Phương pháp tính toán áp suất sóng xung kích của vụ nổ dưới nước khi có vật cản

Cơ học & Điều khiển thiết bị bay 
N.G. Thắng, Tr.B.Tấn, N.T. Thanh, “Phương pháp tính toán  khi có vật cản.” 244 
PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ÁP SUẤT SÓNG XUNG KÍCH 
CỦA VỤ NỔ DƯỚI NƯỚC KHI CÓ VẬT CẢN 
Nguyễn Gia Thắng1*, Trần Bá Tấn1, Nguyễn Trường Thanh2 
Tóm tắt: Bài báo giới thiệu phương pháp tính toán áp suất sóng xung kích của vụ 
nổ dưới nước khi có vật cản. Kết quả tính toán cho phép nghiên cứu sự ảnh hưởng 
khác nhau của các loại vật cản dựa trên quy luật về áp suất trên bề mặt sóng xung 
kích khi lan truyền trong môi trường nước. Phương pháp tính toán có ứng dụng 
phần mềm mô phỏng Ansys Autodyn 2D. Các kết quả chính của bài báo là quy luật 
áp suất của sóng xung kích theo thời gian ở các điểm khảo sát khi vụ nổ khối thuốc 
nổ TNT trong môi trường nước. Ngoài ra bài báo cũng trình bày các bước cơ bản để 
giải bài toán nổ bằng ứng dụng phần mềm mô phỏng và thể hiện các quá trình lan 
truyền của sóng xung kích trong môi trường nước. 
Từ khóa: Sóng xung kích, Autodyn, Nổ trong nước. 
1. ĐẶT VẤN ĐỀ 
Nghiên cứu hiện tượng nổ trong môi trường nước có vai trò hết sức quan trọng 
đối với công tác kỹ thuật quân sự đặc biệt là với hải quân. Nổ dưới biển là mối đe 
dọa lớn nhất đối với các tàu ngầm, tàu mặt nước cũng như các công trình quân sự 
và các trang thiết bị hoạt động dưới nước khác. Khi vụ nổ xảy ra, sản phẩm nổ và 
sóng xung kích từ vụ nổ là tác nhân phá hoại chính của vụ nổ . Trong đó, sản phẩm 
nổ chỉ có tác dụng trong một phạm vi hẹp xung quanh khối thuốc nổ còn sóng 
xung kích có tác dụng phá hoại ở một khoảng cách lớn hơn do nó có thể lan truyền 
trong môi trường nước. Trên thế giới công việc nghiên cứu sức phá hoại của sóng 
xung kích trong môi trường nước đã được quan tâm từ rất lâu và người ta đã thu 
được nhiều kết quả phục vụ cho công tác phát triển các loại phương tiện chiến đấu 
ngầm dưới biển cũng như các phương tiện nổi trên mặt nước[1,2,7]. Nhưng do đặc 
thù là các lĩnh vực quân sự nên các nghiên cứu này thường ít được công bố rộng 
rãi. Với sự hiện đại của quân đội ta thì việc nghiên cứu nổ dưới nước nhằm đáp 
ứng các mục đích chiến đấu bảo vệ biển đảo đang là đòi hỏi vô cùng cấp thiết. Từ 
yêu cầu thực tiễn đó, nhóm tác giả đã tìm tòi và nghiên cứu về hiện tượng nổ trong 
môi trường nước làm cơ sở cho công tác thiết kế, chế tạo và khai thác sử dụng các 
trang thiết bị hoạt động trong môi trường nước cũng như nâng cao khả năng chiến 
đấu của bộ đội. 
Hiện tượng nổ là quá trình biến đổi phức tạp và ở cường độ cao về tốc độ của 
quá trình, nhiệt độ và áp suất của vụ nổ. Các nghiên cứu trước đây với các vụ nổ 
trong môi trường nước thường sử dụng phương pháp thực nghiệm kết hợp với lý 
thuyết để xác định các đặc trưng của vụ nổ [1,2]. Tuy nhiên việc tính toán chỉ áp 
dụng cho một vài thông số hoặc thời điểm cụ thể của quá trình lan truyền sóng 
xung kích. Ngày nay với sự phát triển của khoa học máy tính và phần mềm việc 
ứng dụng các phương pháp mô phỏng trong tính toán các hiện tượng nổ đang được 
quan tâm ứng dụng[5÷7]. Phương pháp mô phỏng có nhiều ưu điểm là phản ánh 
hiện tượng một cách trực quan và có thể tính toán được các quá trình phức tạp mà 
các phương pháp tính khác khó thực hiện được. Trên cơ sở đó nhóm tác giả đã ứng 
Nghiên cứu khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Tên lửa, 09 - 2016 245
dụng phần mềm mô phỏng Ansys Autodyn 2D để tính toán vụ nổ trong môi trường 
nước có tính đến ảnh hưởng của các vật cản khác nhau. 
Trong nghiên cứu này nhóm tác giả tập trung đi sâu tính toán giá trị áp suất 
trên bề mặt sóng xung kích khi lan truyền trong môi trường nước. Bài báo có bố 
cục 5 phần trong đó mục 2 trình bày phương pháp xây dựng mô hình bài toán trên 
phần mềm Ansys Autodyn 2D, mục 3 trình bày một ví dụ về vụ nổ trong môi 
trường nước với chất nổ TNT, mục 4 thể hiện các kết quả chính của phương pháp 
và đánh giá. 
2. MÔ HÌNH BÀI TOÁN VÀ CÁC BƯỚC GIẢI 
TRÊN PHẦN MỀM ANSYS AUTODYN 2D 
2.1. Mô hình bài toán 
Bài toán được xây dựng trên mô hình hiện tượng nổ trong môi trường nước 
(hình 1) với các giả thiết: 
- Khối thuốc nổ hình cầu 
- Môi trường nước không giới hạn mặt đáy, mặt thoáng mà chỉ chịu ảnh hưởng 
của vật cản ở một phía với khoảng cách nhất định đến tâm khối thuốc. 
- Vật cản có độ dày đủ lớn để hấp thụ và phản xạ hoàn toàn sóng xung kích. 
Các điểm xác định giá trị của áp suất trên bề mặt sóng xung kích được xác định 
trên bề mặt vật cản và ở vị trí tương ứng trong môi trường nước phía đối diện với 
vật cản. Vị trí các điểm được lấy nhằm khảo sát sự ảnh hưởng của góc tới trên sóng 
xung kích trên bề mặt vật cản đối với sự phản xạ của sóng xung kích. Bài toán 
được giải với vật cản là tấm thép tượng trưng cho bề mặt của các trang thiết bị hoạt 
động trong môi trường nước và vật cản là khối bê tông tượng trưng cho kết cấu 
công trình ngầm dưới nước. 
Hình 1. Mô hình bài toán và các vị trí xuất kết quả. 
2.2. Các bước giải bài toán 
Bước 1: Chọn vật liệu 
Chọn vật liệu theo yêu cầu và phương trình trạng thái phù hợp. 
Bước 2: Xây dựng mô hình chịu tải của kết cấu 
Bố trí kết cấu chịu tải, xác định phương pháp chia lưới phần tử cho môi 
trường, chất nổ và kết cấu. 
Bước 3: Bổ xung điều kiện biên cho bài toán 
Cơ học & Điều khiển thiết bị bay 
N.G. Thắng, Tr.B.Tấn, N.T. Thanh, “Phương pháp tính toán  khi có vật cản.” 246 
Phần biên giới hạn của môi trường phải được đặt điều kiện biên để nó phản 
ánh gần đúng với tính chất vô hạn của môi trường. 
Bước 4: Xác định điều kiện tương tác giữa các môi trường 
Quá trình giải bài toán có sự tương tác giữa các môi trường sản phẩm nổ-nước, 
nước-vật cản là các môi trường khác nhau về bản chất nên phải lựa chọn điều kiện 
tương tác phù hợp để có thể liên kết được các phần tử đảm bảo trương trình tính 
toán không bị lỗi về tính liên tục của các phần tử cũng như sai số về bảo toàn năng 
lượng trong giới hạn cho phép. 
Bước 5: Xác định điểm kích nổ cho khối thuốc 
Chọn phần tử đầu tiên thực hiện quá trình biến đổi nổ. 
Bước 6: Điều khiển quá trình tính toán 
Điều khiển thời gian tính toán cũng như các bước thời gian để đảm bảo quá 
trình nổ đã diễn ra hoàn toàn và sóng xung kích đã lan truyền đến các vật cản. 
Bước 7: Xác định việc hiển thị kết quả bài toán 
3. TÍNH TOÁN BẰNG PHẦN MỀM ANSYS AUTODYN 2D 
3.1. Mô hình vật liệu 
Trong bài báo này nhóm tác giả tính toán với vật liệu nổ là TNT, thép Steel 
1006 [4] và bê tông là Conc-35MPA[4]. 
3.1.1. Mô hình vật liệu đối với chất nổ TNT 
Phương trình trạng thái của sản phẩm nổ JWL [4,5,7]. Đây là phương trình 
bán thực nghiệm được John – Wiliam – Lee đề xuất và được ứng dụng khá rộng rãi 
trong mô phỏng nổ. 
1 2R V R V
1 2
E
P A 1 e B 1 e
R V R V V
   
 (1) 
Trong đó: P(MPa) – áp suất của sản phẩm nổ; ω, A, B, R1 và R2 là các hằng số 
thực nghiệm có giá trị được thể hiện trong bảng 1, được lựa chọn theo thư viện của 
phần mềm [4], 0V
 là tỉ số mật độ ban đầu với mật độ ở thời điểm tính toán, E 
(kJ.m-3 ) là năng lượng riêng của chất nổ. 
Bảng 1. Các thông số cho phương trình trạng thái sản phẩm nổ TNT [4]. 
Thông số Giá trị Đơn vị 
Mật độ, ρ0 1630 kg.m
-3 
A 373.77x106 kPa 
B 3.7471 x106 kPa 
R1 4.15 - 
R2 0.9 - 
ω 0.35 - 
Năng lượng riêng E 6.0 x106 kJ.m-3 
3.1.2. Mô hình vật liệu đối với nước 
Phương trình trạng thái [4] 
Nghiên cứu khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Tên lửa, 09 - 2016 247
- Khi chịu nén: 0 thì 2 31 2 3 0 1 0P = A μ A μ A μ B B μ ρ E (2) 
- Khi chịu kéo: 0 thì 
2
1 2 0 0P = T T EB  (3) 
Trong đó: P(MPa)- áp suất; E(J)- Nội năng ban đầu trên một đơn vị khối 
lượng, giá trị của E được phần mềm tính toán dựa trên nhiệt độ đầu vào của môi 
trường, thường mặc định ở 2930K. A1, A2, A3, B0, B1, T1, T2- là các hằng số thực 
nghiệm được lựa chọn theo [5] và được thể hiện trong bảng 2. 
0
1

 (4) 
Trong đó: ρ, ρ - Mật độ của nước ở thời điểm ban đầu và lúc chịu tải nén hoặc 
kéo. 
Bảng 2. Các thông số chính của nước [5]. 
Thông số Giá trị Đơn vị 
Khối lượng riêng 1000 kg/m3 
Các hệ số cho phương trình trạng thái 
 Mô đun A1 2,2 GPa 
A2 9,54 GPa 
A3 14,57 GPa 
B0 0,28 
B1 0,28 
T1 2,2 GPa 
T2 0 GPa 
3.1.3. Mô hình vật liệu của thép và bê tông 
Các đặc trưng vật liệu của thép và bê tông được chọn trong thư viện của Ansys 
Autodyn, với thép là vật liệu Steel 1006 (Bảng 3), với bê-tông là Conc-35MPA 
(Bảng 4). 
Bảng 3. Các thông số chính của thép [4]. 
Thông số Giá trị Đơn vị 
Khối lượng riêng 7,83 Tấn/m3 
Mô đun đàn hồi kéo 159 GPa 
Mô đun đàn hồi trượt 77 GPa 
Giới hạn chảy 360 MPa 
Giới hạn bền 450 MPa 
Hệ số Poisson 0,33 
Độ giãn dài khi đứt 0,21 
Độ dai va đập 75 J / cm2 
Cơ học & Điều khiển thiết bị bay 
N.G. Thắng, Tr.B.Tấn, N.T. Thanh, “Phương pháp tính toán  khi có vật cản.” 248 
Bảng 4. Các thông số chính của bê-tông [5]. 
 Thông số Giá trị Đơn vị 
Khối lượng riêng 2,750 Tấn/m3 
Các hệ số cho phương trình trạng thái 
Mô đun A1 35,27 GPa 
A2 39,58 GPa 
A3 9,040 MPa 
B0 1,220 
B1 1,220 
T1 35,27 GPa 
T2 0 GPa 
3.2 Phương pháp chia lưới phần tử hữu hạn 
Lưới phần tử của các cấu trúc nước và thuốc nổ được thể hiện trên hệ trục tọa 
độ phẳng 2D đơn vị của các trục là mm. Phương pháp chia lưới với phần tử vật cản 
được thể hiện ở hình 2, với phần tử nước và thuốc nổ các thông số lưới theo bảng 
5. Với phần tử thuốc nổ được chèn vào nước theo điều kiện Fill[4]. 
Hình 2. Các thông số lưới phần tử vật cản. 
Bảng 5. Các thông số của lưới phần tử môi trường nước và TNT. 
Thông số 
Giá trị 
Đơn vị 
Môi trường Chất nổ 
Gốc tọa độ X -800 -200 mm 
Gốc tọa độ Y 0 0 mm 
DX 1400 mm 
DY 1000 mm 
Phần tử I 140 
Phần tử J 100 
Số phần tử 14000 
Số nút 14241 
Bán kính 100 mm 
Nghiên cứu khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Tên lửa, 09 - 2016 249
4. CÁC KẾT QUẢ VÀ NHẬN XÉT 
Bằng phương pháp mô phỏng, sử dụng phần mềm Autodyn 2D để tính toán 
các quá trình diễn ra của hiện tượng nổ, nhóm tác giả đã thu được một số kết quả 
chính đó là quy luật của áp suất sóng xung kích theo thời gian tại các điểm trích 
xuất và được thể hiện ở các đồ thị (hình 5, 6). Ngoài ra phần mềm cho phép quan 
sát được quá trình lan truyền của sóng xung kích vào môi trường và tác động lên 
vật cản (hình 3,4). 
Từ các đồ thị nhận thấy: 
- Hàm sóng xung kích có quy luật phù hợp với các kết quả đã được công bố 
[1,2,3,5,8]. 
- Giá trị áp suất của sóng xung kích tại các điểm gần vật cản có hiện tượng 
tăng cao so với các điểm ở xa vật cản và có cùng khoảng cách đến tâm nổ. Mức độ 
gia tăng được thể hiện trong (hình 7). 
- Áp suất sóng xung kích ở các điểm gần vật cản có biên dạng khác so với biên 
dạng áp suất ở các điểm xa vật cản là do sóng xung kích khi phản xạ đã giao thoa 
với sóng tới. 
- Sự gia tăng khác nhau của áp suất sóng xung kích khi vật cản có bản chất 
khác nhau. Đối với vật cản là tấm thép do có độ đàn hồi lớn hơn nên mức độ gia 
tăng lớn. Tấm bê tông có mức độ gia tăng nhỏ hơn do sóng xung kích bị tổn hao 
nhiều do phá hủy cấu trúc bề mặt của bê tông. 
Hình 3. Sóng xung kích bắt đầu lan truyền vào vật cản. 
Cơ học & Điều khiển thiết bị bay 
N.G. Thắng, Tr.B.Tấn, N.T. Thanh, “Phương pháp tính toán  khi có vật cản.” 250 
Hình 4. Sóng xung kích lan truyền trong vật cản. 
Hình 5. Đồ thị áp suất-thời gian tại các điểm khảo sát khi vật cản là bê-tông. 
 1 
 7 
 2 
 8 
 3 
 9 
 6 
 12 
 4 
 10 
 5 
 11 
Nghiên cứu khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Tên lửa, 09 - 2016 251
Hình 6. Đồ thị áp suất-thời gian tại các điểm khảo sát khi vật cản là tấm thép. 
Hình 7. Ảnh hưởng của vật cản tới đỉnh áp suất của sóng xung kích. 
5. KẾT LUẬN 
Bằng phương pháp mô phỏng nhóm tác giả đã xác định được các thông số cơ 
bản của sóng xung kích trong môi trường nước có sự ảnh hưởng của vật cản. Các 
kết quả cho thấy giá trị áp suất của sóng xung kích có sự thay đổi tăng lên ở gần bề 
mặt của vật cản và với các vật cản khác nhau thì mức độ gia tăng của áp suất cũng 
khác nhau. Phương pháp này cho phép xác định được các thông số của tải trọng nổ 
qua đó có thể tính toán được ảnh hưởng của nổ đến các kết cấu và công trình 
ngầm. Phương pháp tiếp cận bài toán bằng cách áp dụng phần mềm Autodyn và 
các kết quả mà nhóm tác giả công bố cho phép phát triển ở nhiều bài toán khác 
trong lĩnh vực nghiên cứu hiện tượng nổ trong môi trường nước. Ưu điểm của 
phương pháp nghiên cứu này là có thể giải bài toán phức tạp hơn so với bài toán nổ 
 3 
 9 
 6 
 12 
 4 
 10 
 5 
 11 
 1 
 7 
 2 
 8 
Cơ học & Điều khiển thiết bị bay 
N.G. Thắng, Tr.B.Tấn, N.T. Thanh, “Phương pháp tính toán  khi có vật cản.” 252 
trong môi trường nước đồng nhất theo các tính toán trước đây. Sự ảnh hưởng của 
vật cản được tính toán trong bài báo đã phản ánh sát thực hơn với hiện tượng nổ 
trong thực tế. Các kết quả mà nhóm tác giả công bố có thể được tham khảo cho các 
tính toán công trình ngầm cũng như các trang thiết bị hoạt động ngầm trong môi 
trường nước về mức độ gia tăng của áp suất trong môi trường nước khi có vật cản 
khác nhau. 
Lời cảm ơn: Nhóm tác giả cảm ơn sự giúp đỡ về ý tưởng khoa học của các giáo viên trong 
bộ môn Đạn, Khoa Vũ khí, Học viện Kỹ thuật quân sự. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1]. Ngô Văn Giao, Dương Công Hùng, Đàm Quang Sang (2007). “Cơ sở lý thuyết cháy 
nổ”. Nhà xuất bản Quân đội Nhân dân. 
[2]. Nguyễn Văn Thủy (2002). “Vật lý nổ”. Nhà xuất bản Quân đội nhân dân. 
[3]. Nguyễn Văn Tính, Đàm Trọng Thắng, Trần Hoài Nam (2012). “Công tác nổ mìn”. 
Nhà xuất bản Quân đội Nhân dân. 
[4]. ANSYS Autodyn User's Manual (2014).  
[5]. Gaohui Wang, Sherong Zhang (2014). “Damage prediction of concrete gravity dams 
subjected to underwater explosion shock loading”. Engineering Failure Analysis Vol 
39, pp 72–91. 
[6]. G. Barras, M.Souli, N.Aquelet, N.Couty (2012). “Numerical simulation of 
underwater explosions using an ALE method”. Ocean Engineering Vol 41, pp53–66. 
[7]. I.m. Snyman, F.j. Mostert, W. Grundling (2016). “Design and commissioning of a 
semi-confined blast chamber”. Defence Technology Vol 12, pp 147–158. 
[8]. H.Cole (1948). “Underwater Explosions”. Princeton University Press. 
ABSTRACT 
METHOD OF CALCULATION OF THE SHOCK WAVE’S PRESSURE 
OF THE UNDERWATER EXPLOSION WITH OBSTRACTIONS 
The calculation method of the pressure shock wave underwater explosion when 
there are obstacles is presented in this paper. The results allowed researchers 
calculated the impact of different kinds of obstacles based on the law of surface 
pressure shock wave spread in the aquatic environment. Computational methods with 
application software from ANSYS AUTODYN 2D simulation. The main results of the 
paper is the law of the shock waves of pressure over time in the survey when the 
explosion blocks of TNT in water. In addition, the article also presents the basic steps 
to solve the problem with the app explosion simulation software and demonstrate the 
process of propagation of shock waves in water. 
Keywords: Shock wave, Autodyn, Underwater explosions. 
Nhận bài ngày 15 tháng 07 năm 2016 
Hoàn thiện ngày 14 tháng 8 năm 2016 
Chấp nhận đăng ngày 05 tháng 09 năm 2016 
Địa chỉ: 1 Khoa Vũ khí - Học viện kỹ thuật Quân sự 
 2 Viện Tên lửa - Viện Khoa học và Công Nghệ Quân Sự 
 * Email: nguyengiathang91@gmail.com