基于ANSYS/LS-DYNA 的鋼板炸點痕跡量化特征研究

賀 矗

（中國刑事警察學(xué)院，遼寧 沈陽110854）

1 研究背景

爆炸現(xiàn)場中最主要的爆炸痕跡區(qū)域即為炸點，它是由于爆炸源猛炸作用而形成的，是介質(zhì)和現(xiàn)場物體被破壞最明顯的部位，是爆炸現(xiàn)場中最明顯、最具特征的一種爆炸痕跡，其它一些爆炸痕跡以及爆炸殘留物、遺留物、拋出物等，都是以炸點為中心呈輻射狀分布的，其分布狀態(tài)受爆源的原始位置和結(jié)構(gòu)影響。因此，確定了炸點，就確定了爆源的位置，進而以炸點為中心，尋找和勘驗其它爆炸痕跡；同時，也只有確定了炸點，才能判斷炸點類型，獲得有關(guān)爆炸犯罪的各種信息［1］。本文以鋼板為研究對象，通過ANSYS/LS-DYNA 軟件來模擬爆炸過程，分析炸點痕跡量化特征，具有極其重要的意義。

2 鋼板炸點痕跡數(shù)值模擬研究

2.1 模型構(gòu)建

2.1.1 定義材料參數(shù)

（1）TNT：本次模擬中采用散裝TNT，密度約為1g/cm3。本文模擬中TNT 炸藥采用MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN 關(guān)鍵字進行定義，用JWL（Jone-Wilkins-lee）狀態(tài)方程描述［2］。

（2）本文采用理想空氣模型，空氣密度為(1.29×10-3)g/cm3。理想多方氣體狀態(tài)方程是狀態(tài)方程的一種較為簡單的形式，常用于空氣運動的模擬?？諝鉅顟B(tài)方程采用MAT_NULL 模型，采用EOS_LINEAR_POLYNOMIAL 狀態(tài)方程來描述［3］。

（3）由于鋼板的屈服應(yīng)力與應(yīng)變率成正比，而應(yīng)變率效應(yīng)是爆炸沖擊載荷下金屬介質(zhì)變化的顯著特征，因此鋼板的材料強度表征采用JOHNSON_COOK 方程。狀態(tài)方程使用GRU?NEISEN來描述。

2.1.2 建模

為了真實模擬爆炸作用下的鋼板破壞情況，模型構(gòu)建中除了炸藥——鋼板模型外，加入了空氣域，同時為減少運算量和后處理時間，簡化模型并構(gòu)建四分之一模型?？諝夂驼ㄋ幉捎脷W拉算法，鋼板采用拉格朗日算法，關(guān)鍵字為*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOL?ID。紅色部分為爆炸位置，直接設(shè)置在鋼板中心上方。鋼板為黑色，尺寸為50cm×50cm×0.5cm。在鋼板的末端設(shè)置5cm 的約束，以固定鋼板。如圖1所示。

圖1 構(gòu)建模型示意圖

2.1.3 劃分網(wǎng)格

Euler算法具有流動性等多種屬性，符合炸藥和空氣等單元，因此Euler采用網(wǎng)格建模，同時結(jié)合多物質(zhì)流固耦合ALE算法，鋼板采用La?grange 算法，通過定義CONSTRAINED—LA?GRANGE 附SOLID 關(guān)鍵字來實現(xiàn)炸藥爆炸產(chǎn)生的沖擊波對鋼板的沖擊作用。炸藥和鋼板單元采用均勻網(wǎng)格，空氣單元采用漸變式網(wǎng)格［4-5］，如圖2所示。

圖2 劃分網(wǎng)格

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果

以實際實驗結(jié)果為基礎(chǔ)進行規(guī)律性研究，數(shù)值模擬研究選擇的TNT 炸藥量分別為100g、200g、300g、400g、500g、600g、700g、800g、900g、 1000g、 1100g、 1200g、 1300g、 1400g。通過數(shù)值模擬計算炸藥量在大于1300g 時有可能會使鋼板被炸穿。因此選擇100g 到1200g 炸藥量下鋼板炸點深度的特征量化值的模擬數(shù)據(jù)作為標準進行規(guī)律性研究（見表1）。

表1 鋼板接觸爆炸數(shù)值模擬結(jié)果

3 鋼板炸點痕跡量化特征規(guī)律性研究

本文通過回歸、方差及誤差等分析得出相關(guān)規(guī)律關(guān)系式的系數(shù)值，最后擬合成關(guān)系式。由上述分析結(jié)果可以得出，TNT 接觸鋼板爆炸且炸藥量在100g 到1200g 之間時，炸藥量與鋼板上炸點痕跡量化特征的關(guān)系式如下：

式中：W——裝藥量，單位為g；

H——炸點直徑，單位為cm；

d——炸點直徑，單位為cm；

其中相關(guān)系數(shù)R=0.998433，超過0.9，說明此關(guān)系式裝藥量與炸點的直徑和深度的關(guān)聯(lián)性極高。

4 鋼板炸點痕跡量化特征規(guī)律應(yīng)用研究

將鋼板接觸爆炸實驗測得的炸點痕跡量化特征值（深度和直徑）代入公式（1），隨后將公式所推算出的炸藥量與實際炸藥量進行對比（見表2）。

表2 鋼板接觸爆炸的實際藥量與公式（1）推算藥量對比

上述公式得到的炸藥量推算的相對誤差在20%左右。在爆炸現(xiàn)場分析領(lǐng)域，該數(shù)值可以被接受。形成誤差的主要原因包括爆炸實驗誤差、數(shù)值模擬誤差及擬合誤差。

由于數(shù)值模擬研究的限制，使得爆炸實驗與數(shù)值模擬研究中的裝藥形狀不同，那么其炸點痕跡也就有所區(qū)別。再者因為數(shù)值模擬是以理想狀態(tài)下的金屬材料為標準進行規(guī)律研究，而由于相同系列不同型號金屬介質(zhì)的機械參數(shù)也會有略微差別，那么理想狀態(tài)下金屬介質(zhì)的相關(guān)參數(shù)相對于實際上也會出現(xiàn)些許誤差，所以由此進行的數(shù)值模擬也會帶來一定的誤差。

而由于國內(nèi)外對鋼板介質(zhì)在爆炸作用下的炸點痕跡量化特征推算炸藥量公式的研究相對較少且誤差較大。因此本文所得到炸藥量在100g 到1200g 之間的鋼板介質(zhì)炸點痕跡量化特征推算炸藥量的公式，可以根據(jù)爆炸案件現(xiàn)場實際情況需要被應(yīng)用于案件現(xiàn)場分析中，作為偵查實戰(zhàn)的基礎(chǔ)。

5 總結(jié)

利用ANSYS/LS-DYNA 對金屬介質(zhì)在爆炸作用下進行數(shù)值仿真模擬，對不同爆炸條件下鋼板炸點痕跡量化特征的規(guī)律進行了研究，得出了炸藥量與炸點痕跡量化特征的關(guān)系式，并通過與爆炸實驗結(jié)果的比對，說明了該方法的可行性。這對爆炸案件的現(xiàn)場重建、炸藥量的估算等公安實踐工作提供參考依據(jù)與技術(shù)支持。