Ls Dyna巖石爆破模擬仿真（dyna_focus）

 

作者：dyna_focus

擅長(zhǎng)領(lǐng)域：dyna/abaqus/hypermesh

1 數(shù)值模型的建立

1.1 單元及算法的選擇

巖石，炸藥，空氣都采用solid164實(shí)體單元。巖石采用常應(yīng)力實(shí)體單元，該種單元屬于純粹的lagrange算法,該種算法單元網(wǎng)格附著在材料上，隨著材料的流動(dòng)而產(chǎn)生單元網(wǎng)格的變形，但是在結(jié)構(gòu)變形巨大時(shí)，有可能使有限元網(wǎng)格造成嚴(yán)重畸變，引起數(shù)值計(jì)算的困難，甚至程序終止運(yùn)算，固該種算法不適合空氣和炸藥；由于爆炸時(shí)間非常短暫，并在瞬間產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊波，從而對(duì)周圍的物體進(jìn)行沖擊導(dǎo)致破壞，爆炸過(guò)程中空氣和炸藥變形較大，因此炸藥和空氣采用ALE算法，ALE算法可以克服嚴(yán)重畸變引起的數(shù)值計(jì)算困難，并實(shí)現(xiàn)流固耦合的動(dòng)態(tài)分析，該種算法是中心單點(diǎn)積分的ALE多物質(zhì)單元，即一個(gè)單元內(nèi)可以包含多種物質(zhì)，ALE算法是先執(zhí)行一個(gè)或幾個(gè)Lagrange時(shí)步計(jì)算，此時(shí)單元網(wǎng)格隨材料流動(dòng)而產(chǎn)生變形，然后執(zhí)行ALE時(shí)步計(jì)算：（1）保持變形后的物體邊界條件，對(duì)內(nèi)部單元進(jìn)行重分網(wǎng)格，網(wǎng)格的拓?fù)潢P(guān)系保持不變，成為smooth step；（2）將變形網(wǎng)格中的單元變量（密度，應(yīng)力張量，能量等）和節(jié)點(diǎn)速度矢量輸運(yùn)到重分的新網(wǎng)格中，成為Advection step，用戶可以選擇ALE時(shí)步的開始和終止時(shí)間，以及其頻率，該種算法可以處理類似炸藥，空氣這種大變形的問題，解決網(wǎng)格畸變。通過(guò)*ALE_MULTI_MATERIAL_GROUP關(guān)鍵字將空氣和炸藥材料綁定在一個(gè)單元算法里。巖石與炸藥，空氣之間的相互作用采用流固耦合的方法，流固耦合通常有兩種方法，一種是共節(jié)點(diǎn)，一種是通過(guò)*constrained_lagrange_in_solid來(lái)實(shí)現(xiàn)，本文采用第二種方法。

1.2 材料參數(shù)及狀態(tài)方程

1. 巖石材料模型

巖石材料選用Johnson-Holmquist模型，該模型適合在大應(yīng)變，高應(yīng)變率和高壓力條件下使用，巖石的等效強(qiáng)度與壓力，應(yīng)變率和損傷有關(guān)，巖石材料通過(guò)在k文件中添加*MAT_ADD_EROSION關(guān)鍵字來(lái)定義巖石的抗壓強(qiáng)度和失效主應(yīng)力為巖石失效判據(jù)，使得巖石當(dāng)抗壓強(qiáng)度達(dá)到設(shè)定值或者單元主應(yīng)力達(dá)到設(shè)定值時(shí)即失效，從而模擬巖石爆破失效。

2. 炸藥材料參數(shù)

炸藥材料模型采用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN,采用JWL狀態(tài)方程進(jìn)行爆轟壓力計(jì)算：

式中：P—爆轟壓力；E—炸藥爆轟產(chǎn)物的內(nèi)能；V—爆轟產(chǎn)物的相對(duì)體積；A，B，R₁，R₂，ω—所選炸藥的性質(zhì)常數(shù)。

選取的炸藥材料及狀態(tài)方程參數(shù)如下表所示。

表3炸藥材料及狀態(tài)方程參數(shù)

密度 /g·cm-3	爆速/cm·us-1	爆壓/GPa	A /GPa	B /GPa	R1	R2	ω	E /GPa
1.26	0.55	3.43	321.9	0.182	4.2	0.8	0.15	3.51

3. 模型建立

通過(guò)hm建立有限元網(wǎng)格模型，總體網(wǎng)格模型如下圖所示，主要包含四部分：空氣，炸藥，堵塞，巖石，其中前兩者采用ALE多物質(zhì)單元，巖石和堵塞為lag網(wǎng)格。巖石與堵塞定義為面面接觸。

有限元網(wǎng)格模型如下圖所示：

模型總體示意圖

有限元俯視網(wǎng)格模型

采用反向耦合裝藥，建模模型為1/2模型，除頂部自由面外的其他三個(gè)面施加無(wú)反射邊界條件，采用關(guān)鍵字*BOUNDARY_NON_REFLCTION，所有模擬數(shù)值單位均采用：cm-g-us，此單位制下，力的單位是N，應(yīng)力單位為Mbar(即Mpa)。

2. 結(jié)果分析

不同時(shí)刻巖層應(yīng)力等效應(yīng)力云圖：

最后巖石形成的裂隙圖如下：