聚能破冰對堤防的有限元分析

趙緒新 薛 松 平 源

(華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045)

聚能破冰對堤防的有限元分析

趙緒新 薛 松 平 源

(華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045)

在大地回春季節(jié)，黃河流域河流解凍導(dǎo)致大塊的冰凌順流而下，極易發(fā)生“武開”河，即在此時節(jié)易發(fā)生冰塞、冰壩等凌汛災(zāi)害，對黃河沿岸人民的生產(chǎn)和生活造成影響。利用ANSYS/LS-DYNA建立了炸藥在冰下的爆破模型，研究了在相同裝藥量，不同炸點(diǎn)距離下，爆炸破冰對堤防的影響。通過對結(jié)果的分析，分別得出了在冰內(nèi)爆炸和在冰下爆炸的安全距離。

破冰排凌，有限元，堤防，冰下爆炸技術(shù)

在武開河時期，大塊冰凌隨著融水而下，形成冰排，冰排順流而下產(chǎn)生的壓力會對堤防等設(shè)施造成撞擊，使堤防護(hù)坡造成破壞，因此對于大塊冰排進(jìn)行提前爆破是有必要的，不僅對防凌減災(zāi)做出貢獻(xiàn)，而且能保護(hù)橋墩、堤防、閘門等水工建筑物[1]。本文在用爆破方式進(jìn)行破冰排凌的基礎(chǔ)上，研究利用爆破方式破冰對堤防的影響[2]。

1 動力分析理論基礎(chǔ)

LS-DYNA軟件是ANSYS中的一個子程序，此軟件處理的問題一般是非線性動力問題，如高速碰撞、爆炸和金屬成型等二維、三維非線性動力問題[3]，而且還可以求解熱傳導(dǎo)及流固耦合等問題。LS-DYNA具有強(qiáng)大的功能，大位移、大轉(zhuǎn)動、大應(yīng)變問題都能用此軟件解決，LS-DYNA軟件具有200多種非線性材料模型，40多種接觸非線性材料[4]，此外LS-DYNA還配有功能齊全的前、后處理器，如LS-POST,LS-PREPOST,TAURUS等，后處理器可以對模擬結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析、演示等[5]。

2 堤防動力特性分析

1)模型參數(shù)。此次研究的堤防選取黃河流域堤防，選取為混凝土堤防，坡比為1∶3,寬度取5 m，高為4 m，冰體厚度為50 cm，炸藥采用立方體裝藥，尺寸為15 cm×15 cm×15 cm，等效質(zhì)量為4 kg，冰體與堤防直接的動摩擦取為FD=0.45，靜摩擦系數(shù)FD=0.45，取模型為1/2對稱模型，對稱面施加位移約束，未施加約束面施加無放射邊界，上表面為自由面。

2)材料模型參數(shù)。冰：密度ρ=900 kg/m3，屈服應(yīng)力2.12×106Pa，剪切模量G=2.20×109Pa,體積模量5.26×109Pa，塑性硬化模量4.26×109Pa。堤防：密度ρ=2 500 kg/m3，彈性模量E=30 MPa，泊松比為PR=0.2。

3)建模過程。此次模擬過程炸藥采取中心起爆方式，取1/2模型，模型共有水、冰體、炸藥、空氣、堤防五種材料。其中水、炸藥、空氣采用歐拉建模，冰體和堤防采用拉格朗日建模，單元采用多物質(zhì)ALE算法。遵循量綱一致原則，本次模擬采取cm-g-us單位制。取堤防高為4 m，寬為4 m，水深為2 m，冰體與空氣接觸面采取雙層網(wǎng)格劃分，其余采用單層網(wǎng)格劃分。有限元模型見圖1。

3 動力響應(yīng)結(jié)果分析

1)靜冰破碎形態(tài)。此次模擬取炸藥距離堤防為7 m,9 m,10 m,…,19 m進(jìn)行模擬分析。分別從冰體破碎形態(tài)、應(yīng)力分析、能量分析，加速度分析等幾個方面對結(jié)果進(jìn)行分析討論。當(dāng)炸藥在冰下0.4 m處爆炸時，冰體的爆破效果很好，從圖中可以看出，冰體呈碎裂狀，圖2,圖3分別為各個時刻冰體破碎形態(tài)，由圖3可以看出，在2 000 μs時刻，冰體的破碎直徑相當(dāng)于所取堤防寬度5 m，冰體破碎狀態(tài)很好。

2)應(yīng)力分析。此次堤防選擇混凝土護(hù)坡，混凝土具有很強(qiáng)的抗壓性能，但作為脆性材料，抗拉性能不強(qiáng)，故根據(jù)強(qiáng)度理論，對于混凝土等脆性材料分析，遵循第一強(qiáng)度理論(即最大拉應(yīng)力理論)，主要將其第一主應(yīng)力與混凝土抗拉極限值進(jìn)行對比分析。當(dāng)?shù)谝恢鲬?yīng)力大于混凝土抗拉極限值時，即可認(rèn)為混凝土被破壞，存在著安全隱患。在用炸藥進(jìn)行破冰排凌過程中，堤防受到各種物質(zhì)的作用，圖4為在不同炸點(diǎn)距離下，堤防的最大第一主應(yīng)力折線圖。從圖4中我們得出隨著炸點(diǎn)距離的增加，第一主應(yīng)力呈現(xiàn)下降的趨勢，當(dāng)炸點(diǎn)距離堤防為16 m時，堤防所受的最大第一主應(yīng)力值小于C30混凝土的軸心抗拉標(biāo)準(zhǔn)值，在這個炸點(diǎn)下進(jìn)行破冰排凌對堤防不會產(chǎn)生破壞。

3)總能量分析。在聚能破冰爆破過程中，理想狀態(tài)下整個過程遵循能量守恒定律，整個過程的能量不會減少也不會增加，只會從一種形態(tài)轉(zhuǎn)化為另外一種形態(tài)，整體總能量保持不變。在理想狀態(tài)下，能量的比率(energy ratio)是為1的，能量比率(energy ratio)是總能量(total energy)與內(nèi)能和外界能量(internal energy+external energy)的比值。在爆炸過程中存在著滑移能，并且還存在著能量的耗散，因此總能量是減小的，故energy ratio曲線是呈現(xiàn)下降的趨勢。圖5給出了此次爆破過程的能量圖。

圖5中曲線A為動能(kinetic energy)曲線，曲線B為內(nèi)能(internal energy)曲線,曲線C為總能量(total energy)曲線，曲線D為滑移面能(sliding energy)曲線。由圖5可以看出，在發(fā)生爆炸后，整體內(nèi)能逐漸轉(zhuǎn)化為動能，在極短的時間內(nèi)，內(nèi)能迅速轉(zhuǎn)化為動能并趨于平穩(wěn)狀態(tài)。在整個爆炸過程中，由于整體的滑移面能與外界進(jìn)行能量交換，并且還有能量耗散，因此造成整體能量呈現(xiàn)下降趨勢。

4)堤防能量分析?？傮w能量符合能量守恒定理，對于堤防來說，一開始堤防未受到?jīng)_擊波的作用，因此一開始堤防不具有能量，隨著炸藥爆炸后，沖擊波隨著時間的傳播，作用到堤防之后，堤防的能量逐漸增加。當(dāng)沖擊波首先作用于冰體再作用于堤防時，堤防的內(nèi)能和動能在很短的時間內(nèi)迅速增加，這也符合炸藥爆炸時候瞬時、急促的特點(diǎn)。堤防的沙漏能很小，可以忽略不計，因此也可以認(rèn)為此模擬過程的結(jié)果是合理的。

4 結(jié)語

利用LS-DYNA軟件對不同炸點(diǎn)距離的情形下進(jìn)行了建模分析，對炸藥在冰下爆炸進(jìn)行了定性分析，得出當(dāng)炸藥在冰下爆炸，炸點(diǎn)距離堤防為16 m時對堤防不會造成過大影響；本文為以后進(jìn)行破冰排凌時的安全范圍提供了參照，也為防凌減災(zāi)和破冰器材研發(fā)提供了一定的參考。

[1] 可素娟，王 敏，饒素秋，等.黃河冰凌研究[M].鄭州：黃河水利出版社，2002：97-104.

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

[3] 孟聞遠(yuǎn)，張 蕊，王俊峰.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，2012，33(2)：50-52.

[4] 趙海鷗.LS-DYNA動力分析指南[M].北京:兵工工業(yè)出版社,2003.

[5] 白金澤.LS-DYNA3D理論基礎(chǔ)與實(shí)例分析[M].北京:科學(xué)出版社，2005.

Finiteelementanalysisofblastingicebreakingtoembankment

ZhaoXuxinXueSongPingYuan

(NorthChinaUniversityofWaterResourcesandElectricPower,Zhengzhou450045,China)

In the earth rejuvention season, the Yellow River is thawed let to large pieces of ice down prone to “Wu Kai” River. In this time, the melting ice flood disasters occurred, such as ice jam and ice dam, which influence along the Yellow River people’s production and life. This essay by ANSYS/LS-DYNA. The influence of the explosion on the embankment was studied under same explosive load and different explosive distance, and obtained the stress curve. Through the analysis of the results, the safe distance of explosive under ice and in ice are obtained respectively.

ice breaking, finite element, dike, subglacial explosion technology

1009-6825(2017)29-0207-02

2017-08-04

趙緒新(1991- )，男，在讀碩士； 薛 松(1993- )，男，在讀碩士； 平 源(1990- )，男，在讀碩士

TV875

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