[26]   E. Taheri, S.A. Sadrnejad, Prediction of internal mechanism of soil upon multiplane framework, in: Proceedings of International Conference on Geotechnical Engineering and Soil Mechanics, Tehran, Iran, 2010.
[27]   C. O'Sullivan, Particulate discrete element modelling: a geomechanics perspective, CRC Press, 2011.
[28]   M. Rajab Doost Khoshdel, E. Taheri, A. Fakhimi, Combined SPH-DEM modeling of solid-fluid interactions, Journal of Hydraulic Structures 7 (2021) 72-99.
[29]   A. Fakhimi, A hybrid discrete-finite element model for numerical simulation of geomaterials, Comput Geotech 36 (2009) 386-395.
[30]   P.A. Cundall, Distinct element models, of rock and soil structure, Analytical and Computational Method in Engineering Rock Mechanics (1987) 129-1631.
[31]   G.-R. Liu, M.B. Liu, Smoothed particle hydrodynamics: a meshfree particle method, World scientific, 2003.
[32]   K. Wu, D. Yang, N. Wright, A coupled SPH-DEM model for fluid-structure interaction problems with free-surface flow and structural failure, Comput Struct 177 (2016) 141-161.
[33]   E. Taheri, R. Mohammadpour, M.H. Mokhtarzadeh, The Influence of Pipe Jacking on Earth Deformation, Journal of Mining and Environment 16 (2025) 1027-1041.
[34]   S.L. Fuchs, C. Meier, W.A. Wall, C.J. Cyron, A novel smoothed particle hydrodynamics and finite element coupling scheme for fluid-structure interaction: The sliding boundary particle approach, Comput Methods Appl Mech Eng 383 (2021) 113922.
[35]   M. Yildiz, R.A. Rook, A. Suleman, SPH with the multiple boundary tangent method, Int J Numer Methods Eng 77 (2009) 1416-1438.
[36]   S. Adami, X.Y. Hu, N.A. Adams, A generalized wall boundary condition for smoothed particle hydrodynamics, J Comput Phys 231 (2012) 7057-7075.
[37]   M.B. Liu, G. Liu, Smoothed particle hydrodynamics (SPH): an overview and recent developments, Archives of Computational Methods in Engineering 17 (2010) 25-76.
[38]   J.J. Monaghan, On the problem of penetration in particle methods, J Comput Phys 82 (1989) 1-15.
[39]   J.J. Monaghan, SPH without a tensile instability, J Comput Phys 159 (2000) 290-311.
[40]   M. Murugesan, D.W. Jung, Johnson Cook material and failure model parameters estimation of AISI-1045 medium carbon steel for metal forming applications, Materials 12 (2019) 609.
[41]   T.Y. Yosef, C. Fang, S. Kim, R.K. Faller, Q.A. Alomari, M.A. Bahar, G.S. Kumar, Large Deformation Pile‐soil Interaction Under Lateral Vehicle Impact Using Hybrid SPH+FEM and EFG+FEM Models, International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics 50 (2026) 2648-2669.
[42]   Z. Zhou, C. Tian, Z. Ge, Z. Li, Q. Deng, Breakage mechanism analysis of bedded sandstone impacted by abrasive water jet using an integrated SPH-DEM-FEM and cohesive element method, Geothermics 125 (2025) 103177.