“Ansys 2025 全球仿真大會”仿真應用大賽優秀作品展示

本屆仿真應用大賽最終評選出 30 篇 TOP 優秀作品，分別榮獲一、二、三等獎及行業最佳實踐獎。近 200 位來自汽車、半導體、高科技、能源等行業的仿真精英參賽，他們以前沿思維與創新實踐，充分展現了仿真技術的無限潛能。我們將陸續為大家分享獲獎佳作，帶您一同領略仿真賦能創新的非凡力量，希望用戶能從中汲取靈感、啟迪思路。

作品名稱：強動載作用下拱壩動態響應和損傷破壞的數值模擬研究

作者： 錢敬業 | 同濟大學

關鍵詞：強動載，水下爆炸，拱壩，損傷破壞，數值模擬

作者說

在實際計算中發現Ansys LS-DYNA軟件憑借其深度優化的多核并行架構，服務器級別CPU（如本工作使用的AMD EPYC系列處理器）的性能得以充分發揮，為超大規模有限元模型的計算提供可能性，推動精細化仿真成為行業趨勢。配套的LS-PrePost前處理軟件可以實現復雜模型快速構建與網格優化，其中的S-ALE法有效減少了計算域的建立難度并顯著降低了K文件的大小，并行加速比高達0.9，保障了大規模算例的穩定高效求解。

鑒于低截面厚度拱壩在恐怖襲擊及爆炸事故中的顯著風險，本研究基于LS-DYNA軟件建立了某原型拱壩的精細化三維數值模型，旨在研究其在水下爆炸強動載作用下的動態響應與損傷破壞機理。數值模擬考慮了兩種TNT當量（100 kg與 200 kg）及兩種爆炸深度（水面下12.5 m和25 m）的水下爆炸工況，實現了爆炸沖擊波-水體-壩體相互作用的完全耦合高精度模擬。模型完整再現了結構從微損傷萌生、宏觀裂縫擴展直至最終失穩潰壩的全過程損傷演化，并特別計入了壩體損傷后庫水壓力的持續作用機制。研究結果表明：壩頂區域為結構最薄弱部位，損傷破壞易在此處萌生并發展。爆炸當量與爆炸深度的變化均顯著影響壩體損傷程度，其中在相同爆炸當量下，增大爆炸深度可顯著減輕拱壩的損傷。拱壩在水下爆炸作用下的破壞過程可分為三個階段：i）初始損傷階段；ii）損傷發展階段；iii）潰壩階段。本研究所建立的精細化模型及模擬方法，為深入理解低截面厚度拱壩在極端荷載下的失效機理及其安全防護設計提供了重要依據。

挑戰/需求

低截面厚度拱壩在恐怖襲擊或爆炸事故中的極端脆弱性亟需量化評估與防護提升。常規數值模擬方法/軟件難以對水下爆炸強動載作用下拱壩全流程損傷演化機制進行精細刻畫，尤其難以模擬爆炸沖擊波-庫水-壩體耦合作用及損傷后庫水持續滲透效應。工程實踐需求包括：高精度破壞預測模型；不同爆炸工況對損傷的敏感性；薄弱區域強化設計依據。

使用工具

Ansys LS-DYNA; LS-PrePost; Python

最終成果

本研究基于LS-DYNA建立了低截面厚度拱壩水下爆炸全耦合模型，首次完整再現了結構從微損傷萌生、宏觀裂縫擴展至潰壩的全過程演化，并計入了損傷后庫水滲透壓力持續作用機制。關鍵成果表明：

（1）壩頂為損傷萌生與發展的最敏感區域；

（2）相同當量下，爆炸深度從12.5 m增至25 m可顯著降低壩體損傷；

（3）拱壩的破壞過程可劃分初始損傷→損傷發展→潰壩的漸進失效路徑。

所建立的有限元模型可以為極端爆炸荷載下拱壩安全防護設計提供了理論基礎。

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