1工程背景

無(wú)論是在軍事還是民用領(lǐng)域，爆炸都有著極為廣泛的應(yīng)用，如東風(fēng)導(dǎo)彈部隊(duì)的戰(zhàn)斗模擬、金屬爆炸成型等。目前，對(duì)于爆炸動(dòng)力學(xué)研究一般有兩種方法，即實(shí)驗(yàn)與仿真。爆炸實(shí)驗(yàn)?zāi)M是對(duì)爆炸精確分析的較好手段，但通常成本高，花費(fèi)精力大，用仿真的手段對(duì)爆炸過(guò)程進(jìn)行模擬，擬合仿真數(shù)據(jù)與前人實(shí)驗(yàn)結(jié)果比對(duì)驗(yàn)證，也是獲得較為準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)。對(duì)于爆炸過(guò)程模擬的常用方法有公用節(jié)點(diǎn)算法、接觸耦合算法及流固耦合算法等。但考慮到后兩種方法的計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)（ALE算法計(jì)算效率較低）[1]，同時(shí)，本文經(jīng)過(guò)多次仿真調(diào)試發(fā)現(xiàn)：流固耦合算法所得到的的計(jì)算結(jié)果對(duì)控制參數(shù)的取值十分敏感，得到的數(shù)字結(jié)果差距很大。因此，本文采用共節(jié)點(diǎn)算法來(lái)模擬炸藥在混凝土中的爆炸過(guò)程。

2模型建立

2.1模型分析

本文設(shè)想是將炸藥放入混凝土中心位置進(jìn)行起爆，因此炸藥和混凝土整個(gè)模型可以看成是一個(gè)完全對(duì)稱的模型，因此，本文建立1/8模型，將炸藥單元建立在模型中心位置。炸藥單元與混凝土結(jié)構(gòu)之間共節(jié)點(diǎn)算法定義連接。對(duì)于網(wǎng)格劃分，炸藥單元網(wǎng)格劃分密與混凝土結(jié)構(gòu)。被爆炸物尺寸社設(shè)為1m³的立方體塊，炸藥尺寸較小，設(shè)置為5cm³的立方塊，簡(jiǎn)化模型如圖1所示。

圖1共節(jié)點(diǎn)算法爆炸有限元模型

2.2炸藥、混凝土本構(gòu)模型

炸藥本構(gòu)采用LSDYNA提供的8號(hào)高爆炸藥本構(gòu)模型*MAT_EXPLOSIVE_BURN，同時(shí)使用JWL狀態(tài)方程模擬炸藥爆炸過(guò)程中的壓力與體積的關(guān)系。炸藥本構(gòu)參數(shù)和JWL狀態(tài)方程參數(shù)分別如表1、2所示。被爆炸物為混凝土材料，選用111號(hào)材料本構(gòu)。

表1 8號(hào)炸藥本構(gòu)參數(shù)

/kg·m-3	D/m·s-1	PCJ/Pa	BETA	K	G	SIGY
1.631e3	0.6718e4	0.1852e11	0	0	0	0

表2 JWL狀態(tài)方程

A	B	R1	R2	OMEG	E0	VO
5.409e11	0.094e11	4.5	1.1	0.35	0.08e11	0

2.3ANSYS LSDYNA源程序建模生成K文件

因?yàn)槟Ｐ洼^為簡(jiǎn)單，直接在ANSYS LSDYNA中建立幾何模型并進(jìn)行前處理操作，本文使用圖形交互環(huán)境建模，熟練者也可以直接使用APDL語(yǔ)言建模。為避免建模尺寸混亂，本文選用的單位制為國(guó)際單位制，在完成工程屬性的相關(guān)定義后，開(kāi)始定義變量、單元類型、材料和實(shí)常數(shù)，被爆炸物的材料本構(gòu)可以先任意設(shè)置一種彈性本構(gòu)材料，后處理可以手動(dòng)修改K文件添加上被爆炸物的混凝土本構(gòu)關(guān)鍵字及參數(shù)。最后建立實(shí)體模型采用自下而上的建模法，先建立點(diǎn)在建立線最后形成面。實(shí)體模型完成后開(kāi)始劃分網(wǎng)格，建立有限元模型，被爆炸物的網(wǎng)格次尺寸為1/17m，炸藥網(wǎng)格為0.025m大小。接著開(kāi)始定義初始條件與邊界條件，對(duì)于邊界條件的設(shè)置本文建議直接在ANSYS中完成，雖然在LSPP中也可以實(shí)現(xiàn)，但很繁瑣不及ANSYS來(lái)的快捷方便。在ANSYS中實(shí)現(xiàn)邊界條件僅6行代碼如下：

！NSEL,S,LOC,X,

DSYM,SYMM,X,

Nsel,s,loc,Y,

DSYM,SYMM.Y,

Nsel,s,loc,Z,

DSYM,SYMM,Z,

最后定義求解參數(shù)，計(jì)算終止時(shí)間設(shè)為0.8ms，其他設(shè)為默認(rèn)，直接寫(xiě)出K文件，保存為1.k。

2.4修改K文件并求解

炸藥材料本構(gòu)關(guān)鍵字需要手工修改，用UE或者LSPP打開(kāi)L文件，本文直接使用UE修改K文件。首先用UE打開(kāi)K文件，然后使用搜索功能，找到MAT，將炸藥關(guān)鍵字及參數(shù)替換掉預(yù)設(shè)的彈性本構(gòu)材料，并按照表1和表2參數(shù)寫(xiě)入JWL狀態(tài)方程，賦予炸藥PART上，將文件命名為explode.k，這樣K文件完成修改。

2.5求解

求解可以用ANSYS求解也可以用LSDYNA求解器求解，均可。

3 LSPP后處理

3.1等效應(yīng)力云圖

由于爆炸時(shí)間極短，本文選取#STATE 1 3 4 5 6 7狀態(tài)的爆炸點(diǎn)應(yīng)力云圖變化情況如圖2所示，可以看出在起爆瞬間，爆炸邊緣處的混凝土結(jié)構(gòu)就出現(xiàn)破裂痕跡，炸藥邊緣處應(yīng)力集中明顯，破碎沿著邊緣處不斷延伸直至撕裂開(kāi)來(lái)。而隨著爆炸能量的瞬間集中釋放后，本文截取#STATE 20 22 24 26 28 30狀態(tài)來(lái)表示混凝土在爆炸后的表面應(yīng)力情況，如圖3所示?？梢钥闯鰬?yīng)力開(kāi)始減小，中間起爆處撕裂現(xiàn)象漸漸成型，不在繼續(xù)向外擴(kuò)展。

圖2起爆瞬間應(yīng)力變化

圖3 起爆后表面應(yīng)力變化

3.2表面損傷

在LSPP中定義輸出變量為vary#2，可以看損傷云圖如圖4所示。其基本與應(yīng)力云圖變化一致，通過(guò)損傷云圖，可以通過(guò)圖像處理的方法來(lái)準(zhǔn)確計(jì)算出整個(gè)表面的損傷情況占比，這是損傷云圖的一個(gè)巨大優(yōu)勢(shì)，但由于需要圖像識(shí)別相關(guān)技術(shù)，本文只從云圖表現(xiàn)特征簡(jiǎn)要分析。

3.3其他后處理

其他后處理，如最大等效應(yīng)力曲線繪制，內(nèi)能動(dòng)能變化曲線等都可以通過(guò)LSPP軟件進(jìn)行提取與二次篩選，本文著重爆炸模型的共節(jié)點(diǎn)算法的實(shí)現(xiàn)，對(duì)LSPP中眾多后處理功能的實(shí)現(xiàn)需要進(jìn)一步挖掘。

4結(jié)論

（1）實(shí)際上，不管是采用何種算法進(jìn)行爆炸模擬分析，在每一種算法中都有多個(gè)控制選項(xiàng)，其參數(shù)的不同取值直接影響計(jì)算結(jié)果。因此仿真結(jié)果應(yīng)當(dāng)結(jié)合實(shí)際，以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)在調(diào)整參數(shù)。使仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)匹配，這樣的仿真結(jié)果才有可信度。

（2）爆炸模擬分析的精度依賴于材料本構(gòu)、狀態(tài)方程等參數(shù)的合理設(shè)置，因此參數(shù)設(shè)置的合理性影響仿真精度。

參考文獻(xiàn)

【1】白金澤. LS-DYNA3D理論基礎(chǔ)與實(shí)驗(yàn)分析[D].北京：科學(xué)出版社，2005.