冰體爆破的數值模擬與理論分析研究

李佳慶

摘要：本文通過ANSYS/LS-DYNA數值模擬技術，對冰體爆破進行有效的數值模擬，并對其進行理論分析及驗算。

關鍵詞：冰體爆破;流固耦合;數值分析

新型聚能破冰技術采用兩級爆破，一級冰體爆破鉆孔，二級冰體或水中爆破，運用兩級爆破，盡可能地發揮爆炸所產生的能量，從而更好地實現冰體爆破[1]。本文針對聚能破冰的二級爆破在冰體中爆破進行數值模擬與理論分析研究。

1 有限元仿真模型建立

本文通過ANSYS/LS-DYNA軟件，選用顯式六面體實體單元：SOLID164，建立三維實體模型。選取1m冰厚，2m水高，1m空氣層，并在冰下0.5m處放置型號為5kg炸藥器材，建立了冰、水、空氣作用的數值模型，進行分析與研究。模型如下：

1.1 計算模型

在模型建立過程中，對于冰的材料模型，本文采用材料庫中各項同性斷裂模型（MAT_ISOTROPIC_EIASTIC_FAILURE）[2]，在模擬中通過自定義材料屬性來建立本構模型。

1.2 網格與接觸

在網格劃分中，采用ALE方法及多物質流固耦合方法[4]，對空氣、水采用ALE網格，對冰體采用Lagrange網格，并對冰體和水的接觸面采取ASTS接觸定義，并采用對稱罰函數算法。

1.3 邊界條件控制

由于模型的對稱性，為了節省計算時間模型只建立了1/4體，并在分割體面施加了法向的位移約束條件，并對另外側面以及底面施加了無反射邊界條件，模型的上表面采用自由表面。

1.4 能量控制

單點積分的實體單元容易形成零能模式，筆者對單元，有效的控制分析中可能出現的變形，確保了分析的正確性。采取沙漏控制，滑移能較小，沙漏能占總能量1%左右。

1.5 結果分析

通過ANSYS/LS-DYNA軟件所建立模型的動態模擬分析，得出在裝藥量為5kg時，破冰半徑為4.6m。

2 冰體爆破理論分析

冰體內部的爆炸類似于巖石爆破，除了在裝藥處形成擴大的空腔外，還會形成壓碎區，裂隙區和震動區[5]。冰體爆破破壞主要是由炸藥瞬間產生的爆轟波激起的爆炸應力波和爆炸所產生的氣體膨脹作功共同作用所引起的。整個爆炸過程雖然及其短暫，但是此過程仍是遵循炸藥的能量釋放、分配、傳遞及做功的過程。

冰體內部爆炸破壞范圍計算。冰的破壞半徑實際上就是裂隙區半徑，裂隙區則是由拉伸破壞形成的。當沖擊波衰減為壓縮應力波或冰直接受到它的作用時，徑向方向產生壓應力和壓縮變形，而切向方向將產生拉應力和拉伸變形。由于冰的抗拉能力差，故當拉伸應變超過破壞應變時，就會在徑向方向產生壓碎。可以采用公式（1）進行計算：

3 結語

（1）通過理論分析驗算，得知在冰層中爆破的破冰半徑R≈4.1m，與有限元模型所得的破冰半徑4.6m相近，究其原因，差異主要產生在理論分析的近似計算的參數取值及數值分析的網格劃分等諸多因素。

（2）通過數值分析與理論計算更進一步驗證了計算程序的可行性與正確性。

參考文獻：

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