冰体爆破的数值模拟与理论分析研究

    李佳庆

    

    

    

    摘要：本文通過ANSYS/LS-DYNA数值模拟技术，对冰体爆破进行有效的数值模拟，并对其进行理论分析及验算。

    关键词：冰体爆破;流固耦合;数值分析

    新型聚能破冰技术采用两级爆破，一级冰体爆破钻孔，二级冰体或水中爆破，运用两级爆破，尽可能地发挥爆炸所产生的能量，从而更好地实现冰体爆破[1]。本文针对聚能破冰的二级爆破在冰体中爆破进行数值模拟与理论分析研究。

    1 有限元仿真模型建立

    本文通过ANSYS/LS-DYNA软件，选用显式六面体实体单元：SOLID164，建立三维实体模型。选取1m冰厚，2m水高，1m空气层，并在冰下0.5m处放置型号为5kg炸药器材，建立了冰、水、空气作用的数值模型，进行分析与研究。模型如下：

    1.1 计算模型

    在模型建立过程中，对于冰的材料模型，本文采用材料库中各项同性断裂模型（MAT_ISOTROPIC_EIASTIC_FAILURE）[2]，在模拟中通过自定义材料属性来建立本构模型。

    1.2 网格与接触

    在网格划分中，采用ALE方法及多物质流固耦合方法[4]，对空气、水采用ALE网格，对冰体采用Lagrange网格，并对冰体和水的接触面采取ASTS接触定义，并采用对称罚函数算法。

    1.3 边界条件控制

    由于模型的对称性，为了节省计算时间模型只建立了1/4体，并在分割体面施加了法向的位移约束条件，并对另外侧面以及底面施加了无反射边界条件，模型的上表面采用自由表面。

    1.4 能量控制

    单点积分的实体单元容易形成零能模式，笔者对单元，有效的控制分析中可能出现的变形，确保了分析的正确性。采取沙漏控制，滑移能较小，沙漏能占总能量1%左右。

    1.5 结果分析

    通过ANSYS/LS-DYNA软件所建立模型的动态模拟分析，得出在装药量为5kg时，破冰半径为4.6m。

    2 冰体爆破理论分析

    冰体内部的爆炸类似于岩石爆破，除了在装药处形成扩大的空腔外，还会形成压碎区，裂隙区和震动区[5]。冰体爆破破坏主要是由炸药瞬间产生的爆轰波激起的爆炸应力波和爆炸所产生的气体膨胀作功共同作用所引起的。整个爆炸过程虽然及其短暂，但是此过程仍是遵循炸药的能量释放、分配、传递及做功的过程。

    冰体内部爆炸破坏范围计算。冰的破坏半径实际上就是裂隙区半径，裂隙区则是由拉伸破坏形成的。当冲击波衰减为压缩应力波或冰直接受到它的作用时，径向方向产生压应力和压缩变形，而切向方向将产生拉应力和拉伸变形。由于冰的抗拉能力差，故当拉伸应变超过破坏应变时，就会在径向方向产生压碎。可以采用公式（1）进行计算：

    3 结语

    （1）通过理论分析验算，得知在冰层中爆破的破冰半径R≈4.1m，与有限元模型所得的破冰半径4.6m相近，究其原因，差异主要产生在理论分析的近似计算的参数取值及数值分析的网格划分等诸多因素。

    （2）通过数值分析与理论计算更进一步验证了计算程序的可行性与正确性。

    参考文献：

    [1]孟闻远，张蕊，王俊锋.黄河防凌减灾方案新探索[J].华北水利水电学院学报，2012（02）.

    [2]宋祖厂，陈建民.海冰与独腿简易平台碰撞动力分析[J]，中国海洋平台，2009，24（2）：1-3.

    [3]尚晓江，苏建宇，王华峰.ANSYS/DYNA动力分析方法与工程实例[M].北京：中国水利水电出版社，2008.

    [4]李裕春，时党勇，赵远.ANSYS/DYNA基础理论与工程实践[M].北京：中国水利水电出版社，2008.

    [5]佟铮，马万珍，王宁.单个球形药包在无限冰介质内部爆炸作用试验研究[J].内蒙古工业大学学报，2003，22（3）：209-213.

    [6]方斌，朱锡，张振华，等.水下爆炸冲击波数值模拟中的参数影响[J].哈尔滨工程大学学报，2005，26（4）：419-424.

    [7]库尔.P.水下爆炸[M].北京：国防工业出版社，1960.