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ANSYS/LS-DYNA數(shù)值模擬技術，對冰體爆破進行有效的數(shù)值模擬，并對其進行理論分析及驗算。

關鍵詞：冰體爆破;流固耦合;數(shù)值分析

新型聚能破冰技術采用兩級爆破，一級冰體爆破鉆孔，二級冰體或水中爆破，運用兩級爆破，盡可能地發(fā)揮爆炸所產(chǎn)生的能量，從而更好地實現(xiàn)冰體爆破[1]。本文針對聚能破冰的二級爆破在冰體中爆破進行數(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ANSYS/LS-DYNA軟件，選用顯式六面體實體單元：SOLID164，建立三維實體模型。選取1m冰厚，2m水高，1m空氣層，并在冰下0.5m處放置型號為5kg炸藥器材，建立了冰、水、空氣作用的數(shù)值模型，進行分析與研究。模型如下：

1.1 計算模型

在模型建立過程中，對于冰的材料模型，本文采用材料庫中各項同性斷裂模型（MAT_ISOTROPIC_EIASTIC_FAILURE）[2]，在模擬中通過自定義材料屬性來建立本構模型。

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]，對空氣、水采用ALE網(wǎng)格，對冰體采用Lagrange網(wǎng)格，并對冰體和水的接觸面采取ASTS接觸定義，并采用對稱罰函數(shù)算法。

1.3 邊界條件控制

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

1.4 能量控制

單點積分的實體單元容易形成零能模式，筆者對單元，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 結果分析

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

2 冰體爆破理論分析

冰體內(nèi)部的爆炸類似于巖石爆破，除了在裝藥處形成擴大的空腔外，還會形成壓碎區(qū)，裂隙區(qū)和震動區(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。整個爆炸過程雖然及其短暫，但是此過程仍是遵循炸藥的能量釋放、分配、傳遞及做功的過程。

冰體內(nèi)部爆炸破壞范圍計算。冰的破壞半徑實際上就是裂隙區(qū)半徑，裂隙區(qū)則是由拉伸破壞形成的。當沖擊波衰減為壓縮應力波或冰直接受到它的作用時，徑向方向產(chǎn)生壓應力和壓縮變形，而切向方向?qū)a(chǎn)生拉應力和拉伸變形。由于冰的抗拉能力差，故當拉伸應變超過破壞應變時，就會在徑向方向產(chǎn)生壓碎。可以采用公式（1）進行計算：

3 結語

（1）通過理論分析驗算，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）通過數(shù)值分析與理論計算更進一步驗證了計算程序的可行性與正確性。

參考文獻：

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