Pneumatická děla VZLÚ s průměrem hlavní 125 mm (horní) a 260 mm (dolní)
Součástí bezpečnosti energetických zařízení, jako objektů kritické infrastruktury, je ochrana proti nárazu letících těles. Tato tělesa – části stromů, stavebních konstrukcí nebo letadel - mohou být vymrštěna buď v důsledku extrémních klimatických jevů (vichřice, tornádo aj.), nebo vlivem lidské činnosti (průmyslové havárie, výbuchy, pády letadel…).
V příspěvku jsou prezentovány experimenty nárazu těles vystřelených pneumatickým dělem a snímaných vysokorychlostní kamerou. Tyto reálné experimenty jsou porovnány s experimenty virtuálními, kdy náraz těles (vysokorychlostní impakt) je simulován explicitní metodou konečných prvků. Konkrétně je prezentován náraz betonového tělesa do kompozitové konstrukce a impakty kroupou.
1. Úvod
V důsledku extrémních klimatických jevů, nebo lidské činnosti, mohou být energetická zařízení zasažena rozměrnými objekty se značnou kinetickou energií. Analýzu účinku impaktu těchto letících těles je možné provádět numerickou simulací, vzhledem k rozměrům objektů (částí stromů, trosek stavebních konstrukcí nebo letadel) je experiment v plném měřítku většinou prakticky vyloučen.
Impakt je rychlým dynamickým dějem, který je vhodný řešit implicitní metodou konečných prvků. Pro prezentované výsledky byl použit software ABAQUS EXPLICIT.
Aby byla simulace realistická, je nutné aplikovat komplexní materiálové modely, zejména pak modely iniciace a růstu poškození. Podmínkou průkaznosti takové numerické analýzy (její shody s fyzikální realitou) je její experimentální validace v redukovaném měřítku. Pro tyto experimenty bylo ve společnosti VZLÚ použito pneumatické dělo, primárně sloužící pro průkaz odolnosti letecké konstrukce při střetu s ptákem.
V tomto příspěvku je prezentován náraz betonové krychle, simulující trosky stavební konstrukce, do kompozitového materiálu a příklady impaktu kroupou.
2. Impakt kompozitové lopatky betonových tělesem
Příkladem, kdy bylo nutné prokázat odolnost konstrukce energetického zařízení vůči nárazu letících těles, je kompozitová lopatka ventilátoru záložní chladicí věže elektrárny. V případě extrémního (tisíciletého) větru existuje riziko zborcení betonové konstrukce primárních chladících věží. Za těchto okolností přebírají jejich funkci záložní chladicí věže s nucenou ventilací. Existuje ovšem nebezpečí, že trosky betonové konstrukce zasáhnou a poškodí lopatky ventilátoru záložní chladicí věže. Za tímto účelem byl ventilátor chráněn ocelovou sítí. Nicméně, bylo nutno prokázat, že úlomky betonu do velikosti ok sítě neohrozí funkci ventilátoru.
Průkaz odolnosti konstrukce vůči nárazu betonových trosek byl proveden pro celou obálku rychlostí, úhlů dopadu a míst impaktu numericky, implicitní metodou konečných prvků, softwarem ABAQUS EXPLICIT. Nicméně tyto numerické simulace byly validovány experimentálně, reálným impaktem kompozitové konstrukce betonovým tělesem [1].
Pneumatickým dělem – obr.1 – byla vystřeleno betonová těleso do kompozitové lopatky, instalované před ústí hlavně, jak je dokumentováno na obr. 2.
Betonová krychle o rozměrech 80x80x80mm byla umístěna do velmi lehkého polysty-renového obalu, který slouží zároveň k utěsnění hlavně – viz obr. 3
Byly realizovány dva impakty. První výstřel byl veden do osy nosníku lopatky rychlostí 194km/h. Na sledu snímků z rychloběžné kamery – obr. 4 – je dobře patrná dynamika nárazu tělesa do konstrukce, dynamické deformace kompozitního materiálu a odraz tělesa zpět. Při impaktu došlo k rozlomení polystyrenového obalu, betonové těleso ovšem zůstalo prakticky neporušené, jak je vidět na obr. 3. K poškození nedošlo ani u kompozitové konstrukce.
Tentýž děj, numericky simulovaný, je zobrazen na sledu snímků na obr.5. Barevná škála indikuje míru zatížení kompozitního materiálu. Zobrazené hodnoty jsou relativně nízké, v žádném místě nedochází k destrukci materiálu, což je v souladu s experimentem. Stejně jako v reálném případě se betonové těleso odráží od kompozitové konstrukce.
Druhý impakt byl veden mimo osu nosníku lopatky rychlostí 337 km/h. Zde došlo v trajektorii impaktu k totální destrukci přední i zadní stěny lopatky – viz obr. 6 –, nicméně tato destrukce spotřebovala veškerou kinetickou energii, betonové těleso se zastavilo a uvízlo v dutině lopatky.
Průběh impaktu dokumentují záběry z rychloběžné kamery obr. 7. Tento děj se podařilo prakticky shodně numericky nasimulovat – obr. 8 –, což dobře validuje zejména model porušení kompozitového materiálu a použité materiálové charakteristiky.
3. Impaktu kroupou
Velmi aktuální je nebezpečí poškození fotovoltaických elektráren dopadem krup. Tato energetická zařízení jsou relativně málo odolná vůči extrémním klimatických jevům, jako jsou vichřice, tornáda a krupobití, které můžou způsobit vysoké ekonomické škody. Z těchto rizik má právě dopad velkých krup nejničivější účinek.
VZLÚ se analýze vysokorychlostních impaktů kroupou věnuje experimentálně od 70. let, numericky poslední desetiletí. I když se převážně řešily letecké aplikace, fyzikální podstata problému je stejná, jako v případě impaktu fotovoltaických panelů.
Standardní zkoušky se provádějí s kroupami o průměru 25 a 50 mm, vložené do polystyrenového pouzdra, viz obr. 9. Pouzdro je v tomto případě zastaveno úsťovou brzdou a do kontaktu se zkušebním tělesem se dostane pouze kroupa.
Pro numerickou simulaci explicitní variantou metody konečných prvků je nutné vytvořit model kroupy jak klasickými prvky, tak prvky SPH (Smoothed Particle Hydrodynamic) – obojí na obr. 9. Zásadní pro věrohodnost simulace jsou parametry modelu poškození, dezintegrace kroupy.
Jak je patrné z obr. 10 a 11, existuje velmi dobrá shoda mezi experimentem a numerickou simulací jak pro kolmý, tak pro šikmý impakt.
4. Závěr
Prezentované příklady experimentální a numerické analýzy vysokorychlostního nárazu těles tvoří pouze malý výsek z problematiky bezpečnosti energetických zařízení vůči extrémním klimatickým jevům. Ukazují nicméně na možnosti řešit tyto problémy numerickými simulacemi implicitní variantou metody konečných prvků.
Tento přístup ovšem vyžaduje použití komplexních modelů a metod – zejména modelů poškození materiálu – které je ovšem nutné experimentálně validovat. Prezentovanou variantou jsou zkoušky vysokorychlostním impaktem pomocí pneumatického děla.
Dlouhodobé zkušenosti s těmito zkouškami a využití získaných dat umožnilo zlepšit nastavení parametrů příslušných numerických modelů a dosahovat velmi dobré shody simulací s experimentem.
LITERATURA:
- Strnad, V. (2013) Zkouška nárazu zkušebního tělesa simulujícího nádrž s leteckým palivem na pevnou překážku. Praha: zkušební protokol VZLÚ
- Doubrava, R., Oberthor, M., Bělský, P., Vích, O. (2019) An Improvement of measurement technique for high speed impact tests analysis, EAN, 57th conference on experimental stress analysis, Luhačovice ISBN 978-80-214-5753-9
- R. Doubrava (2013), SPH Technigue Application for Fast Impact Simulation, report VZLU R-5841, http://www.vzlu.cz/en/certified-methodology-n-met-c488.html
Ing. Jan Raška, Ph.D.,
Ing. Radek Doubrava Ph.D.
Výzkumný a zkušební letecký ústav, a.s.,
Beranových 130, 199 05 Praha – Letňany
