土壤中爆炸鼓包運動的數值模擬

楊云龍

【摘 要】 運用ANSYS/LS-DYNA有限元模擬軟件，基于鼓包運動基本假設和ALE算法，針對炸藥在土壤中爆炸時鼓包運動和爆炸空腔的運動規律等問題，建立數值計算模型并進行模擬。結果表明，表面鼓包運動主要受爆轟氣體膨脹作用影響，可分為加速運動和準勻速運動兩階段，且后者持續時間較長。

【關鍵詞】 鼓包運動 數值模擬 ALE算法 爆炸空腔

在工程爆破中，拋擲堆積計算是爆破設計中一個十分重要的環節，而鼓包運動是拋擲爆破中拋擲體運動的重要階段，因此，詳細研究鼓包的過程和形態具有重要意義。目前，國內外主要采用高速攝影、X光攝影和數值研究等方法對不同介質中爆炸產生的鼓包運動進行研究，Captain W G[1]進行了有關淤泥爆炸的研究工作，將淤泥中爆炸與早期巖土中爆炸的鼓包運動的實驗結果進行比較，分析了鼓包運動的規律；Cherry[2]做了巖土中爆炸的數值模擬，結果表明高壓空腔開始為球體，短時間內，氣體只有向上的運動不再向下擴張，從而形成橢球空腔；時黨勇[3]等對內爆炸條件下鋼筋混凝土表面鼓包運動規律進行了研究，結果表明表面鼓包運動主要受爆轟氣體壓力載荷控制，應力波使材料產生初期裂紋。本文針對條形藥包在土壤中爆炸，運用ANSYS/LS-DYNA有限元軟件建立數值模型，對條形藥包在土壤中爆炸時產生的鼓包運動進行數值模擬，并對鼓包運動形態、中心位移和速度的規律及產生鼓包的原因進行分析。

1 基本假設

2.2 計算模型

研究表明，內爆炸時介質的鼓包運動可分為應力波的波動作用和爆轟氣體準靜態作用兩部分，且后者持續時間較長，一般可達毫秒量級。根據各介質在爆炸作用下網格的變化情況，建立數值計算模型時采用ALE算法，即炸藥和空氣采用流體單元，土壤采用拉格朗日實體單元。根據研究對象的對稱性，建立1/4計算模型，如圖1所示。模型邊界上施加無反射邊界條件和對稱邊界條件，為避免沙漏現象，流體—固體耦合中采用沙漏控制算法。

3 數值模擬結果分析

3.1 土壤鼓包形態分析

通過ANSYS/LS-DYNA進行數值模擬，運行LS-Post后處理程序可以直觀地觀察到炸藥在土壤中爆炸的整個過程，同時可以分析土壤鼓包和相應空腔的變化形態，不同階段的爆炸鼓包形態如圖2所示。

由圖2可以看出，時間到達1ms時模型表面已經出現明顯鼓包，且鼓包高度和半徑隨著持續時間的增加均增大，但在爆炸初始階段，由于爆炸沖擊載荷的作用，鼓包迅速增長，隨著沖擊波衰減為應力波并伴隨著爆轟氣體的作用，鼓包變化減緩并趨于平穩。此外，在爆炸載荷作用下，土壤介質抗拉強度很低，表現為松散體的特征，爆破空腔在高溫高壓氣體的作用下開始擴張，起初以球對稱的形式向外擴散，隨著球形應力波離爆心距離的增加而迅速衰減，直達到負壓，土壤以松散體的形式運動，最終呈倒梨形。

3.2 鼓包運動速度

分析鼓包形態的同時，將土壤表面中心位置節點選為研究對象，分析得到中心位移和速度隨時間的變化曲線如圖3和圖4所示。

由圖3和圖4可以看出，當爆炸載荷作用到達5ms時，鼓包中心最大位移為33.5cm，速度為7.2m/s。從鼓包中心位移曲線可知，中心位移可以近似看成兩段不同斜率的直線組成，且從圖3可以明顯看出，后一段持續時間較長，與鼓包形態相吻合。從鼓包中心速度曲線可知，炸藥起爆到鼓包運動開始，有一段滯后時間，在0.1ms時，在爆炸沖擊波的作用下鼓包運動速度迅速上升，速度達到4m/s左右，伴隨著沖擊波的衰減和爆轟氣體的作用，速度變緩，當高壓氣泡內的壓力降到靜水壓的量級時，鼓包運動趨于平穩，速度在7m/s左右，因此，可將鼓包運動分為加速運動段和準勻速運動段，且準勻速運動段在爆轟氣體作用下持續時間較長。

4 結語

通過對土壤中炸藥爆炸引起的鼓包運動的數值模擬和分析，得出如下結論：（1）土壤中爆炸產生的鼓包隨著爆炸載荷作用時間的增加而增漲，同時產生的爆炸空腔在初期起初以球對稱的形式向外擴散，隨著球形應力波離爆心距離的增加而迅速衰減，最終呈倒梨形。（2）土壤中爆炸引起的鼓包運動包括短時間加速運動和準勻速運動兩個階段，當高壓氣泡內的壓力降衰減到靜水壓的量級時，鼓包不再做加速運動。（3）鼓包運動中準勻速運動階段持續時間較長，表明鼓包的運動速度主要受爆轟氣體的膨脹特性控制。

參考文獻：

[1]Captain W G，Christopher J E. Lattery，crater studies：surface motion [R]. Livermore：Sandia Laboratories，1967.

[2]Cherry J T. Computer Calculation of Explosion Produced Craters. 1pt. J. Rock Mech. Min. Sci. Vol 4. ppl-22.

[3]時黨勇，張慶明，付躍升，等.內爆炸條件下鋼筋混凝土表面鼓包的試驗觀測和數值分析[J].兵工學報，2014，31（4）：510-515.

[4]SHI Dang-yong， ZHANG Qing-ming， FU Yue-sheng，etal.Experiment observation and numerical simulation on the bulging process of reinforced concrete surface under internal blat loading [J].Acta Armamentarii，2014，31（4）：510-515.（in Chinese）.

[5]李世海，許連坡，徐小鴻.淤泥、巖土中爆炸鼓包運動規律的研究[J].爆破，1997，14（1）：12-17.

【摘 要】 運用ANSYS/LS-DYNA有限元模擬軟件，基于鼓包運動基本假設和ALE算法，針對炸藥在土壤中爆炸時鼓包運動和爆炸空腔的運動規律等問題，建立數值計算模型并進行模擬。結果表明，表面鼓包運動主要受爆轟氣體膨脹作用影響，可分為加速運動和準勻速運動兩階段，且后者持續時間較長。

【關鍵詞】 鼓包運動 數值模擬 ALE算法 爆炸空腔

在工程爆破中，拋擲堆積計算是爆破設計中一個十分重要的環節，而鼓包運動是拋擲爆破中拋擲體運動的重要階段，因此，詳細研究鼓包的過程和形態具有重要意義。目前，國內外主要采用高速攝影、X光攝影和數值研究等方法對不同介質中爆炸產生的鼓包運動進行研究，Captain W G[1]進行了有關淤泥爆炸的研究工作，將淤泥中爆炸與早期巖土中爆炸的鼓包運動的實驗結果進行比較，分析了鼓包運動的規律；Cherry[2]做了巖土中爆炸的數值模擬，結果表明高壓空腔開始為球體，短時間內，氣體只有向上的運動不再向下擴張，從而形成橢球空腔；時黨勇[3]等對內爆炸條件下鋼筋混凝土表面鼓包運動規律進行了研究，結果表明表面鼓包運動主要受爆轟氣體壓力載荷控制，應力波使材料產生初期裂紋。本文針對條形藥包在土壤中爆炸，運用ANSYS/LS-DYNA有限元軟件建立數值模型，對條形藥包在土壤中爆炸時產生的鼓包運動進行數值模擬，并對鼓包運動形態、中心位移和速度的規律及產生鼓包的原因進行分析。

1 基本假設

2.2 計算模型

研究表明，內爆炸時介質的鼓包運動可分為應力波的波動作用和爆轟氣體準靜態作用兩部分，且后者持續時間較長，一般可達毫秒量級。根據各介質在爆炸作用下網格的變化情況，建立數值計算模型時采用ALE算法，即炸藥和空氣采用流體單元，土壤采用拉格朗日實體單元。根據研究對象的對稱性，建立1/4計算模型，如圖1所示。模型邊界上施加無反射邊界條件和對稱邊界條件，為避免沙漏現象，流體—固體耦合中采用沙漏控制算法。

3 數值模擬結果分析

3.1 土壤鼓包形態分析

通過ANSYS/LS-DYNA進行數值模擬，運行LS-Post后處理程序可以直觀地觀察到炸藥在土壤中爆炸的整個過程，同時可以分析土壤鼓包和相應空腔的變化形態，不同階段的爆炸鼓包形態如圖2所示。

由圖2可以看出，時間到達1ms時模型表面已經出現明顯鼓包，且鼓包高度和半徑隨著持續時間的增加均增大，但在爆炸初始階段，由于爆炸沖擊載荷的作用，鼓包迅速增長，隨著沖擊波衰減為應力波并伴隨著爆轟氣體的作用，鼓包變化減緩并趨于平穩。此外，在爆炸載荷作用下，土壤介質抗拉強度很低，表現為松散體的特征，爆破空腔在高溫高壓氣體的作用下開始擴張，起初以球對稱的形式向外擴散，隨著球形應力波離爆心距離的增加而迅速衰減，直達到負壓，土壤以松散體的形式運動，最終呈倒梨形。

3.2 鼓包運動速度

分析鼓包形態的同時，將土壤表面中心位置節點選為研究對象，分析得到中心位移和速度隨時間的變化曲線如圖3和圖4所示。

由圖3和圖4可以看出，當爆炸載荷作用到達5ms時，鼓包中心最大位移為33.5cm，速度為7.2m/s。從鼓包中心位移曲線可知，中心位移可以近似看成兩段不同斜率的直線組成，且從圖3可以明顯看出，后一段持續時間較長，與鼓包形態相吻合。從鼓包中心速度曲線可知，炸藥起爆到鼓包運動開始，有一段滯后時間，在0.1ms時，在爆炸沖擊波的作用下鼓包運動速度迅速上升，速度達到4m/s左右，伴隨著沖擊波的衰減和爆轟氣體的作用，速度變緩，當高壓氣泡內的壓力降到靜水壓的量級時，鼓包運動趨于平穩，速度在7m/s左右，因此，可將鼓包運動分為加速運動段和準勻速運動段，且準勻速運動段在爆轟氣體作用下持續時間較長。

4 結語

通過對土壤中炸藥爆炸引起的鼓包運動的數值模擬和分析，得出如下結論：（1）土壤中爆炸產生的鼓包隨著爆炸載荷作用時間的增加而增漲，同時產生的爆炸空腔在初期起初以球對稱的形式向外擴散，隨著球形應力波離爆心距離的增加而迅速衰減，最終呈倒梨形。（2）土壤中爆炸引起的鼓包運動包括短時間加速運動和準勻速運動兩個階段，當高壓氣泡內的壓力降衰減到靜水壓的量級時，鼓包不再做加速運動。（3）鼓包運動中準勻速運動階段持續時間較長，表明鼓包的運動速度主要受爆轟氣體的膨脹特性控制。

參考文獻：

[1]Captain W G，Christopher J E. Lattery，crater studies：surface motion [R]. Livermore：Sandia Laboratories，1967.

[2]Cherry J T. Computer Calculation of Explosion Produced Craters. 1pt. J. Rock Mech. Min. Sci. Vol 4. ppl-22.

[3]時黨勇，張慶明，付躍升，等.內爆炸條件下鋼筋混凝土表面鼓包的試驗觀測和數值分析[J].兵工學報，2014，31（4）：510-515.

[4]SHI Dang-yong， ZHANG Qing-ming， FU Yue-sheng，etal.Experiment observation and numerical simulation on the bulging process of reinforced concrete surface under internal blat loading [J].Acta Armamentarii，2014，31（4）：510-515.（in Chinese）.

[5]李世海，許連坡，徐小鴻.淤泥、巖土中爆炸鼓包運動規律的研究[J].爆破，1997，14（1）：12-17.

【摘 要】 運用ANSYS/LS-DYNA有限元模擬軟件，基于鼓包運動基本假設和ALE算法，針對炸藥在土壤中爆炸時鼓包運動和爆炸空腔的運動規律等問題，建立數值計算模型并進行模擬。結果表明，表面鼓包運動主要受爆轟氣體膨脹作用影響，可分為加速運動和準勻速運動兩階段，且后者持續時間較長。

【關鍵詞】 鼓包運動 數值模擬 ALE算法 爆炸空腔

在工程爆破中，拋擲堆積計算是爆破設計中一個十分重要的環節，而鼓包運動是拋擲爆破中拋擲體運動的重要階段，因此，詳細研究鼓包的過程和形態具有重要意義。目前，國內外主要采用高速攝影、X光攝影和數值研究等方法對不同介質中爆炸產生的鼓包運動進行研究，Captain W G[1]進行了有關淤泥爆炸的研究工作，將淤泥中爆炸與早期巖土中爆炸的鼓包運動的實驗結果進行比較，分析了鼓包運動的規律；Cherry[2]做了巖土中爆炸的數值模擬，結果表明高壓空腔開始為球體，短時間內，氣體只有向上的運動不再向下擴張，從而形成橢球空腔；時黨勇[3]等對內爆炸條件下鋼筋混凝土表面鼓包運動規律進行了研究，結果表明表面鼓包運動主要受爆轟氣體壓力載荷控制，應力波使材料產生初期裂紋。本文針對條形藥包在土壤中爆炸，運用ANSYS/LS-DYNA有限元軟件建立數值模型，對條形藥包在土壤中爆炸時產生的鼓包運動進行數值模擬，并對鼓包運動形態、中心位移和速度的規律及產生鼓包的原因進行分析。

1 基本假設

2.2 計算模型

研究表明，內爆炸時介質的鼓包運動可分為應力波的波動作用和爆轟氣體準靜態作用兩部分，且后者持續時間較長，一般可達毫秒量級。根據各介質在爆炸作用下網格的變化情況，建立數值計算模型時采用ALE算法，即炸藥和空氣采用流體單元，土壤采用拉格朗日實體單元。根據研究對象的對稱性，建立1/4計算模型，如圖1所示。模型邊界上施加無反射邊界條件和對稱邊界條件，為避免沙漏現象，流體—固體耦合中采用沙漏控制算法。

3 數值模擬結果分析

3.1 土壤鼓包形態分析

通過ANSYS/LS-DYNA進行數值模擬，運行LS-Post后處理程序可以直觀地觀察到炸藥在土壤中爆炸的整個過程，同時可以分析土壤鼓包和相應空腔的變化形態，不同階段的爆炸鼓包形態如圖2所示。

由圖2可以看出，時間到達1ms時模型表面已經出現明顯鼓包，且鼓包高度和半徑隨著持續時間的增加均增大，但在爆炸初始階段，由于爆炸沖擊載荷的作用，鼓包迅速增長，隨著沖擊波衰減為應力波并伴隨著爆轟氣體的作用，鼓包變化減緩并趨于平穩。此外，在爆炸載荷作用下，土壤介質抗拉強度很低，表現為松散體的特征，爆破空腔在高溫高壓氣體的作用下開始擴張，起初以球對稱的形式向外擴散，隨著球形應力波離爆心距離的增加而迅速衰減，直達到負壓，土壤以松散體的形式運動，最終呈倒梨形。

3.2 鼓包運動速度

分析鼓包形態的同時，將土壤表面中心位置節點選為研究對象，分析得到中心位移和速度隨時間的變化曲線如圖3和圖4所示。

由圖3和圖4可以看出，當爆炸載荷作用到達5ms時，鼓包中心最大位移為33.5cm，速度為7.2m/s。從鼓包中心位移曲線可知，中心位移可以近似看成兩段不同斜率的直線組成，且從圖3可以明顯看出，后一段持續時間較長，與鼓包形態相吻合。從鼓包中心速度曲線可知，炸藥起爆到鼓包運動開始，有一段滯后時間，在0.1ms時，在爆炸沖擊波的作用下鼓包運動速度迅速上升，速度達到4m/s左右，伴隨著沖擊波的衰減和爆轟氣體的作用，速度變緩，當高壓氣泡內的壓力降到靜水壓的量級時，鼓包運動趨于平穩，速度在7m/s左右，因此，可將鼓包運動分為加速運動段和準勻速運動段，且準勻速運動段在爆轟氣體作用下持續時間較長。

4 結語

通過對土壤中炸藥爆炸引起的鼓包運動的數值模擬和分析，得出如下結論：（1）土壤中爆炸產生的鼓包隨著爆炸載荷作用時間的增加而增漲，同時產生的爆炸空腔在初期起初以球對稱的形式向外擴散，隨著球形應力波離爆心距離的增加而迅速衰減，最終呈倒梨形。（2）土壤中爆炸引起的鼓包運動包括短時間加速運動和準勻速運動兩個階段，當高壓氣泡內的壓力降衰減到靜水壓的量級時，鼓包不再做加速運動。（3）鼓包運動中準勻速運動階段持續時間較長，表明鼓包的運動速度主要受爆轟氣體的膨脹特性控制。

參考文獻：

[1]Captain W G，Christopher J E. Lattery，crater studies：surface motion [R]. Livermore：Sandia Laboratories，1967.

[2]Cherry J T. Computer Calculation of Explosion Produced Craters. 1pt. J. Rock Mech. Min. Sci. Vol 4. ppl-22.

[3]時黨勇，張慶明，付躍升，等.內爆炸條件下鋼筋混凝土表面鼓包的試驗觀測和數值分析[J].兵工學報，2014，31（4）：510-515.

[4]SHI Dang-yong， ZHANG Qing-ming， FU Yue-sheng，etal.Experiment observation and numerical simulation on the bulging process of reinforced concrete surface under internal blat loading [J].Acta Armamentarii，2014，31（4）：510-515.（in Chinese）.

[5]李世海，許連坡，徐小鴻.淤泥、巖土中爆炸鼓包運動規律的研究[J].爆破，1997，14（1）：12-17.