數(shù)值模擬在鋼質(zhì)采砂船解體爆破中的應(yīng)用

雷 戰(zhàn)，王林俊，李洪偉,2，江向陽,2，劉 偉,2，桂繼昌，葉家明

(1.安徽理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.安徽省爆破器材與技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001；3.淮南市公安局，安徽 淮南 232001)

拆除爆破是在清除二戰(zhàn)遺留建筑物的背景下興起的，并廣泛應(yīng)用于城市構(gòu)筑物的拆除[1]。隨著我國拆除爆破技術(shù)的發(fā)展，拆除爆破的難度及規(guī)模不斷增加，對(duì)于安全、環(huán)保等方面的要求愈加嚴(yán)格，致使以經(jīng)驗(yàn)公式為主的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案難以解決。而隨著數(shù)值計(jì)算和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬在拆除爆破領(lǐng)域逐漸得到了應(yīng)用，為拆除爆破工程設(shè)計(jì)和參數(shù)優(yōu)化提供了參考依據(jù)[2-3]。針對(duì)金屬鋼板在爆炸載荷作用下的沖擊破壞效應(yīng)問題，陳小翠等[4]基于有限元FEAP軟件，采用混合有限元方法，對(duì)金屬在高應(yīng)變率載荷作用下的局部變形問題進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)剪切帶形成過程中的熱擴(kuò)散項(xiàng)與塑性變形產(chǎn)生的熱能量級(jí)相同；周睿等[5]研究了金屬矩形板在條狀爆炸載荷局部作用下的斷裂效應(yīng)，得到了靶板達(dá)到臨界斷裂點(diǎn)時(shí)所需的沖量準(zhǔn)則，并根據(jù)該沖量計(jì)算式，計(jì)算出了靶板在達(dá)到不同斷裂毀傷等級(jí)時(shí)所需裝藥量；R.J.Curry等[6]研究了在炸藥近距離爆炸產(chǎn)生的空氣爆炸載荷作用下鋼板的瞬態(tài)變形和應(yīng)變演化規(guī)律；G.N.Nurick等[7]研究了圓形鋼板在不同形狀、不同尺寸、不同裝藥量下的塑膠炸藥爆炸載荷作用下的響應(yīng)過程，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果建立了爆炸沖擊波的形狀和強(qiáng)度分析方法。劉飛等[8]利用于AutoDyn軟件模擬了鋼板局部接觸爆炸破片的形成過程，并分析了鋼板破壞的主要特征。以上工作為金屬鋼板在爆炸沖擊載荷作用下的破壞效應(yīng)問題提供了重要參考價(jià)值，但目前針對(duì)鋼板結(jié)構(gòu)在不同介質(zhì)環(huán)境下受到接觸爆炸沖擊載荷時(shí)的破壞效應(yīng)在國內(nèi)鮮見報(bào)道。

本文介紹了基于ANSYS/LS-DYNA軟件，采用Euler-Lagrange耦合算法[9]對(duì)鋼質(zhì)采砂船的鋼板處于不同介質(zhì)環(huán)境時(shí)，在炸藥外接觸爆炸載荷作用下的變形情況和破壞過程進(jìn)行數(shù)值模擬的結(jié)果，并以其模擬結(jié)果作為鋼質(zhì)采砂船解體爆破方案的設(shè)計(jì)依據(jù)。

1 模型建立

1.1 模型參數(shù)與狀態(tài)方程

1)炸藥。在ANSYS/LS-DYNA中選用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料[10-11]定義炸藥爆轟模型，同時(shí)選用JWL狀態(tài)方程，具體表述為

(1)

式中：p為爆轟產(chǎn)物系統(tǒng)內(nèi)的壓力；V為爆轟產(chǎn)物相對(duì)體積；E0為爆轟產(chǎn)物初始比內(nèi)能；A、B、R1、R2和ω為與材料有關(guān)的常數(shù)。

炸藥C-J參數(shù)和JWL狀態(tài)方程參數(shù)取值為：炸藥密度ρ=1 100 kg/m3，爆速D=4 000 m/s，爆轟壓力pCJ=4.4 GPa，A=374 GPa，B=3.23 GPa，R1=4.2，R2=0.95，ω=0.3。

2)鋼板。選用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC材料模型[12-13]，具體參數(shù)取值為：鋼板密度ρ=7 800 kg/m3，彈性模量E=200 GPa，泊松比μ=0.30，屈服應(yīng)力σ=340 MPa，硬化參數(shù)C=0。

3)空氣。采用MAT-NULL模型[14]，狀態(tài)方程為線性多項(xiàng)式，具體表述為

p=C0+C1μ+C2μ2+C3μ3+(C4+C5μ+C6μ2)E

(2)

4)水。采用MAT-NULL模型[15-16]，狀態(tài)方程為GRUNEISEN，具體表述為

p=(γ0+αμ)E+

(3)

式中：C為vs-vp曲線的截距；S1、S2、S3為vs-vp曲線的系數(shù)；γ0為格呂奈森伽馬值；α為γ0的第一階體積修正值。

1.2 計(jì)算模型

鋼板結(jié)構(gòu)爆轟物理模型包括炸藥、空氣、水和鋼板(見圖1)?？紤]到模型對(duì)稱性及計(jì)算量的大小，建立1/2模型，在對(duì)稱面節(jié)點(diǎn)上施加對(duì)稱約束?？傮w模型長200 cm，寬100 cm，高51 cm，其中炸藥尺寸為長100 cm，寬7 cm，高7 cm；鋼板長200 cm，寬100 cm，厚1 cm；鋼板上方高度為30 cm，下方高度為20 cm。

圖1 計(jì)算模型Fig.1 Computational model

炸藥在鋼板接觸表面爆炸時(shí)，將產(chǎn)生大量高溫、高壓的爆轟氣態(tài)產(chǎn)物，導(dǎo)致鋼板產(chǎn)生大變形甚至穿透。根據(jù)此特性，采用多物質(zhì)Euler材料與Lagrange結(jié)構(gòu)相耦合算法，將炸藥和空氣定義為Euler網(wǎng)格，鋼板為Lagrange網(wǎng)格。模型采用映射網(wǎng)格劃分，共劃分1 020 000 個(gè)單元網(wǎng)格，并采用g-cm-s單位制，計(jì)算時(shí)間為300s，起爆點(diǎn)設(shè)置在鋼板中心。選擇SOLID164六面實(shí)體單元，分別對(duì)炸藥、空氣(水)及鋼板進(jìn)行網(wǎng)格劃分(見圖2)。

炸藥 鋼板 水或空氣圖2 有限元計(jì)算網(wǎng)格劃分Fig.2 Mesh generation of finite element calculation

2 模擬結(jié)果及分析

根據(jù)采砂船鋼板結(jié)構(gòu)處在空氣或者水環(huán)境下的特點(diǎn)，利用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)鋼板下表面在水中，上表面和炸藥在空氣中與炸藥、鋼板均在水中的2種情形進(jìn)行模擬。

1)工況一。當(dāng)鋼板下表面在水中，上表面和炸藥在空氣中時(shí)，炸藥對(duì)鋼板的破壞作用過程如圖3所示。

圖3 鋼板破壞應(yīng)力云圖Fig.3 Failure stress cloud diagram of steel plate

從圖3不同時(shí)刻應(yīng)力云圖變化過程可以看出，炸藥爆炸后，鋼板在爆炸載荷沖擊作用下發(fā)生塌落變形。在給定藥量下鋼板被擊穿并出現(xiàn)裂縫，當(dāng)鋼板因破壞產(chǎn)生的裂縫寬度達(dá)7 cm時(shí)，裂縫寬度不再增加，隨著炸藥爆轟反應(yīng)的繼續(xù)推進(jìn)，裂縫在鋼板上繼續(xù)產(chǎn)生，在240s時(shí)裂縫貫穿整個(gè)鋼板，鋼板最終破壞尺寸為200 cm×7 cm。

2)工況二。炸藥和鋼板均在水中時(shí)，炸藥對(duì)鋼板的破壞作用過程如圖4所示，炸藥爆炸后，鋼板在給定藥量下被擊穿并出現(xiàn)孔洞和裂縫，隨著炸藥爆轟反應(yīng)的繼續(xù)推進(jìn)，鋼板破壞寬度前期呈現(xiàn)階梯式，最小破壞寬度為12 cm，在后期鋼板出現(xiàn)“倒刺”形，最大破壞寬度可達(dá)36 cm。

圖4 鋼板破壞應(yīng)力云圖Fig.4 Failure stress cloud diagram of steel plate

結(jié)合圖3和圖4模擬結(jié)果可知，相對(duì)于炸藥在空氣介質(zhì)中的情形，炸藥在水介質(zhì)中爆炸后，爆炸應(yīng)力波衰減速度慢，對(duì)鋼板作用時(shí)間較長，從而導(dǎo)致鋼板破壞過程歷時(shí)長[17-18]，破壞范圍大，這是因?yàn)樗遣豢蓧嚎s介質(zhì)，且其密度遠(yuǎn)大于空氣。炸藥在水中爆炸時(shí)，除了在水中產(chǎn)生沖擊波作用在鋼板上外，炸藥和鋼板接觸爆炸時(shí)也會(huì)在鋼板內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力波并傳播[19]，正是由于各種復(fù)雜應(yīng)力波的相互疊加作用，導(dǎo)致了2種情形下鋼板破壞過程的差異。

3 工程實(shí)踐

3.1 工程概況

根據(jù)要求將1艘處在淮河水域的鋼質(zhì)采砂船進(jìn)行解體爆破，該采砂船船體長約45 m，寬約9 m，主體高約4 m；整個(gè)船主體由1.0 cm厚的鋼板焊接加工而成，船體兩側(cè)有支撐鋼架、采砂設(shè)備，中間為發(fā)動(dòng)機(jī)艙及操作間，部分船體表面鋼板被水淹沒。該船所在水域北側(cè)1 000 m內(nèi)均為農(nóng)田，南岸500 m內(nèi)為濕地，爆破點(diǎn)距離大壩700 m，東西兩側(cè)均為河道，周圍環(huán)境如圖5所示。

圖5 周圍環(huán)境Fig.5 Surrounding environment

3.2 爆破方案

在利用ANSYS/LS-DYNA軟件，模擬鋼板在不同介質(zhì)條件下爆炸破壞過程的基礎(chǔ)上，制定爆破方案。

1)藥包布置。在對(duì)采砂船船體結(jié)構(gòu)受力分析的基礎(chǔ)上，按如圖6所示布置藥包，并將藥包設(shè)計(jì)為條形藥包。

注：1～5為條形藥包序號(hào)；藥包1、2、3按照工況二布置，藥包4、5按照工況一布置。圖6 藥包布置Fig.6 Explosive charges layout

2)藥包質(zhì)量及藥包間距。根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果以及充分考慮該鋼質(zhì)采砂船船體較長、具有多個(gè)隔艙的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和爆破環(huán)境情況，將藥包間距設(shè)置為10 m。使用2號(hào)巖石乳化炸藥，單個(gè)條形藥包質(zhì)量為50 kg，鋪放在采砂船船體鋼板上，藥包上覆蓋沙袋。

3)起爆網(wǎng)路。采用非電導(dǎo)爆管起爆網(wǎng)路，每個(gè)條形藥包使用4發(fā)導(dǎo)爆管雷管進(jìn)行起爆，各個(gè)條形藥包內(nèi)的導(dǎo)爆管雷管采用簇聯(lián)方式連接，條形藥包之間采用復(fù)式起爆網(wǎng)路。

3.3 爆破安全設(shè)計(jì)

1)空氣沖擊波。本次爆破主要是裸露藥包爆破，必須考慮沖擊波危害的影響?？筛鶕?jù)《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2014)[20]的超壓計(jì)算公式，核算周邊保護(hù)對(duì)象所承受的空氣沖擊波超壓值，來確定相應(yīng)的安全允許距離。

(4)

式中：ΔP為空氣沖擊波超壓，Pa；Q為一次爆破梯恩梯當(dāng)量炸藥，kg；R為爆源至保護(hù)對(duì)象間的距離，m。

因?yàn)榇舜问鼙茮_擊波影響的是人員，所以根據(jù)對(duì)不設(shè)防護(hù)的非作業(yè)人員所允許最大空氣沖擊波超壓為0.02×105Pa[20]的超壓來計(jì)算安全允許距離，經(jīng)計(jì)算，安全距離為360 m。

2)水中沖擊波。由于是河流航內(nèi)爆破，需要考慮水下爆炸沖擊波危害的影響。根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2014)[20]規(guī)定，在炸藥量 200 kg≤Q≤1 000 kg時(shí)，施工船舶的水中沖擊波安全允許距離為150 m。

經(jīng)過空氣沖擊波和水中沖擊波的安全距離計(jì)算，為了保證人員的安全，所有人員和船只距離爆破點(diǎn)1 000 m以外。

3.4 爆破效果及討論

爆破后，鋼質(zhì)采砂船體被充分拆除解體，達(dá)到了預(yù)期爆破效果(見圖7)。

圖7 爆破解體效果Fig.7 Blasting breaking effect

數(shù)值模擬結(jié)果表明，在條形藥包爆炸作用下，鋼板能夠被擊穿，且模擬結(jié)果反映出了鋼板在2種工況下的破壞狀態(tài)和破壞范圍，對(duì)于指導(dǎo)鋼質(zhì)采砂船解體爆破方案設(shè)計(jì)具有重要意義(主要體現(xiàn)在采砂船解體爆破藥量控制和藥包布置形態(tài)上)，能夠?yàn)楣こ虒?shí)踐提供有效參考。

但基于ANSYS/LS-DYNA軟件采用ALE的數(shù)值模擬的方法在模擬船體鋼板破裂時(shí)，鋼板飛片的速度及距離難以確定，必須依賴現(xiàn)有的經(jīng)驗(yàn)公式推算，這是數(shù)值模擬的不足之處。

4 結(jié)論

1)實(shí)踐證明Euler-Lagrange耦合算法能夠較準(zhǔn)確的模擬出，鋼板在不同介質(zhì)環(huán)境下的爆炸破壞過程，模擬結(jié)果能夠用來指導(dǎo)設(shè)計(jì)鋼質(zhì)采砂船的解體爆破，為工程實(shí)踐提供有效參考。

2)數(shù)值模擬結(jié)果還表明，介質(zhì)(空氣和水)對(duì)炸藥鋼板接觸爆炸破壞效應(yīng)具有明顯影響。

3)炸藥在空氣中爆炸時(shí)與鋼板接觸處產(chǎn)生塌落和斷裂裂縫，但產(chǎn)生的破壞范圍有限，對(duì)接觸面以外部分影響不大。

4)炸藥在水中爆炸時(shí)與鋼板接觸處，不但產(chǎn)生孔洞和斷裂裂縫，在接觸面外還會(huì)產(chǎn)生不規(guī)則形狀的“倒刺”，破壞范圍較大，破壞效果較好。