冰體爆破的數(shù)值模擬與理論分析研究

李佳慶

摘要：本文通過(guò)ANSYS/LS-DYNA數(shù)值模擬技術(shù)，對(duì)冰體爆破進(jìn)行有效的數(shù)值模擬，并對(duì)其進(jìn)行理論分析及驗(yàn)算。

關(guān)鍵詞：冰體爆破;流固耦合;數(shù)值分析

新型聚能破冰技術(shù)采用兩級(jí)爆破，一級(jí)冰體爆破鉆孔，二級(jí)冰體或水中爆破，運(yùn)用兩級(jí)爆破，盡可能地發(fā)揮爆炸所產(chǎn)生的能量，從而更好地實(shí)現(xiàn)冰體爆破[1]。本文針對(duì)聚能破冰的二級(jí)爆破在冰體中爆破進(jìn)行數(shù)值模擬與理論分析研究。

1 有限元仿真模型建立

本文通過(guò)ANSYS/LS-DYNA軟件，選用顯式六面體實(shí)體單元：SOLID164，建立三維實(shí)體模型。選取1m冰厚，2m水高，1m空氣層，并在冰下0.5m處放置型號(hào)為5kg炸藥器材，建立了冰、水、空氣作用的數(shù)值模型，進(jìn)行分析與研究。模型如下：

1.1 計(jì)算模型

在模型建立過(guò)程中，對(duì)于冰的材料模型，本文采用材料庫(kù)中各項(xiàng)同性斷裂模型（MAT_ISOTROPIC_EIASTIC_FAILURE）[2]，在模擬中通過(guò)自定義材料屬性來(lái)建立本構(gòu)模型。

1.2 網(wǎng)格與接觸

在網(wǎng)格劃分中，采用ALE方法及多物質(zhì)流固耦合方法[4]，對(duì)空氣、水采用ALE網(wǎng)格，對(duì)冰體采用Lagrange網(wǎng)格，并對(duì)冰體和水的接觸面采取ASTS接觸定義，并采用對(duì)稱(chēng)罰函數(shù)算法。

1.3 邊界條件控制

由于模型的對(duì)稱(chēng)性，為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間模型只建立了1/4體，并在分割體面施加了法向的位移約束條件，并對(duì)另外側(cè)面以及底面施加了無(wú)反射邊界條件，模型的上表面采用自由表面。

1.4 能量控制

單點(diǎn)積分的實(shí)體單元容易形成零能模式，筆者對(duì)單元，有效的控制分析中可能出現(xiàn)的變形，確保了分析的正確性。采取沙漏控制，滑移能較小，沙漏能占總能量1%左右。

1.5 結(jié)果分析

通過(guò)ANSYS/LS-DYNA軟件所建立模型的動(dòng)態(tài)模擬分析，得出在裝藥量為5kg時(shí)，破冰半徑為4.6m。

2 冰體爆破理論分析

冰體內(nèi)部的爆炸類(lèi)似于巖石爆破，除了在裝藥處形成擴(kuò)大的空腔外，還會(huì)形成壓碎區(qū)，裂隙區(qū)和震動(dòng)區(qū)[5]。冰體爆破破壞主要是由炸藥瞬間產(chǎn)生的爆轟波激起的爆炸應(yīng)力波和爆炸所產(chǎn)生的氣體膨脹作功共同作用所引起的。整個(gè)爆炸過(guò)程雖然及其短暫，但是此過(guò)程仍是遵循炸藥的能量釋放、分配、傳遞及做功的過(guò)程。

冰體內(nèi)部爆炸破壞范圍計(jì)算。冰的破壞半徑實(shí)際上就是裂隙區(qū)半徑，裂隙區(qū)則是由拉伸破壞形成的。當(dāng)沖擊波衰減為壓縮應(yīng)力波或冰直接受到它的作用時(shí)，徑向方向產(chǎn)生壓應(yīng)力和壓縮變形，而切向方向?qū)a(chǎn)生拉應(yīng)力和拉伸變形。由于冰的抗拉能力差，故當(dāng)拉伸應(yīng)變超過(guò)破壞應(yīng)變時(shí)，就會(huì)在徑向方向產(chǎn)生壓碎?？梢圆捎霉剑?）進(jìn)行計(jì)算：

3 結(jié)語(yǔ)

（1）通過(guò)理論分析驗(yàn)算，得知在冰層中爆破的破冰半徑R≈4.1m，與有限元模型所得的破冰半徑4.6m相近，究其原因，差異主要產(chǎn)生在理論分析的近似計(jì)算的參數(shù)取值及數(shù)值分析的網(wǎng)格劃分等諸多因素。

（2）通過(guò)數(shù)值分析與理論計(jì)算更進(jìn)一步驗(yàn)證了計(jì)算程序的可行性與正確性。

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