基于聚能隨進技術的冰凌爆破陣列數(shù)值模擬

胡俊強，孟聞遠，劉 鑫

(華北水利水電學院，河南鄭州450045)

黃河冰凌災害歷史悠久.在古代，黃河流域的人民就頻頻遭受凌汛災害，造成的損失難以估計.近現(xiàn)代黃河冰凌災害本身固有的頻發(fā)、難預報、難防等特點，再加上防治技術的落后，凌災的防治需消耗巨大的人力、物力、財力［1］，嚴重影響了黃河沿岸廣大人民群眾的生活和國家經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)的發(fā)展.在黃河防凌減災新技術的研究中，水下爆炸技術的深入研究涉及優(yōu)化爆破和安全爆破，是重中之重.為了避免凌汛、冰塞、冰壩的形成，需要在冰蓋上開辟冰凌下排河道，而單發(fā)聚能隨進破冰器材排列成陣組合爆破是開辟河道的最佳選擇.至于如何組合排列器材使得以最小能耗達到最佳排凌目的是其中的關鍵.

筆者利用ANSYS/LS－DYNA軟件對組合炸藥水下冰凌爆破進行數(shù)值模擬，并與組合陣列爆破試驗對比分析，驗證數(shù)值模擬的可靠性，其成果為開辟排凌河道，進行聚能隨進爆破的聚能隨進系列爆破器材設計及陣列優(yōu)化布設提供計算方案，并降低試驗成本.

1 組合冰凌爆破模型

1.1 模型尺寸

組合冰凌爆破模型由炸藥、水、冰體組成.總體模型尺寸為100 cm×400 cm×400 cm，水域尺寸為80 cm×400 cm×400 cm，冰體尺寸為20 cm×400 cm×400 cm，炸藥尺寸為10 cm×10 cm×10 cm，組合炸藥間距180 cm，如圖1所示.

圖1 組合冰凌爆破模型

從已有研究成果得知，對此種條件下的冰體，炸藥置于冰蓋下10 cm處，爆炸效果最佳.故這里的數(shù)值模擬及試驗均在相同條件下對比研究.炸點位于圖1 的對角面上，坐標分別為(135，135，70)，(265，265，70)，如圖2 所示.

圖2 炸點位置示意圖(圖1的對角面)

1.2 模型材料

炸藥采用HIGH－EXPLOSIVE－BURN模型，其狀態(tài)方程為 JWL方程.水體采用 NULL模型、GRUNEISEN狀態(tài)方程.冰體采用各向同性彈性斷裂模型即ISOTROPIC－ELASTIC－FAILURE模型，密度為900 kg/m3，剪切模量為 2.20 ×109Pa，屈服應力為 2.12×106Pa，塑性硬化模量為 4.26×109Pa，體積模量為5.26×109Pa，塑性失效應變?yōu)?.35，截斷壓力為 －4 ×106Pa.

1.3 邊界條件

該模型采用無反射邊界條件，避免沖擊波到達邊界以后反射和折射與初始沖擊波疊加，影響模擬結(jié)果［2］.

1.4 計算方法

模型采用3D solid 164單元劃分網(wǎng)格，使用多物質(zhì)ALE算法，即多物質(zhì)任意拉格朗日－歐拉算法.冰體、炸藥、水體之間的界面采用流固耦合算法［3］.

2 數(shù)值模擬結(jié)果

2.1 壓力峰值

庫爾給出了TNT炸藥水下爆炸沖擊波峰值壓力的經(jīng)驗公式:

式中:W為裝藥量，kg;R為研究位置至炸點的距離，m;k，α為與炸藥性能有關的經(jīng)驗參數(shù).

由于該模型屬于淺水域水下爆炸，所以水下爆炸沖擊波壓力－時間函數(shù)關系為

式中:Pm為水中沖擊波壓力峰值，Pa;t為時間，s;θ為沖擊波的指數(shù)衰減時間常數(shù)［4］.

由上述公式計算出的沖擊波壓力峰值與數(shù)值模擬結(jié)果基本吻合.

2.2 冰體動態(tài)響應分析

TNT炸藥組合在水下爆炸產(chǎn)生的沖擊波在水介質(zhì)中傳播，到達冰體下表面后加載于整個冰體，使冰體破碎，達到疏通河道等防凌減災的目的.冰體的應力分布如圖3所示.由試驗結(jié)果可知，冰體迎爆面受壓，背爆面受拉，整體表現(xiàn)為劈裂破壞，其破壞過程如圖4所示.

圖3 冰體應力分布

圖4 冰體材料破壞過程

3 試驗研究

試驗采用1 kg TNT炸藥作為聚能隨進器材組合裝藥爆炸，在相同冰體、水體、水溫條件下進行試驗.組合聚能隨進器材爆破后冰體破碎效果如圖5所示.

圖5 組合聚能隨進器材爆破后冰體破碎效果

單發(fā)聚能隨進器材爆破后冰體破碎區(qū)域直徑在2 m左右，而2發(fā)組合聚能隨進器材爆破后冰體破碎區(qū)域每個直徑在2.3 m左右，這說明2個炸點的炸藥同時起爆，冰體整體破碎區(qū)域的面積超過單發(fā)聚能隨進器材爆破后冰體破碎區(qū)域面積的2.5倍.所以組合聚能隨進器材爆破效果要優(yōu)于單發(fā)聚能隨進器材逐個爆破，開辟排凌河道需采用陣列布設才能達到節(jié)約能耗的目的.

4 結(jié)語

1)數(shù)值計算與試驗結(jié)果表明，利用聚能隨進技術的水下爆破效果比冰面上及冰體內(nèi)的爆炸效果更好.經(jīng)試驗驗證，計算物理模型及程序可靠.

2)利用ANSYS/LS－DYNA軟件建立了組合冰凌爆破數(shù)值模型，通過數(shù)值計算，沖擊波峰值壓力與理論計算結(jié)果基本吻合，恰當處理了沖擊波荷載的加載方法;通過整個冰體動態(tài)響應過程及應力分布可以確定出冰體破壞形態(tài)，為冰蓋上更大規(guī)模的陣列爆破布置方案研究打下了基礎;為開辟排凌河道提供理論指導.在達到合理、有效排凌目的前提下，優(yōu)化布置爆破陣列，可大大降低成本.

3)該研究成果在我國凌災分布區(qū)域的新方案研究中均可推廣應用.

［1］孟聞遠，張蕊，王俊鋒.黃河防凌減災方案新探索［J］.華北水利水電學院學報，2012，33(2):50－52.

［2］石少卿，康建功，汪敏.ANSYS/LS－DYNA在爆炸與沖擊領域內(nèi)的工程應用［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2011.

［3］ 時黨勇，李裕春，張勝民.基于 ANSYS/LS－DYNA8.1進行顯式動力分析［M］.北京:清華大學出版社，2004.

［4］寧建國，王成，馬天寶.爆炸與沖擊動力學［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2010.

［5］師華強，汪玉，宗智，等.近水面水下爆炸二維Level－set數(shù)值模擬［J］.計算力學學報，2010，27(3):9 －14.

［6］李澎，徐更光.水下爆炸沖擊波傳播的近似計算［J］.火炸藥學報，2006，29(4):21 －24.

［7］王振宇，唐兆田，王善，等.水下爆炸氣泡脈動的數(shù)值計算［J］.哈爾濱工程大學學報，2008，29(1):22－27.