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。

1.png

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:

2.png

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。

666_002.png

666_003.png

3.png


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。

4.png

下图显示了岩石在乳化炸药爆炸作用下的裂纹扩展过程。

6.png


7.png


5.png


      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。

岩石裂纹扩展岩石爆破ANSYS workbenchANSYS APDL Workbench
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