Ansys/ls-dyna數值仿真技術在井巷工程教學中的應用

徐學鋒 劉少偉 韋四江

（河南理工大學 能源科學與工程學院，河南 焦作 454000）

0 引言

井巷工程是采礦工程專業的主要專業課之一，是研究井巷施工方法和施工技術的綜合性課程[1]。課程的特點是理論聯系實際，并且有些理論知識還比較難于理解和講解，比如巖石性質與工程分級里面的動載荷作用下巖石的力學性質以及鉆眼爆破中炸藥爆炸的相關理論，講解起來很抽象，也不容易理解。結合本課程多媒體教學的特點，以及對于巖土工程數值模擬軟件的學習，利用巖土和結構方面的權威仿真軟件Ansys/Ls-dyna對炸藥爆炸的過程進行了數值計算。模擬計算主要分析了炸藥爆破過程中動應力的演化特征，將抽象的理論用數值模擬的圖片、動畫等效果顯示出來，作為理論教學的重要補充，在教學中起到了很好的輔助作用，這也是工科多媒體教學中的必要元素。

1 井巷工程課程理論教學內容

井巷工程是煤炭行業采礦工程、安全工程等專業重要的專業基礎課程，該課程主要內容包括巖石的力學性質與工程分級、鉆眼爆破、巷道施工技術等內容。該課程的特點是理論聯系實際，掌握好理論基礎對學好其他章節內容及施工技術都有很好的指導作用。理論教學內容中有些知識點比較抽象，難于講解，學生也難于理解，需要通過合理的輔助教學手段提高教學效果。比如在巖石力學性質及其工程分級這一章節里面涉及到在動載荷作用下巖石的力學性質。巖石在動載荷作用下的應力及應變以應力波和應變波的形式顯現出來，這個問題很抽象，教師授課講解和學生的理解都比較抽象。另外對鉆眼爆破章節里面涉及到炸藥爆炸的特性介紹，也是比較抽象，很難用定量的形式生動形象的描述出來。

目前多媒體教學已經成為工科教學中的主要教學手段[2-5]，它集圖、文、音、像、動畫等為一體，表現出突出的優越性，當然隨著這一技術的發展，對多媒體的制作質量也提出了新的要求[6-7]。由于井巷工程的特點，本課程適合采用多媒體教學，并且對與理論性比較強的章節最好能表達成生動形象的圖片和動畫等，但單獨的爆破方面的圖片和視頻只能從視覺上和宏觀上解釋爆炸現象，不能從科學理論的角度講述爆破的原理，以及炸藥爆炸產生的應力波的傳播過程。對于這些問題適合采用一些數值模擬軟件進行定量的分析，圖形結合，便于理解，從而對炸藥爆炸特征的理論達到深層次和微觀的認識。針對以上問題的分析，結合自己在數值模擬技術中掌握的方法，擬采用Ansys/lsdyna數值模擬技術的圖形及動畫結果，作為該教學內容的輔助教學手段。

2 Ansys/Ls-dyna軟件功能特點

Ls-Dyna是世界上最著名的顯式動力分析有限元程序，可以精確可靠地處理各種非線形問題[8-9]，如碰撞分析、爆炸分析等，對于計算沖擊動載荷作用下材料的變形、應力分布以及炸藥爆炸過程中應力波的傳播特性具有突出的優勢，結合Ansys強大的前處理功能，已經在巖土結構等多種領域應用。與該軟件對應的有許多出色的前后處理軟件，其中LS-PREPOST是LSTC公司開發的專用前后處理軟件，該軟件對LS-DYNA數值模擬的結果通過圖形、動畫顯示，對模擬結果的有限元網格、實體變形、應力云圖能清晰的顯示，這對于顯示炸藥爆破過程中的巖石應力、應變及炸藥爆破的特征等十分直接、明確，既有定量的數據，又能生動形象的反映問題。所以Ls-Dyna及其后處理軟件能夠滿足教學中研究動載作用下巖石的應力演化過程及炸藥爆炸時的應力波演化過程，即能定性演示，又能定量分析，在相關學科的科研和教學過程中具有重要的應用意義和前景。

現代多媒體教學手段的需要圖文結合，即要從宏觀上介紹爆炸的現象，又能從理論上分析爆炸特征的科學理論，所以采用本軟件數值模擬的結果配合多媒體教學是十分必要的。

3 數值訪真技術應用

利用Ls-Dyna模擬炸藥在巖土中爆破過程中的力學行為，該問題既分析了巖體在動載荷作用下的應力波和應變波的傳播規律，又分析了炸藥爆炸過程的特性。具體的條件是在一定深度的巖土中布置一立方體形炸藥，模擬采用三維模型，為了計算方便建立1/4模型，但后處理時可整體顯示，求解時間3000ms，每5ms輸出一個計算數據。

圖1 數值模擬模型

這里我們主要分析炸藥爆破過程中巖土體中的應力演化過程，圖2為炸藥爆破后某一剖面上應力的演化過程，限于篇幅只顯示部分時刻的應力分布。每一幅圖片中左側是某一個剖面的應力云圖表示不同區域的應力分布情況，右側的數據表示不同顏色代表的應力等級，這樣從定量和定性上真實的分析了炸藥爆炸后動應力的演化過程和爆炸特性。

圖2 應力演化過程

從圖中看出炸藥爆炸后，產生的應力以炸藥為激發源，以應力波的形式向周圍傳播，這樣形象的揭示了動載作用下，巖體中的應力變化規律及顯現形式，又描述了炸藥爆炸的特征。定性和定量的揭示了課程教學中的問題，授課及學生聽課都比較容易。當然還要把這些圖片通過Gif Movie Gear軟件制作成動畫圖片，表現得更加形象。

4 結論

通過Ansys/Ls-Dyna數值模擬軟件對井巷工程中的炸藥爆炸科學理論的模擬，以及多媒體教學，取得了較好的效果，具體體現在以下幾個方面：

（1）加深了學生對動載應力及炸藥爆炸過程中應力的演化過程的理解，結合多媒體教學不但從宏觀上定性解釋了該現象，而且從微觀角度定量分析了科學理論，加深了理解的深度，也便于授課講解。

（2）提高了學生對專業課的興趣，不但對本課程增加了興趣，而且對相關的領域，比如數值模擬軟件，提高了對科學知識追求的信心，并對后期深造起到了啟發意義。

（3）數值模擬軟件主要是在科研中運用，也是科研與教學結合的應用，同時也提高了教師教學中對不同學科知識學習，拓展視野，同時增強責任感。

［1］徐學鋒,劉少偉,韋四江.基于采礦工程人才素質教育的井巷工程教學改革研究[J].科教文匯,2008,8:89.

［2］任玉玲,王雪梅.多媒體技術在教學中應用的研究[J].教育與職業,23,2.11.8:186:197.

［3］張洪杰,向曉東,陳旺生.安全工程專業教學方法改革與創新型人才培養[J].中國安全生產科學技術,2011,6(7):172-175.

［4］王中華.現代教育技術應用于實驗教學的若干方法與問題探究[J].實驗技術與管理,2011,28(8):142-144.

［5］錢建平,陳宏毅,白艷萍.如何應對地質新技術發展帶來的教學手段的變革[J].實驗技術與管理,2011,28(8):16-19.

［6］溫守轟,朱紅衛,全宏瑞.高校多媒體教學的生成性探析[J].教育與職業,2011,17:97-99.

［7］宋廣文,陳曉娜.多媒體教學的特點、問題與對策[J].當代教育科學,2011,24:50-51.

［8］時黨勇,李裕春,張勝民.基于 ANSYS/LS-DYNA8.1進行顯式動力分析[M].北京:清華大學出版社,2005,1.

［9］尚曉江,蘇建宇.LS-DYNA動力分析方法與工程實例[M].北京:中國水利水電出版社,2006,1.