作品賞析（5） | 含節(jié)理的巖石內(nèi)乳化炸藥不耦合爆炸引起的巖石裂紋擴(kuò)展

巖石爆破是利用炸藥的爆炸作用對(duì)巖石施加荷載，使巖石破壞的力學(xué)過(guò)程。在開(kāi)礦、地鐵掘進(jìn)、隧道工程、建筑物爆破拆除中有廣泛的應(yīng)用。該類(lèi)問(wèn)題很難通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試，因此需要通過(guò)仿真獲得精確的結(jié)果。

本項(xiàng)目主要涉及如下關(guān)鍵技術(shù)：

1. 針對(duì)含節(jié)理的巖石模型，對(duì)模型建立及切分進(jìn)行了嚴(yán)格控制，以保證劃分高精度的網(wǎng)格。仿真基于的有限元方法，網(wǎng)格的精細(xì)及網(wǎng)格質(zhì)量是影響仿真精度的關(guān)鍵因素；

2. 針對(duì)爆炸查看裂紋，總結(jié)了裂紋查看的幾種方式方法，如單元失效法、損傷var#4查看法等；

3. 針對(duì)爆炸分析，流固耦合的技巧方法非常重要，k文件的修改有較多技術(shù)要求；

4. 針對(duì)爆炸波的傳播，詳細(xì)講解了k文件中如何添加關(guān)鍵字輸出流固耦合作用力，如何通過(guò)添加關(guān)鍵字輸出可移動(dòng)示蹤粒子的軌跡（如看炸藥物質(zhì)的邊界達(dá)到的位置坐標(biāo)曲線），以及固定位置示蹤粒子的定義方法等。

圖1 巖石及節(jié)理模型

1）模型：首先在workbench下建立巖石、節(jié)理、空氣及炸藥的幾何模型，并對(duì)模型進(jìn)行詳細(xì)切分，切分后的效果如下圖所示：

圖2 空氣及炸藥模型切分

2）網(wǎng)格：利用Ansys APDL進(jìn)行前處理，劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格如下圖所示，該項(xiàng)目主要研究巖石裂紋擴(kuò)展情況，因此需要采用非常小的網(wǎng)格，基于單元失效法進(jìn)行模擬，網(wǎng)格總數(shù)130多萬(wàn)。

3）單元：空氣、炸藥單元采用euler算法，巖石及節(jié)理采用lagrange算法，其中流體采用1e6沙漏系數(shù)，對(duì)應(yīng)關(guān)鍵字如下：

4）材料：空氣、乳化炸藥、節(jié)理及巖石*MAT_NULL、*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN、*MAT_PLASTIC_KINEMATIC及*MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CONCRETE本構(gòu)。詳細(xì)材料本構(gòu)及狀態(tài)方程關(guān)鍵字參數(shù)如下：

5）流固耦合：流體（空氣與炸藥）與固體（巖石及節(jié)理）之間采用流固耦合定義相互作用關(guān)系。流體定義多物質(zhì)組，流固耦合關(guān)鍵字如下（其中part1為巖石，part2為節(jié)理，part3為空氣，part4為炸藥）：

6）求解時(shí)間600us。

采用6核cpu和2G內(nèi)存進(jìn)行求解，需要7小時(shí)左右。

下圖顯示了巖石在乳化炸藥爆炸作用下的裂紋擴(kuò)展過(guò)程。

結(jié)果顯示，在3500m/s爆速的乳化炸藥作用下，巖石裂紋擴(kuò)展較好，可以較準(zhǔn)確的模擬實(shí)際情況，對(duì)工程爆破具有極大的參考意義。

本文建立了含節(jié)理的巖石爆炸模型，仿真分析了3500m/s乳化炸藥在不偶和裝藥爆炸作用下含節(jié)理的巖石的裂紋擴(kuò)展效果，獲得了巖石的裂紋分布情況。由于計(jì)算量較大，沒(méi)有分析無(wú)節(jié)理情況下裂紋擴(kuò)展情況進(jìn)行對(duì)比。