基于共节点算法的混凝土爆炸仿真

1工程背景

无论是在军事还是民用领域，爆炸都有着极为广泛的应用，如东风导弹部队的战斗模拟、金属爆炸成型等。目前，对于爆炸动力学研究一般有两种方法，即实验与仿真。爆炸实验模拟是对爆炸精确分析的较好手段，但通常成本高，花费精力大，用仿真的手段对爆炸过程进行模拟，拟合仿真数据与前人实验结果比对验证，也是获得较为准确可靠的数据。对于爆炸过程模拟的常用方法有公用节点算法、接触耦合算法及流固耦合算法等。但考虑到后两种方法的计算时间较长（ALE算法计算效率较低）[1]，同时，本文经过多次仿真调试发现：流固耦合算法所得到的的计算结果对控制参数的取值十分敏感，得到的数字结果差距很大。因此，本文采用共节点算法来模拟炸药在混凝土中的爆炸过程。

2模型建立

2.1模型分析

本文设想是将炸药放入混凝土中心位置进行起爆，因此炸药和混凝土整个模型可以看成是一个完全对称的模型，因此，本文建立1/8模型，将炸药单元建立在模型中心位置。炸药单元与混凝土结构之间共节点算法定义连接。对于网格划分，炸药单元网格划分密与混凝土结构。被爆炸物尺寸社设为1m³的立方体块，炸药尺寸较小，设置为5cm³的立方块，简化模型如图1所示。

图1共节点算法爆炸有限元模型

2.2炸药、混凝土本构模型

炸药本构采用LSDYNA提供的8号高爆炸药本构模型*MAT_EXPLOSIVE_BURN，同时使用JWL状态方程模拟炸药爆炸过程中的压力与体积的关系。炸药本构参数和JWL状态方程参数分别如表1、2所示。被爆炸物为混凝土材料，选用111号材料本构。

表1 8号炸药本构参数

表2 JWL状态方程

2.3ANSYS LSDYNA源程序建模生成K文件

因为模型较为简单，直接在ANSYS LSDYNA中建立几何模型并进行前处理操作，本文使用图形交互环境建模，熟练者也可以直接使用APDL语言建模。为避免建模尺寸混乱，本文选用的单位制为国际单位制，在完成工程属性的相关定义后，开始定义变量、单元类型、材料和实常数，被爆炸物的材料本构可以先任意设置一种弹性本构材料，后处理可以手动修改K文件添加上被爆炸物的混凝土本构关键字及参数。最后建立实体模型采用自下而上的建模法，先建立点在建立线最后形成面。实体模型完成后开始划分网格，建立有限元模型，被爆炸物的网格次尺寸为1/17m，炸药网格为0.025m大小。接着开始定义初始条件与边界条件，对于边界条件的设置本文建议直接在ANSYS中完成，虽然在LSPP中也可以实现，但很繁琐不及ANSYS来的快捷方便。在ANSYS中实现边界条件仅6行代码如下：

！NSEL,S,LOC,X,

DSYM,SYMM,X,

Nsel,s,loc,Y,

DSYM,SYMM.Y,

Nsel,s,loc,Z,

DSYM,SYMM,Z,

最后定义求解参数，计算终止时间设为0.8ms，其他设为默认，直接写出K文件，保存为1.k。

2.4修改K文件并求解

炸药材料本构关键字需要手工修改，用UE或者LSPP打开L文件，本文直接使用UE修改K文件。首先用UE打开K文件，然后使用搜索功能，找到MAT，将炸药关键字及参数替换掉预设的弹性本构材料，并按照表1和表2参数写入JWL状态方程，赋予炸药PART上，将文件命名为explode.k，这样K文件完成修改。

2.5求解

求解可以用ANSYS求解也可以用LSDYNA求解器求解，均可。

3 LSPP后处理

3.1等效应力云图

由于爆炸时间极短，本文选取#STATE 1 3 4 5 6 7状态的爆炸点应力云图变化情况如图2所示，可以看出在起爆瞬间，爆炸边缘处的混凝土结构就出现破裂痕迹，炸药边缘处应力集中明显，破碎沿着边缘处不断延伸直至撕裂开来。而随着爆炸能量的瞬间集中释放后，本文截取#STATE 20 22 24 26 28 30状态来表示混凝土在爆炸后的表面应力情况，如图3所示。可以看出应力开始减小，中间起爆处撕裂现象渐渐成型，不在继续向外扩展。

图2起爆瞬间应力变化

图3 起爆后表面应力变化

3.2表面损伤

在LSPP中定义输出变量为vary#2，可以看损伤云图如图4所示。其基本与应力云图变化一致，通过损伤云图，可以通过图像处理的方法来准确计算出整个表面的损伤情况占比，这是损伤云图的一个巨大优势，但由于需要图像识别相关技术，本文只从云图表现特征简要分析。

3.3其他后处理

其他后处理，如最大等效应力曲线绘制，内能动能变化曲线等都可以通过LSPP软件进行提取与二次筛选，本文着重爆炸模型的共节点算法的实现，对LSPP中众多后处理功能的实现需要进一步挖掘。

4结论

（1）实际上，不管是采用何种算法进行爆炸模拟分析，在每一种算法中都有多个控制选项，其参数的不同取值直接影响计算结果。因此仿真结果应当结合实际，以实验为基础在调整参数。使仿真结果与实验匹配，这样的仿真结果才有可信度。

（2）爆炸模拟分析的精度依赖于材料本构、状态方程等参数的合理设置，因此参数设置的合理性影响仿真精度。

参考文献

【1】白金泽. LS-DYNA3D理论基础与实验分析[D].北京：科学出版社，2005.