楊云龍

【摘 要】 運用ANSYS/LS-DYNA有限元模擬軟件，基于鼓包運動基本假設(shè)和ALE算法，針對炸藥在土壤中爆炸時鼓包運動和爆炸空腔的運動規(guī)律等問題，建立數(shù)值計算模型并進行模擬。結(jié)果表明，表面鼓包運動主要受爆轟氣體膨脹作用影響，可分為加速運動和準(zhǔn)勻速運動兩階段，且后者持續(xù)時間較長。

【關(guān)鍵詞】 鼓包運動 數(shù)值模擬 ALE算法 爆炸空腔

在工程爆破中，拋擲堆積計算是爆破設(shè)計中一個十分重要的環(huán)節(jié)，而鼓包運動是拋擲爆破中拋擲體運動的重要階段，因此，詳細(xì)研究鼓包的過程和形態(tài)具有重要意義。目前，國內(nèi)外主要采用高速攝影、X光攝影和數(shù)值研究等方法對不同介質(zhì)中爆炸產(chǎn)生的鼓包運動進行研究，Captain W G[1]進行了有關(guān)淤泥爆炸的研究工作，將淤泥中爆炸與早期巖土中爆炸的鼓包運動的實驗結(jié)果進行比較，分析了鼓包運動的規(guī)律；Cherry[2]做了巖土中爆炸的數(shù)值模擬，結(jié)果表明高壓空腔開始為球體，短時間內(nèi)，氣體只有向上的運動不再向下擴張，從而形成橢球空腔；時黨勇[3]等對內(nèi)爆炸條件下鋼筋混凝土表面鼓包運動規(guī)律進行了研究，結(jié)果表明表面鼓包運動主要受爆轟氣體壓力載荷控制，應(yīng)力波使材料產(chǎn)生初期裂紋。本文針對條形藥包在土壤中爆炸，運用ANSYS/LS-DYNA有限元軟件建立數(shù)值模型，對條形藥包在土壤中爆炸時產(chǎn)生的鼓包運動進行數(shù)值模擬，并對鼓包運動形態(tài)、中心位移和速度的規(guī)律及產(chǎn)生鼓包的原因進行分析。

1 基本假設(shè)

2.2 計算模型

研究表明，內(nèi)爆炸時介質(zhì)的鼓包運動可分為應(yīng)力波的波動作用和爆轟氣體準(zhǔn)靜態(tài)作用兩部分，且后者持續(xù)時間較長，一般可達毫秒量級。根據(jù)各介質(zhì)在爆炸作用下網(wǎng)格的變化情況，建立數(shù)值計算模型時采用ALE算法，即炸藥和空氣采用流體單元，土壤采用拉格朗日實體單元。根據(jù)研究對象的對稱性，建立1/4計算模型，如圖1所示。模型邊界上施加無反射邊界條件和對稱邊界條件，為避免沙漏現(xiàn)象，流體—固體耦合中采用沙漏控制算法。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 土壤鼓包形態(tài)分析

通過ANSYS/LS-DYNA進行數(shù)值模擬，運行LS-Post后處理程序可以直觀地觀察到炸藥在土壤中爆炸的整個過程，同時可以分析土壤鼓包和相應(yīng)空腔的變化形態(tài)，不同階段的爆炸鼓包形態(tài)如圖2所示。

由圖2可以看出，時間到達1ms時模型表面已經(jīng)出現(xiàn)明顯鼓包，且鼓包高度和半徑隨著持續(xù)時間的增加均增大，但在爆炸初始階段，由于爆炸沖擊載荷的作用，鼓包迅速增長，隨著沖擊波衰減為應(yīng)力波并伴隨著爆轟氣體的作用，鼓包變化減緩并趨于平穩(wěn)。此外，在爆炸載荷作用下，土壤介質(zhì)抗拉強度很低，表現(xiàn)為松散體的特征，爆破空腔在高溫高壓氣體的作用下開始擴張，起初以球?qū)ΨQ的形式向外擴散，隨著球形應(yīng)力波離爆心距離的增加而迅速衰減，直達到負(fù)壓，土壤以松散體的形式運動，最終呈倒梨形。

3.2 鼓包運動速度

分析鼓包形態(tài)的同時，將土壤表面中心位置節(jié)點選為研究對象，分析得到中心位移和速度隨時間的變化曲線如圖3和圖4所示。

由圖3和圖4可以看出，當(dāng)爆炸載荷作用到達5ms時，鼓包中心最大位移為33.5cm，速度為7.2m/s。從鼓包中心位移曲線可知，中心位移可以近似看成兩段不同斜率的直線組成，且從圖3可以明顯看出，后一段持續(xù)時間較長，與鼓包形態(tài)相吻合。從鼓包中心速度曲線可知，炸藥起爆到鼓包運動開始，有一段滯后時間，在0.1ms時，在爆炸沖擊波的作用下鼓包運動速度迅速上升，速度達到4m/s左右，伴隨著沖擊波的衰減和爆轟氣體的作用，速度變緩，當(dāng)高壓氣泡內(nèi)的壓力降到靜水壓的量級時，鼓包運動趨于平穩(wěn)，速度在7m/s左右，因此，可將鼓包運動分為加速運動段和準(zhǔn)勻速運動段，且準(zhǔn)勻速運動段在爆轟氣體作用下持續(xù)時間較長。

4 結(jié)語

通過對土壤中炸藥爆炸引起的鼓包運動的數(shù)值模擬和分析，得出如下結(jié)論：（1）土壤中爆炸產(chǎn)生的鼓包隨著爆炸載荷作用時間的增加而增漲，同時產(chǎn)生的爆炸空腔在初期起初以球?qū)ΨQ的形式向外擴散，隨著球形應(yīng)力波離爆心距離的增加而迅速衰減，最終呈倒梨形。（2）土壤中爆炸引起的鼓包運動包括短時間加速運動和準(zhǔn)勻速運動兩個階段，當(dāng)高壓氣泡內(nèi)的壓力降衰減到靜水壓的量級時，鼓包不再做加速運動。（3）鼓包運動中準(zhǔn)勻速運動階段持續(xù)時間較長，表明鼓包的運動速度主要受爆轟氣體的膨脹特性控制。

參考文獻：

[1]Captain W G，Christopher J E. Lattery，crater studies：surface motion [R]. Livermore：Sandia Laboratories，1967.

[2]Cherry J T. Computer Calculation of Explosion Produced Craters. 1pt. J. Rock Mech. Min. Sci. Vol 4. ppl-22.

[3]時黨勇，張慶明，付躍升，等.內(nèi)爆炸條件下鋼筋混凝土表面鼓包的試驗觀測和數(shù)值分析[J].兵工學(xué)報，2014，31（4）：510-515.

[4]SHI Dang-yong， ZHANG Qing-ming， FU Yue-sheng，etal.Experiment observation and numerical simulation on the bulging process of reinforced concrete surface under internal blat loading [J].Acta Armamentarii，2014，31（4）：510-515.（in Chinese）.

[5]李世海，許連坡，徐小鴻.淤泥、巖土中爆炸鼓包運動規(guī)律的研究[J].爆破，1997，14（1）：12-17.

【摘 要】 運用ANSYS/LS-DYNA有限元模擬軟件，基于鼓包運動基本假設(shè)和ALE算法，針對炸藥在土壤中爆炸時鼓包運動和爆炸空腔的運動規(guī)律等問題，建立數(shù)值計算模型并進行模擬。結(jié)果表明，表面鼓包運動主要受爆轟氣體膨脹作用影響，可分為加速運動和準(zhǔn)勻速運動兩階段，且后者持續(xù)時間較長。

【關(guān)鍵詞】 鼓包運動 數(shù)值模擬 ALE算法 爆炸空腔

在工程爆破中，拋擲堆積計算是爆破設(shè)計中一個十分重要的環(huán)節(jié)，而鼓包運動是拋擲爆破中拋擲體運動的重要階段，因此，詳細(xì)研究鼓包的過程和形態(tài)具有重要意義。目前，國內(nèi)外主要采用高速攝影、X光攝影和數(shù)值研究等方法對不同介質(zhì)中爆炸產(chǎn)生的鼓包運動進行研究，Captain W G[1]進行了有關(guān)淤泥爆炸的研究工作，將淤泥中爆炸與早期巖土中爆炸的鼓包運動的實驗結(jié)果進行比較，分析了鼓包運動的規(guī)律；Cherry[2]做了巖土中爆炸的數(shù)值模擬，結(jié)果表明高壓空腔開始為球體，短時間內(nèi)，氣體只有向上的運動不再向下擴張，從而形成橢球空腔；時黨勇[3]等對內(nèi)爆炸條件下鋼筋混凝土表面鼓包運動規(guī)律進行了研究，結(jié)果表明表面鼓包運動主要受爆轟氣體壓力載荷控制，應(yīng)力波使材料產(chǎn)生初期裂紋。本文針對條形藥包在土壤中爆炸，運用ANSYS/LS-DYNA有限元軟件建立數(shù)值模型，對條形藥包在土壤中爆炸時產(chǎn)生的鼓包運動進行數(shù)值模擬，并對鼓包運動形態(tài)、中心位移和速度的規(guī)律及產(chǎn)生鼓包的原因進行分析。

1 基本假設(shè)

2.2 計算模型

研究表明，內(nèi)爆炸時介質(zhì)的鼓包運動可分為應(yīng)力波的波動作用和爆轟氣體準(zhǔn)靜態(tài)作用兩部分，且后者持續(xù)時間較長，一般可達毫秒量級。根據(jù)各介質(zhì)在爆炸作用下網(wǎng)格的變化情況，建立數(shù)值計算模型時采用ALE算法，即炸藥和空氣采用流體單元，土壤采用拉格朗日實體單元。根據(jù)研究對象的對稱性，建立1/4計算模型，如圖1所示。模型邊界上施加無反射邊界條件和對稱邊界條件，為避免沙漏現(xiàn)象，流體—固體耦合中采用沙漏控制算法。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 土壤鼓包形態(tài)分析

通過ANSYS/LS-DYNA進行數(shù)值模擬，運行LS-Post后處理程序可以直觀地觀察到炸藥在土壤中爆炸的整個過程，同時可以分析土壤鼓包和相應(yīng)空腔的變化形態(tài)，不同階段的爆炸鼓包形態(tài)如圖2所示。

由圖2可以看出，時間到達1ms時模型表面已經(jīng)出現(xiàn)明顯鼓包，且鼓包高度和半徑隨著持續(xù)時間的增加均增大，但在爆炸初始階段，由于爆炸沖擊載荷的作用，鼓包迅速增長，隨著沖擊波衰減為應(yīng)力波并伴隨著爆轟氣體的作用，鼓包變化減緩并趨于平穩(wěn)。此外，在爆炸載荷作用下，土壤介質(zhì)抗拉強度很低，表現(xiàn)為松散體的特征，爆破空腔在高溫高壓氣體的作用下開始擴張，起初以球?qū)ΨQ的形式向外擴散，隨著球形應(yīng)力波離爆心距離的增加而迅速衰減，直達到負(fù)壓，土壤以松散體的形式運動，最終呈倒梨形。

3.2 鼓包運動速度

分析鼓包形態(tài)的同時，將土壤表面中心位置節(jié)點選為研究對象，分析得到中心位移和速度隨時間的變化曲線如圖3和圖4所示。

由圖3和圖4可以看出，當(dāng)爆炸載荷作用到達5ms時，鼓包中心最大位移為33.5cm，速度為7.2m/s。從鼓包中心位移曲線可知，中心位移可以近似看成兩段不同斜率的直線組成，且從圖3可以明顯看出，后一段持續(xù)時間較長，與鼓包形態(tài)相吻合。從鼓包中心速度曲線可知，炸藥起爆到鼓包運動開始，有一段滯后時間，在0.1ms時，在爆炸沖擊波的作用下鼓包運動速度迅速上升，速度達到4m/s左右，伴隨著沖擊波的衰減和爆轟氣體的作用，速度變緩，當(dāng)高壓氣泡內(nèi)的壓力降到靜水壓的量級時，鼓包運動趨于平穩(wěn)，速度在7m/s左右，因此，可將鼓包運動分為加速運動段和準(zhǔn)勻速運動段，且準(zhǔn)勻速運動段在爆轟氣體作用下持續(xù)時間較長。

4 結(jié)語

通過對土壤中炸藥爆炸引起的鼓包運動的數(shù)值模擬和分析，得出如下結(jié)論：（1）土壤中爆炸產(chǎn)生的鼓包隨著爆炸載荷作用時間的增加而增漲，同時產(chǎn)生的爆炸空腔在初期起初以球?qū)ΨQ的形式向外擴散，隨著球形應(yīng)力波離爆心距離的增加而迅速衰減，最終呈倒梨形。（2）土壤中爆炸引起的鼓包運動包括短時間加速運動和準(zhǔn)勻速運動兩個階段，當(dāng)高壓氣泡內(nèi)的壓力降衰減到靜水壓的量級時，鼓包不再做加速運動。（3）鼓包運動中準(zhǔn)勻速運動階段持續(xù)時間較長，表明鼓包的運動速度主要受爆轟氣體的膨脹特性控制。

參考文獻：

[1]Captain W G，Christopher J E. Lattery，crater studies：surface motion [R]. Livermore：Sandia Laboratories，1967.

[2]Cherry J T. Computer Calculation of Explosion Produced Craters. 1pt. J. Rock Mech. Min. Sci. Vol 4. ppl-22.

[3]時黨勇，張慶明，付躍升，等.內(nèi)爆炸條件下鋼筋混凝土表面鼓包的試驗觀測和數(shù)值分析[J].兵工學(xué)報，2014，31（4）：510-515.

[4]SHI Dang-yong， ZHANG Qing-ming， FU Yue-sheng，etal.Experiment observation and numerical simulation on the bulging process of reinforced concrete surface under internal blat loading [J].Acta Armamentarii，2014，31（4）：510-515.（in Chinese）.

[5]李世海，許連坡，徐小鴻.淤泥、巖土中爆炸鼓包運動規(guī)律的研究[J].爆破，1997，14（1）：12-17.

【摘 要】 運用ANSYS/LS-DYNA有限元模擬軟件，基于鼓包運動基本假設(shè)和ALE算法，針對炸藥在土壤中爆炸時鼓包運動和爆炸空腔的運動規(guī)律等問題，建立數(shù)值計算模型并進行模擬。結(jié)果表明，表面鼓包運動主要受爆轟氣體膨脹作用影響，可分為加速運動和準(zhǔn)勻速運動兩階段，且后者持續(xù)時間較長。

【關(guān)鍵詞】 鼓包運動 數(shù)值模擬 ALE算法 爆炸空腔

在工程爆破中，拋擲堆積計算是爆破設(shè)計中一個十分重要的環(huán)節(jié)，而鼓包運動是拋擲爆破中拋擲體運動的重要階段，因此，詳細(xì)研究鼓包的過程和形態(tài)具有重要意義。目前，國內(nèi)外主要采用高速攝影、X光攝影和數(shù)值研究等方法對不同介質(zhì)中爆炸產(chǎn)生的鼓包運動進行研究，Captain W G[1]進行了有關(guān)淤泥爆炸的研究工作，將淤泥中爆炸與早期巖土中爆炸的鼓包運動的實驗結(jié)果進行比較，分析了鼓包運動的規(guī)律；Cherry[2]做了巖土中爆炸的數(shù)值模擬，結(jié)果表明高壓空腔開始為球體，短時間內(nèi)，氣體只有向上的運動不再向下擴張，從而形成橢球空腔；時黨勇[3]等對內(nèi)爆炸條件下鋼筋混凝土表面鼓包運動規(guī)律進行了研究，結(jié)果表明表面鼓包運動主要受爆轟氣體壓力載荷控制，應(yīng)力波使材料產(chǎn)生初期裂紋。本文針對條形藥包在土壤中爆炸，運用ANSYS/LS-DYNA有限元軟件建立數(shù)值模型，對條形藥包在土壤中爆炸時產(chǎn)生的鼓包運動進行數(shù)值模擬，并對鼓包運動形態(tài)、中心位移和速度的規(guī)律及產(chǎn)生鼓包的原因進行分析。

1 基本假設(shè)

2.2 計算模型

研究表明，內(nèi)爆炸時介質(zhì)的鼓包運動可分為應(yīng)力波的波動作用和爆轟氣體準(zhǔn)靜態(tài)作用兩部分，且后者持續(xù)時間較長，一般可達毫秒量級。根據(jù)各介質(zhì)在爆炸作用下網(wǎng)格的變化情況，建立數(shù)值計算模型時采用ALE算法，即炸藥和空氣采用流體單元，土壤采用拉格朗日實體單元。根據(jù)研究對象的對稱性，建立1/4計算模型，如圖1所示。模型邊界上施加無反射邊界條件和對稱邊界條件，為避免沙漏現(xiàn)象，流體—固體耦合中采用沙漏控制算法。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 土壤鼓包形態(tài)分析

通過ANSYS/LS-DYNA進行數(shù)值模擬，運行LS-Post后處理程序可以直觀地觀察到炸藥在土壤中爆炸的整個過程，同時可以分析土壤鼓包和相應(yīng)空腔的變化形態(tài)，不同階段的爆炸鼓包形態(tài)如圖2所示。

由圖2可以看出，時間到達1ms時模型表面已經(jīng)出現(xiàn)明顯鼓包，且鼓包高度和半徑隨著持續(xù)時間的增加均增大，但在爆炸初始階段，由于爆炸沖擊載荷的作用，鼓包迅速增長，隨著沖擊波衰減為應(yīng)力波并伴隨著爆轟氣體的作用，鼓包變化減緩并趨于平穩(wěn)。此外，在爆炸載荷作用下，土壤介質(zhì)抗拉強度很低，表現(xiàn)為松散體的特征，爆破空腔在高溫高壓氣體的作用下開始擴張，起初以球?qū)ΨQ的形式向外擴散，隨著球形應(yīng)力波離爆心距離的增加而迅速衰減，直達到負(fù)壓，土壤以松散體的形式運動，最終呈倒梨形。

3.2 鼓包運動速度

分析鼓包形態(tài)的同時，將土壤表面中心位置節(jié)點選為研究對象，分析得到中心位移和速度隨時間的變化曲線如圖3和圖4所示。

由圖3和圖4可以看出，當(dāng)爆炸載荷作用到達5ms時，鼓包中心最大位移為33.5cm，速度為7.2m/s。從鼓包中心位移曲線可知，中心位移可以近似看成兩段不同斜率的直線組成，且從圖3可以明顯看出，后一段持續(xù)時間較長，與鼓包形態(tài)相吻合。從鼓包中心速度曲線可知，炸藥起爆到鼓包運動開始，有一段滯后時間，在0.1ms時，在爆炸沖擊波的作用下鼓包運動速度迅速上升，速度達到4m/s左右，伴隨著沖擊波的衰減和爆轟氣體的作用，速度變緩，當(dāng)高壓氣泡內(nèi)的壓力降到靜水壓的量級時，鼓包運動趨于平穩(wěn)，速度在7m/s左右，因此，可將鼓包運動分為加速運動段和準(zhǔn)勻速運動段，且準(zhǔn)勻速運動段在爆轟氣體作用下持續(xù)時間較長。

4 結(jié)語

通過對土壤中炸藥爆炸引起的鼓包運動的數(shù)值模擬和分析，得出如下結(jié)論：（1）土壤中爆炸產(chǎn)生的鼓包隨著爆炸載荷作用時間的增加而增漲，同時產(chǎn)生的爆炸空腔在初期起初以球?qū)ΨQ的形式向外擴散，隨著球形應(yīng)力波離爆心距離的增加而迅速衰減，最終呈倒梨形。（2）土壤中爆炸引起的鼓包運動包括短時間加速運動和準(zhǔn)勻速運動兩個階段，當(dāng)高壓氣泡內(nèi)的壓力降衰減到靜水壓的量級時，鼓包不再做加速運動。（3）鼓包運動中準(zhǔn)勻速運動階段持續(xù)時間較長，表明鼓包的運動速度主要受爆轟氣體的膨脹特性控制。

參考文獻：

[1]Captain W G，Christopher J E. Lattery，crater studies：surface motion [R]. Livermore：Sandia Laboratories，1967.

[2]Cherry J T. Computer Calculation of Explosion Produced Craters. 1pt. J. Rock Mech. Min. Sci. Vol 4. ppl-22.

[3]時黨勇，張慶明，付躍升，等.內(nèi)爆炸條件下鋼筋混凝土表面鼓包的試驗觀測和數(shù)值分析[J].兵工學(xué)報，2014，31（4）：510-515.

[4]SHI Dang-yong， ZHANG Qing-ming， FU Yue-sheng，etal.Experiment observation and numerical simulation on the bulging process of reinforced concrete surface under internal blat loading [J].Acta Armamentarii，2014，31（4）：510-515.（in Chinese）.

[5]李世海，許連坡，徐小鴻.淤泥、巖土中爆炸鼓包運動規(guī)律的研究[J].爆破，1997，14（1）：12-17.