基于聚能隨進(jìn)技術(shù)的冰凌爆破數(shù)值模擬及試驗(yàn)研究

孟聞遠(yuǎn)，劉 鑫，胡俊強(qiáng)

(華北水利水電學(xué)院，河南鄭州450045)

黃河由于特殊的地理位置、熱力、水力及河道邊界條件，每年都會(huì)出現(xiàn)不同程度的冰封及凌汛災(zāi)害，嚴(yán)重影響了人民群眾的正常生產(chǎn)及生活.在長(zhǎng)期的凌汛防治過(guò)程中，人們總結(jié)出了一系列的防凌措施，比如工程防凌措施、爆破防凌和防凌水量調(diào)度指揮等等.這些傳統(tǒng)的防凌措施雖然在以往的冰凌防治工作中發(fā)揮了重要的作用，但由于各種措施的局限性，黃河的凌災(zāi)還無(wú)法有效地防治.

對(duì)此，筆者在基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)上，曾提出“變被動(dòng)防御為主動(dòng)防御、變軍隊(duì)?wèi)?yīng)急機(jī)制為軍民聯(lián)合防治機(jī)制、變傳統(tǒng)器材爆破為現(xiàn)代軍民兩用器材爆破”的防凌新理念與基于聚能隨進(jìn)技術(shù)的冰凌爆破新方案，能夠有效地突破傳統(tǒng)爆破方法的局限性［1－2］.

在此基礎(chǔ)上，筆者運(yùn)用LS－DYNA數(shù)值模擬技術(shù)研究了同等裝藥量在不同位置爆炸時(shí)冰體的破壞特征，研究結(jié)果能夠指導(dǎo)聚能隨進(jìn)破冰器材的研發(fā).

1 聚能隨進(jìn)技術(shù)

傳統(tǒng)冰凌爆破利用飛機(jī)、大炮等軍用器材從上面拋射炸彈在冰上方觸及冰面轟炸的方式破冰，能量利用率低、危險(xiǎn)性高、機(jī)動(dòng)性差、人力物力消耗大，在易形成冰塞冰壩的過(guò)水建筑物、狹窄河道處又難以施爆.如果把黃河冰體視為板結(jié)構(gòu)脆性材料，若垂直冰平面施爆，建立冰蓋抗彎折受力破碎力學(xué)模型，將會(huì)在同樣能耗條件下，達(dá)到更好的破冰效果.聚能隨進(jìn)技術(shù)即是基于這一原理引入的破冰新技術(shù).

聚能隨進(jìn)技術(shù)的原理是使裝有炸藥的破冰器材穿越冰蓋下方一定距離后再發(fā)生爆炸，充分利用炸藥的爆破能量，提高冰凌的爆破效率.采用聚能隨進(jìn)技術(shù)的破冰器材具有安全性好、可靠性高、機(jī)動(dòng)靈活、裝藥量少、破冰效率高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、重量輕、操作簡(jiǎn)單、布設(shè)快速、便于單人攜行等優(yōu)勢(shì)，可作為軍民防凌減災(zāi)系列化器材應(yīng)用于黃河、渤海灣、黑龍江等地的防凌爆破中.研發(fā)聚能隨進(jìn)破冰器材需要確定在定量的炸藥及給定的冰厚與溫度情況下，炸藥在冰下多少距離爆炸時(shí)形成的爆破效果最好，以指導(dǎo)設(shè)計(jì)部門(mén)對(duì)器材延時(shí)起爆參數(shù)的設(shè)計(jì).

鑒于此，筆者利用ANSYS LS－DYNA軟件進(jìn)行數(shù)值模擬.給定裝藥量 1 kg，氣溫 －12℃，冰厚20 cm，分別研究在冰體表面、冰體內(nèi)部10 cm及冰下0，10，20，30，40 cm 爆破時(shí)冰蓋的爆破半徑，并與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證理論分析及計(jì)算程序的可靠性.研究結(jié)果對(duì)研發(fā)各種凌汛狀況下聚能隨進(jìn)破冰器材的型號(hào)有重要意義.

2 數(shù)值模型及材料參數(shù)

2.1 有限元模型

單元類(lèi)型選用LS－DYNA Explicit 3D Solid 164三維實(shí)體單元［3］.由于爆炸問(wèn)題的對(duì)稱(chēng)性，只建立了1/4個(gè)模型，三維冰體模型的尺寸為20 cm×100 cm×100 cm，炸藥為10 cm ×10 cm ×10 cm，水體尺寸為80 cm×100 cm×100 cm，在對(duì)稱(chēng)面方向施加對(duì)稱(chēng)約束，冰體上表面為臨空面，其余面定義為無(wú)反射邊界條件.采用映射網(wǎng)格劃分方法，單元尺寸為2.5 cm，模型的單位制為 cm －g－μs.

2.2 材料參數(shù)

根據(jù)冰體的破壞機(jī)理及以往的研究結(jié)果，冰體采用各向同性彈性斷裂模型ISOTROPIC－ELASTIC－ FAILURE［4］，參數(shù)見(jiàn)表 1.

表1 冰體材料參數(shù)

炸藥采用 HIGH －EXPLOSIVE －BURN［5］高能炸藥模型，其JWL狀態(tài)方程為

式中:P為爆轟壓力，GPa;V為相對(duì)體積;E為初始內(nèi)能，kJ;ω，A，B，R1，R2為材料常數(shù)［6］，取值分別為:ω =0.35，A=5.41 GPa，B=0.094 GPa，R1=4.5，R2=1.1.

水體采用 MAT_NULL［7］模型.

3 水下冰體爆炸數(shù)值模擬結(jié)果分析

冰體的爆破如同巖石一樣，是由炸藥爆轟反應(yīng)產(chǎn)生的爆轟波激起爆炸應(yīng)力波及爆炸氣體產(chǎn)生膨脹做功兩個(gè)方面的綜合作用引起的［8］.

分別模擬了炸藥在冰體表面、冰體內(nèi)10 cm以及冰下 0，10，20，30，40 cm 處爆炸時(shí)上層冰蓋的破壞情況，模擬結(jié)果如圖1—7所示.

計(jì)算結(jié)果表明，在爆炸沖擊波的作用下，在一定半冰徑區(qū)域內(nèi)，冰體明顯破碎，在徑向、環(huán)向有明顯裂縫產(chǎn)生，在破碎區(qū)，冰體呈破碎性脆斷;從解體的破碎區(qū)到未破裂的過(guò)渡區(qū)，有環(huán)向裂紋和徑向裂紋分割的尚未解體的次破碎冰區(qū).數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2.

圖5 冰下20 cm

圖6 冰下30 cm

圖7 冰下40 cm

表2 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果

4 試驗(yàn)研究

由華北水利水電學(xué)院防凌減災(zāi)研究所與工程兵科研三所組成的破冰試驗(yàn)小組于2010年3月及2012年3月兩次赴內(nèi)蒙古包頭市磴口黃河冰封河段開(kāi)展了破冰試驗(yàn).

試驗(yàn)內(nèi)容包括采用1 kg的TNT炸藥在與上述冰內(nèi)、冰下對(duì)應(yīng)方位不同位置進(jìn)行了爆破試驗(yàn)，爆破效果如圖8及圖9所示.現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3.

圖8 冰凌破碎情況示意圖

表3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，在爆炸沖擊波的作用下，在一定半徑區(qū)域內(nèi)，冰體明顯破碎，在徑向、環(huán)向有明顯裂縫產(chǎn)生.在破碎區(qū)，冰體呈破碎性脆斷，從解體的破碎區(qū)到未破裂的過(guò)渡區(qū)，有環(huán)向裂紋和徑向裂紋分割的尚未解體的次破碎冰區(qū);不同爆炸位置，過(guò)渡區(qū)寬窄不一.

將試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果比較可知，二者冰體破碎狀態(tài)基本吻合，同樣裝藥量爆炸效果與計(jì)算結(jié)果基本接近，證實(shí)計(jì)算模型及計(jì)算結(jié)果的可靠性.

圖9 現(xiàn)場(chǎng)爆破情況

5 結(jié)語(yǔ)

1)數(shù)值模擬計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果表明，筆者提出的聚能隨進(jìn)爆破方案比常規(guī)爆破方案合理得多，爆破效果較好.其中冰面爆破效果最差，冰內(nèi)爆破效果也不理想，冰下最佳點(diǎn)的爆炸半徑是冰面爆炸的近19倍，是冰內(nèi)爆炸的4倍多.

2)試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明計(jì)算理論及程序可靠.為理論指導(dǎo)爆破器材與爆破陣列布設(shè)方案設(shè)計(jì)打下了基礎(chǔ).

3)冰面、冰內(nèi)爆炸均不是最佳爆炸位置，冰下最佳爆炸位置的確定，為各種裝藥量、各種溫度及各種冰厚尺寸下，聚能隨進(jìn)爆破器材的延時(shí)參數(shù)設(shè)計(jì)提供了數(shù)值模擬手段，降低了試驗(yàn)費(fèi)用.

4)在黃河河段上，針對(duì)形成冰塞、冰壩的冰蓋、漂浮的大塊冰體以及即將形成的冰塞、冰壩，利用新的爆破方案數(shù)值模擬技術(shù)，為研發(fā)靜態(tài)擺放、遠(yuǎn)距離投射或直瞄發(fā)射的具有“快速、安全、便捷、高效”的聚能破冰器材奠定了基礎(chǔ).

5)該成果在我國(guó)凌災(zāi)分布區(qū)域的破冰新方案研究中均可推廣.

［1］孟聞遠(yuǎn)，郭穎奎，王璐.黃河冰凌特點(diǎn)及防治措施［J］.華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，31(6):27－29.

［2］孟聞遠(yuǎn)，張蕊，王俊鋒.黃河防凌減災(zāi)方案新探索［J］.華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，33(2):50－52.

［3］王璐.冰體動(dòng)力特性及爆炸響應(yīng)分析［D］.鄭州:華北水利水電學(xué)院，2011.

［4］郭穎奎.流冰碰撞下橋墩破壞有限元仿真分析研究［D］.鄭州:華北水利水電學(xué)院，2011.

［5］石少卿，康建功，汪敏，等.ANSYS/LS－DYNA在爆炸與沖擊領(lǐng)域內(nèi)的工程應(yīng)用［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.

［6］ 時(shí)黨勇，李裕春，張勝民.基于 ANSYS/LS－DYNA8.1進(jìn)行顯式動(dòng)力分析［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004.

［7］寧建國(guó)，王成，馬天寶.爆炸與沖擊動(dòng)力學(xué)［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2010.

［8］佟錚，馬萬(wàn)珍，曹玉生.爆破與爆炸技術(shù)［M］.北京:中國(guó)人民公安大學(xué)出版社，2001.