含节理的岩石内乳化炸药不耦合爆炸引起的岩石裂纹扩展

1，项目概述

       岩石爆破是利用炸药的爆炸作用对岩石施加荷载，使岩石破坏的力学过程。在开矿、地铁掘进、隧道工程、建筑物爆破拆除中有广泛的应用。该类问题很难通过试验进行测试，因此需要通过仿真获得精确的结果。

      本项目主要涉及如下关键技术：

1）针对含节理的岩石模型，对模型建立及切分进行了严格控制，以保证划分高精度的网格。仿真基于的有限元方法，网格的精细及网格质量是影响仿真精度的关键因素。

2）针对爆炸查看裂纹，总结了裂纹查看的几种方式方法，如单元失效法、损伤var#4查看法等；

3）针对爆炸分析，流固耦合的技巧方法非常重要，k文件的修改有较多技术要求。

4）针对爆炸波的传播，详细讲解了k文件中如何添加关键字输出流固耦合作用力，如何通过添加关键字输出可移动示踪粒子的轨迹（如看炸药物质的边界达到的位置坐标曲线），以及固定位置示踪粒子的定义方法等。

图1 岩石及节理模型

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2，前处理

       1）模型：首先在workbench下建立岩石、节理、空气及炸药的几何模型，并对模型进行详细切分，切分后的效果如下图所示：

图2 空气及炸药模型切分

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2）网格：利用ANSYS APDL进行前处理，划分网格，网格如下图所示，该项目主要研究岩石裂纹扩展情况，因此需要采用非常小的网格，基于单元失效法进行模拟，网格总数130多万。

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3）单元：空气、炸药单元采用euler算法，岩石及节理采用lagrange算法，其中流体采用1e6沙漏系数，对应关键字如下：

*SECTION_SOLID

         1         1

$

*SECTION_SOLID

         2        11

$

*hourglass

$沙漏

2,1,1e-6

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4）材料：空气、乳化炸药、节理及岩石*MAT_NULL、*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN、*MAT_PLASTIC_KINEMATIC及*MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CONCRETE本构。详细材料本构及状态方程关键字参数如下：

$岩石

*MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CONCRETE

$mid，ro，g，a，b，c，n，fc

1,2.6,0.164,0.32,1.76,0.0127,0.79,76.13e-5

$t，epsd，efmin，sfmax，pc，uc，pl，ul

7.63e-5,1e-6,0.00465,7,2.54e-4,0.00167,8e-3,0.08

$d1，d2，k1，k2，k3，fs

0.013,1,0.81,-0.91,0.89,0

*mat_add_erosion

1,1234,2.8e-4,1234,0,0,0,0

-5e-5,1234,1234,0.6,0.9,1234,1234,1234

$节理PK

*MAT_PLASTIC_KINEMATIC

2,2.1,0.189,0.3,0.000186,0.11,0.00    

0,0,0.1

*MAT_NULL

$空气cMgus单位制

         3 1.2929e-3   

*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL

         3  -1e-6      0.00      0.00      0.00      0.4      0.4      0.00    

2.068e-6        1.0

$乳化炸药

*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN

         4      1.15     0.35     0.095   0.00E+0   

*EOS_JWL

         4      2.144 0.182E-02     4.2      0.9        0.35    4.2E-02    1.00

*initial_detonation

$4为part号

4,80,125,0.1

4,120,125,0.1

4,80,65,0.1

4,120,65,0.1

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5）流固耦合：流体（空气与炸药）与固体（岩石及节理）之间采用流固耦合定义相互作用关系。流体定义多物质组，流固耦合关键字如下（其中part1为岩石，part2为节理，part3为空气，part4为炸药）：

*ALE_MULTI-MATERIAL_GROUP

         3         1

         4         1     

*SET_PART_LIST

         1

1,2      

*SET_PART_LIST

         2

3,4

*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID

         1         2         0         0         2         5         2         0

         0         0      0.15                 0.1

                                       2       0.3

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6）求解时间600us。

*CONT-rOL_TERMINATION

  600.             0   0.00000   0.00000   0.00000

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3，求解过程及结果分析

采用6核cpu和2G内存进行求解，需要7小时左右。

下图显示了岩石在乳化炸药爆炸作用下的裂纹扩展过程。

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      结果显示，在3500m/s爆速的乳化炸药作用下，岩石裂纹扩展较好，可以较准确的模拟实际情况，对工程爆破具有极大的参考意义。

4，总结

       本文建立了含节理的岩石爆炸模型，仿真分析了3500m/s乳化炸药在不偶和装药爆炸作用下含节理的岩石的裂纹扩展效果，获得了岩石的裂纹分布情况。由于计算量较大，没有分析无节理情况下裂纹扩展情况进行对比。