Ansys/ls-dyna數(shù)值仿真技術(shù)在井巷工程教學(xué)中的應(yīng)用

徐學(xué)鋒 劉少偉 韋四江

（河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000）

0 引言

井巷工程是采礦工程專業(yè)的主要專業(yè)課之一，是研究井巷施工方法和施工技術(shù)的綜合性課程[1]。課程的特點(diǎn)是理論聯(lián)系實(shí)際，并且有些理論知識(shí)還比較難于理解和講解，比如巖石性質(zhì)與工程分級(jí)里面的動(dòng)載荷作用下巖石的力學(xué)性質(zhì)以及鉆眼爆破中炸藥爆炸的相關(guān)理論，講解起來(lái)很抽象，也不容易理解。結(jié)合本課程多媒體教學(xué)的特點(diǎn)，以及對(duì)于巖土工程數(shù)值模擬軟件的學(xué)習(xí)，利用巖土和結(jié)構(gòu)方面的權(quán)威仿真軟件Ansys/Ls-dyna對(duì)炸藥爆炸的過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。模擬計(jì)算主要分析了炸藥爆破過(guò)程中動(dòng)應(yīng)力的演化特征，將抽象的理論用數(shù)值模擬的圖片、動(dòng)畫等效果顯示出來(lái)，作為理論教學(xué)的重要補(bǔ)充，在教學(xué)中起到了很好的輔助作用，這也是工科多媒體教學(xué)中的必要元素。

1 井巷工程課程理論教學(xué)內(nèi)容

井巷工程是煤炭行業(yè)采礦工程、安全工程等專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，該課程主要內(nèi)容包括巖石的力學(xué)性質(zhì)與工程分級(jí)、鉆眼爆破、巷道施工技術(shù)等內(nèi)容。該課程的特點(diǎn)是理論聯(lián)系實(shí)際，掌握好理論基礎(chǔ)對(duì)學(xué)好其他章節(jié)內(nèi)容及施工技術(shù)都有很好的指導(dǎo)作用。理論教學(xué)內(nèi)容中有些知識(shí)點(diǎn)比較抽象，難于講解，學(xué)生也難于理解，需要通過(guò)合理的輔助教學(xué)手段提高教學(xué)效果。比如在巖石力學(xué)性質(zhì)及其工程分級(jí)這一章節(jié)里面涉及到在動(dòng)載荷作用下巖石的力學(xué)性質(zhì)。巖石在動(dòng)載荷作用下的應(yīng)力及應(yīng)變以應(yīng)力波和應(yīng)變波的形式顯現(xiàn)出來(lái)，這個(gè)問(wèn)題很抽象，教師授課講解和學(xué)生的理解都比較抽象。另外對(duì)鉆眼爆破章節(jié)里面涉及到炸藥爆炸的特性介紹，也是比較抽象，很難用定量的形式生動(dòng)形象的描述出來(lái)。

目前多媒體教學(xué)已經(jīng)成為工科教學(xué)中的主要教學(xué)手段[2-5]，它集圖、文、音、像、動(dòng)畫等為一體，表現(xiàn)出突出的優(yōu)越性，當(dāng)然隨著這一技術(shù)的發(fā)展，對(duì)多媒體的制作質(zhì)量也提出了新的要求[6-7]。由于井巷工程的特點(diǎn)，本課程適合采用多媒體教學(xué)，并且對(duì)與理論性比較強(qiáng)的章節(jié)最好能表達(dá)成生動(dòng)形象的圖片和動(dòng)畫等，但單獨(dú)的爆破方面的圖片和視頻只能從視覺(jué)上和宏觀上解釋爆炸現(xiàn)象，不能從科學(xué)理論的角度講述爆破的原理，以及炸藥爆炸產(chǎn)生的應(yīng)力波的傳播過(guò)程。對(duì)于這些問(wèn)題適合采用一些數(shù)值模擬軟件進(jìn)行定量的分析，圖形結(jié)合，便于理解，從而對(duì)炸藥爆炸特征的理論達(dá)到深層次和微觀的認(rèn)識(shí)。針對(duì)以上問(wèn)題的分析，結(jié)合自己在數(shù)值模擬技術(shù)中掌握的方法，擬采用Ansys/lsdyna數(shù)值模擬技術(shù)的圖形及動(dòng)畫結(jié)果，作為該教學(xué)內(nèi)容的輔助教學(xué)手段。

2 Ansys/Ls-dyna軟件功能特點(diǎn)

Ls-Dyna是世界上最著名的顯式動(dòng)力分析有限元程序，可以精確可靠地處理各種非線形問(wèn)題[8-9]，如碰撞分析、爆炸分析等，對(duì)于計(jì)算沖擊動(dòng)載荷作用下材料的變形、應(yīng)力分布以及炸藥爆炸過(guò)程中應(yīng)力波的傳播特性具有突出的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合Ansys強(qiáng)大的前處理功能，已經(jīng)在巖土結(jié)構(gòu)等多種領(lǐng)域應(yīng)用。與該軟件對(duì)應(yīng)的有許多出色的前后處理軟件，其中LS-PREPOST是LSTC公司開發(fā)的專用前后處理軟件，該軟件對(duì)LS-DYNA數(shù)值模擬的結(jié)果通過(guò)圖形、動(dòng)畫顯示，對(duì)模擬結(jié)果的有限元網(wǎng)格、實(shí)體變形、應(yīng)力云圖能清晰的顯示，這對(duì)于顯示炸藥爆破過(guò)程中的巖石應(yīng)力、應(yīng)變及炸藥爆破的特征等十分直接、明確，既有定量的數(shù)據(jù)，又能生動(dòng)形象的反映問(wèn)題。所以Ls-Dyna及其后處理軟件能夠滿足教學(xué)中研究動(dòng)載作用下巖石的應(yīng)力演化過(guò)程及炸藥爆炸時(shí)的應(yīng)力波演化過(guò)程，即能定性演示，又能定量分析，在相關(guān)學(xué)科的科研和教學(xué)過(guò)程中具有重要的應(yīng)用意義和前景。

現(xiàn)代多媒體教學(xué)手段的需要圖文結(jié)合，即要從宏觀上介紹爆炸的現(xiàn)象，又能從理論上分析爆炸特征的科學(xué)理論，所以采用本軟件數(shù)值模擬的結(jié)果配合多媒體教學(xué)是十分必要的。

3 數(shù)值訪真技術(shù)應(yīng)用

利用Ls-Dyna模擬炸藥在巖土中爆破過(guò)程中的力學(xué)行為，該問(wèn)題既分析了巖體在動(dòng)載荷作用下的應(yīng)力波和應(yīng)變波的傳播規(guī)律，又分析了炸藥爆炸過(guò)程的特性。具體的條件是在一定深度的巖土中布置一立方體形炸藥，模擬采用三維模型，為了計(jì)算方便建立1/4模型，但后處理時(shí)可整體顯示，求解時(shí)間3000ms，每5ms輸出一個(gè)計(jì)算數(shù)據(jù)。

圖1 數(shù)值模擬模型

這里我們主要分析炸藥爆破過(guò)程中巖土體中的應(yīng)力演化過(guò)程，圖2為炸藥爆破后某一剖面上應(yīng)力的演化過(guò)程，限于篇幅只顯示部分時(shí)刻的應(yīng)力分布。每一幅圖片中左側(cè)是某一個(gè)剖面的應(yīng)力云圖表示不同區(qū)域的應(yīng)力分布情況，右側(cè)的數(shù)據(jù)表示不同顏色代表的應(yīng)力等級(jí)，這樣從定量和定性上真實(shí)的分析了炸藥爆炸后動(dòng)應(yīng)力的演化過(guò)程和爆炸特性。

圖2 應(yīng)力演化過(guò)程

從圖中看出炸藥爆炸后，產(chǎn)生的應(yīng)力以炸藥為激發(fā)源，以應(yīng)力波的形式向周圍傳播，這樣形象的揭示了動(dòng)載作用下，巖體中的應(yīng)力變化規(guī)律及顯現(xiàn)形式，又描述了炸藥爆炸的特征。定性和定量的揭示了課程教學(xué)中的問(wèn)題，授課及學(xué)生聽課都比較容易。當(dāng)然還要把這些圖片通過(guò)Gif Movie Gear軟件制作成動(dòng)畫圖片，表現(xiàn)得更加形象。

4 結(jié)論

通過(guò)Ansys/Ls-Dyna數(shù)值模擬軟件對(duì)井巷工程中的炸藥爆炸科學(xué)理論的模擬，以及多媒體教學(xué)，取得了較好的效果，具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）加深了學(xué)生對(duì)動(dòng)載應(yīng)力及炸藥爆炸過(guò)程中應(yīng)力的演化過(guò)程的理解，結(jié)合多媒體教學(xué)不但從宏觀上定性解釋了該現(xiàn)象，而且從微觀角度定量分析了科學(xué)理論，加深了理解的深度，也便于授課講解。

（2）提高了學(xué)生對(duì)專業(yè)課的興趣，不但對(duì)本課程增加了興趣，而且對(duì)相關(guān)的領(lǐng)域，比如數(shù)值模擬軟件，提高了對(duì)科學(xué)知識(shí)追求的信心，并對(duì)后期深造起到了啟發(fā)意義。

（3）數(shù)值模擬軟件主要是在科研中運(yùn)用，也是科研與教學(xué)結(jié)合的應(yīng)用，同時(shí)也提高了教師教學(xué)中對(duì)不同學(xué)科知識(shí)學(xué)習(xí)，拓展視野，同時(shí)增強(qiáng)責(zé)任感。

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