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
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
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。
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
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
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
6)求解时间600us。
*CONT-rOL_TERMINATION
600. 0 0.00000 0.00000 0.00000
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。
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。