2025大赛优秀作品 | 强动载作用下拱坝动态响应和损伤破坏的数值模拟研究

“Ansys 2025 全球仿真大会”仿真应用大赛优秀作品展示

本届仿真应用大赛最终评选出 30 篇 TOP 优秀作品，分别荣获一、二、三等奖及行业最佳实践奖。近 200 位来自汽车、半导体、高科技、能源等行业的仿真精英参赛，他们以前沿思维与创新实践，充分展现了仿真技术的无限潜能。我们将陆续为大家分享获奖佳作，带您一同领略仿真赋能创新的非凡力量，希望用户能从中汲取灵感、启迪思路。

作品名称：强动载作用下拱坝动态响应和损伤破坏的数值模拟研究

作者： 钱敬业 | 同济大学

关键词：强动载，水下爆炸，拱坝，损伤破坏，数值模拟

作者说

在实际计算中发现Ansys LS-DYNA软件凭借其深度优化的多核并行架构，服务器级别CPU（如本工作使用的AMD EPYC系列处理器）的性能得以充分发挥，为超大规模有限元模型的计算提供可能性，推动精细化仿真成为行业趋势。配套的LS-PrePost前处理软件可以实现复杂模型快速构建与网格优化，其中的S-ALE法有效减少了计算域的建立难度并显著降低了K文件的大小，并行加速比高达0.9，保障了大规模算例的稳定高效求解。

鉴于低截面厚度拱坝在恐怖袭击及爆炸事故中的显著风险，本研究基于LS-DYNA软件建立了某原型拱坝的精细化三维数值模型，旨在研究其在水下爆炸强动载作用下的动态响应与损伤破坏机理。数值模拟考虑了两种TNT当量（100 kg与 200 kg）及两种爆炸深度（水面下12.5 m和25 m）的水下爆炸工况，实现了爆炸冲击波-水体-坝体相互作用的完全耦合高精度模拟。模型完整再现了结构从微损伤萌生、宏观裂缝扩展直至最终失稳溃坝的全过程损伤演化，并特别计入了坝体损伤后库水压力的持续作用机制。研究结果表明：坝顶区域为结构最薄弱部位，损伤破坏易在此处萌生并发展。爆炸当量与爆炸深度的变化均显著影响坝体损伤程度，其中在相同爆炸当量下，增大爆炸深度可显著减轻拱坝的损伤。拱坝在水下爆炸作用下的破坏过程可分为三个阶段：i）初始损伤阶段；ii）损伤发展阶段；iii）溃坝阶段。本研究所建立的精细化模型及模拟方法，为深入理解低截面厚度拱坝在极端荷载下的失效机理及其安全防护设计提供了重要依据。

挑战/需求

低截面厚度拱坝在恐怖袭击或爆炸事故中的极端脆弱性亟需量化评估与防护提升。常规数值模拟方法/软件难以对水下爆炸强动载作用下拱坝全流程损伤演化机制进行精细刻画，尤其难以模拟爆炸冲击波-库水-坝体耦合作用及损伤后库水持续渗透效应。工程实践需求包括：高精度破坏预测模型；不同爆炸工况对损伤的敏感性；薄弱区域强化设计依据。

使用工具

Ansys LS-DYNA; LS-PrePost; Python

最终成果

本研究基于LS-DYNA建立了低截面厚度拱坝水下爆炸全耦合模型，首次完整再现了结构从微损伤萌生、宏观裂缝扩展至溃坝的全过程演化，并计入了损伤后库水渗透压力持续作用机制。关键成果表明：

（1）坝顶为损伤萌生与发展的最敏感区域；

（2）相同当量下，爆炸深度从12.5 m增至25 m可显著降低坝体损伤；

（3）拱坝的破坏过程可划分初始损伤→损伤发展→溃坝的渐进失效路径。

所建立的有限元模型可以为极端爆炸荷载下拱坝安全防护设计提供了理论基础。

参赛作品一览