基于ANSYS/LS-DYNA水下鉆孔爆破數(shù)值模擬

劉兵兵， 季日臣*， 呂生璽

(1.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 蘭州 730070； 2.甘肅省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司， 蘭州 730000)

隨著時代步伐的加快，爆破工程技術(shù)發(fā)展的腳步也在不斷提升。目前，中國用于水下爆破最有效的方法是水下鉆孔爆破技術(shù)，廣泛運(yùn)用于港口工程建設(shè)、航道的疏浚、水下建(構(gòu))筑物的拆除及清障等[1]。在水下爆破技術(shù)中，炮孔堵塞材料和起爆方式是決定爆破效果的重要因素。由于起爆方式的不同，爆轟波沿著裝藥軸線傳播的時間不同，從而將對爆炸應(yīng)力特征產(chǎn)生一定的影響，表現(xiàn)為巖石爆破之后產(chǎn)生的應(yīng)力波的大小和傳播方向不同，引起的振動響應(yīng)也有所不同[2]。對于炮孔堵塞，其作用主要有兩方面內(nèi)容：①保證炮孔內(nèi)炸藥能夠充分反應(yīng)，將炸藥化學(xué)能以最大程度轉(zhuǎn)化為機(jī)械能；②提高炸藥的熱效率，將更多的熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，提高炸藥能量的利用率[3]。所以選用合適的堵塞材料就能夠降低炸藥用量，有效提高爆破效果。無論是對起爆方式的研究還是對堵塞材料的研究，目前中外大多是基于露天爆破下對起爆方式和堵塞材料的模擬研究，對于該條件下水下鉆孔爆破的模擬研究相對較少。高明濤等[4]運(yùn)用ANSYS/LS-DYNA對水下鉆孔爆破產(chǎn)生的地震動水壓力和沖擊波的傳播規(guī)律進(jìn)行了分析研究。王勁翔等[5]針對傳統(tǒng)炮泥封堵易發(fā)生“沖孔”的問題，提出了以水泥漿為封堵材料,并經(jīng)理論計(jì)算、數(shù)值模擬及現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)對其合理封堵長度進(jìn)行了研究。李洪偉等[6]認(rèn)為采用不同起爆方式對巖石柱狀裝藥爆破作用的影響較大，反向起爆較于正向起爆和雙向起爆效果更佳。孟慶山等[7]模擬研究了珊瑚礁灰?guī)r在三種水深情況下的單孔爆破試驗(yàn)，結(jié)果表明珊瑚礁灰?guī)r的表觀裂紋的數(shù)量、寬度以及爆破塊度會隨著水深的變化而變化，且符合Swebrec 分布函數(shù)。

雖然在應(yīng)用不同堵塞材料或者不同起爆方式作用下巖石鉆孔爆破的研究已取得一些成果，但同時考慮不同起爆方式和堵塞材料作用下對于水下鉆孔爆破效果的研究相對較少,且該領(lǐng)域內(nèi)的研究大多基于對實(shí)際工程的總結(jié)與分析，在理論研究及數(shù)值模擬技術(shù)等方面的研究提供的參考仍然有限?，F(xiàn)運(yùn)用ANSYS/LS-DYNA顯示動力分析軟件，結(jié)合不同堵塞材料研究水下巖體單點(diǎn)與多點(diǎn)起爆對炸藥能量的利用及巖石破碎情況進(jìn)行數(shù)值模擬，得出在該條件下對巖石爆破效果的影響。

1 數(shù)值模擬技術(shù)

1.1 計(jì)算軟件的選取

近年來，利用數(shù)值模擬技術(shù)在爆破工程中取得了很多成果，建立了一些有效的數(shù)值模型，在實(shí)際工程中發(fā)揮了非常重要的作用[8]。ANSYS/LS-DYNA擁有目前世界上分析功能最齊全的顯式動力分析程序包，可以利用ANSYS的仿真分析環(huán)境進(jìn)行模型的建立，還可以利用ANSYS/LS-DYNA自帶求解器(LS-DYNA SOLVER)進(jìn)行K文件的求解，其中后處理模塊可以運(yùn)用專門為有限元動力仿真求解器LS-DYNA開發(fā)的后處理軟件LS-Prepost進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。在爆炸分析模塊，ANSYS/LS-DYNA不但能夠提供相應(yīng)的炸藥材料模型和狀態(tài)方程，還可以夠模擬沖擊波的傳播過程和結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)響應(yīng)過程[9]。因此，本文中將選取ANSYS/LS-DYNA進(jìn)行模擬研究。

1.2 軟件模擬過程

(1)模型建立：主要包括單元類型的選擇、材料屬性的定義、建立模型、網(wǎng)格劃分、創(chuàng)建part、定義(對稱)約束及(無反射)邊界條件、能量設(shè)置、求解時間控制和輸出K文件。

(2)修改K文件：在LS-Prepost中打開K文件，進(jìn)行K文件的修改。主要包括材料、狀態(tài)方程、單元算法、起爆初始條件、流固耦合等K文件的修改。

(3)求解：將修改好的K文件重新保存，并導(dǎo)入ANSYS/LS-DYNA求解器中求解，求解完成后將結(jié)果文件保存，用來記錄應(yīng)力、速度、加速度和變形情況以及繪制各種云圖[10]。

(4)結(jié)果后處理查看：利用LS-Prepost后處理軟件打開結(jié)果文件中的D3plot進(jìn)行求解結(jié)果的查看。

2 模型建立

2.1 模型物理參數(shù)

若基于真實(shí)爆破情況，應(yīng)考慮巖體本身屬性、紋理、裂隙、斷層、周邊條件等多項(xiàng)因素的干擾，但實(shí)際分析過程不可能同時考慮到這些因素[11]。因此，在數(shù)值模擬過程中只需研究影響爆破效能的主導(dǎo)因素即可。因而將對本模型作如下假定與取值。

(1)水深取3 m，且只考慮水重的影響。

(2)所有材料單元均為實(shí)體單元SOLID164。

(3)為減少計(jì)算量，本文選用1/4對稱模型進(jìn)行模擬分析，正面和右面為對稱面，設(shè)為對稱邊界，施加對稱法向約束。

(4)將模型左、后和下邊界設(shè)為無反射邊界條件以模擬無限巖體和無限水域[10]，水面為自由面。

(5)數(shù)值模擬單位采用cm-g-μs進(jìn)行計(jì)算。

(6)考慮到整個爆破擴(kuò)展持續(xù)時間，本文中模型求解時間設(shè)為2 000 μs。

模型中水體尺寸：500 cm×100 cm×300 cm(長×寬×高)，巖體尺寸：500 cm×100 cm×400 cm；炮孔為高300 cm，直徑10 cm的長方體。模擬時采用連續(xù)裝藥，上部堵塞段50 cm，炸藥裝填深度為250 cm。

2.2 材料參數(shù)及算法

本文中主要材料有：巖石、炸藥、水和炮泥。其中巖石和泡泥采用Lagrange算法，炸藥和水采用ALE算法。模型計(jì)算采用多物質(zhì)ALE流固耦合算法，使得網(wǎng)格不致出現(xiàn)嚴(yán)重的畸變[12]。

在本模型中巖體和炮泥均采用各向同性雙線性彈塑性模型(*MAT_PLASTIC_KINEMATIC)，主要參數(shù)[13]見表1。

表1 巖石材料參數(shù)Table 1 Rock material parameters

炸藥參數(shù)采用乳化炸藥參數(shù)，模型為高能炸藥材料模型(*MAT_HIGH_EX-PLOSIVE_BURN)，狀態(tài)方程用JWL (Jone-Wilkins-Lee)物態(tài)方程[14]進(jìn)行描述，狀態(tài)方程表達(dá)式[15]為

(1)

式(1)中：E0為初始內(nèi)能密度；P為壓力；V為相對體積；A、B、R1、R2、ω均為材料常數(shù)。炸藥材料及狀態(tài)方程參數(shù)[13]見表2。

表2 炸藥材料及狀態(tài)方程參數(shù)Table 2 Explosive materials and state equation parameters

水材料模型用ANSYS/LS-DYNA自帶的材料本構(gòu)模型(*MAT_NULL)，狀態(tài)方程用Gruneisen進(jìn)行描述[16]為

(γ0+αμ)E0

(2)

式(2)中：ρ0為材料初始密度；C為剪切-壓縮波速曲線截距；μ為動力黏滯系數(shù)，μ=ρ/ρ0-1；γ0為常數(shù)；α為體積修正量；S1、S2、S3為常數(shù)。水材料及狀態(tài)方程參數(shù)見表3。

表3 水材料及狀態(tài)方程參數(shù)Table 3 Water material and state equation parameters

2.3 計(jì)算工況

本文中討論在同一水深條件下，不同堵塞材料及不同起爆點(diǎn)作用下水下巖石爆破數(shù)值模擬，分為以下3種工況6種情況進(jìn)行模擬，模型示意圖如圖1所示。

圖1 模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of the model

工況一：炸藥中心起爆(水和炮泥堵塞)；

工況二：炸藥兩端同時起爆(水和炮泥堵塞)；

工況三：炸藥頂端、中心和底端同時起爆(水和炮泥堵塞)。

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 平行炮軸線單元應(yīng)力分析

分別在近堵塞段、裝藥段中部、裝藥段底部選取1325號、590號和2號單元，在巖-水接觸面選取1435號單元，其具體位置如圖2所示。分析在3種起爆方式下水和炮泥堵塞時1325號、590號和2號單元的壓力時程曲線圖，如圖2所示。

圖2 爆破取樣點(diǎn)位置示意圖Fig.2 Schematic diagram of the location of blasting sampling points

如圖3所示，對于中心起爆，水材料堵塞下A單元在418 μs達(dá)到拉應(yīng)力峰值535 MPa，B單元在159 μs達(dá)到拉應(yīng)力峰值135 MPa，C單元在376 μs達(dá)到拉應(yīng)力峰值445 MPa；炮泥堵塞下A單元在418 μs達(dá)到拉應(yīng)力峰值619 MPa，B單元在159 μs達(dá)到拉應(yīng)力峰值135 MPa，C單元在376 μs達(dá)到拉應(yīng)力峰值445 MPa。可以看出，中心起爆條件下，在堵塞段附近，炮泥堵塞對于巖石的爆破效果更佳。

圖3 中心起爆各單元壓力時程曲線圖Fig.3 Pressure time history curve diagram of each unit of central detonation

如圖4所示，對于兩端同時起爆，水材料堵塞下A單元在674 μs達(dá)到拉應(yīng)力峰值236 MPa，B單元在374 μs達(dá)到拉應(yīng)力峰值878 MPa，C單元在619 μs達(dá)到拉應(yīng)力峰值206 MPa；炮泥堵塞下A單元在674 μs達(dá)到拉應(yīng)力峰值201 MPa，B單元在374 μs達(dá)到拉應(yīng)力峰值881 MPa，C單元在609 μs達(dá)到拉應(yīng)力峰值204 MPa?？梢钥闯?，兩端起爆條件下，各單元拉應(yīng)力峰值基本一致，堵塞段附近水封條件下爆破效果稍佳，其他部位水堵塞與炮泥堵塞條件下爆破效果基本相同。

圖4 炸藥兩端同時起爆各單元壓力時程曲線圖Fig.4 The pressure time history curve of each unit initiating the explosive at both ends simultaneously

如圖5所示，對于三點(diǎn)同時起爆，水材料堵塞下A單元在407 μs達(dá)到拉應(yīng)力峰值187 MPa，B單元在353 μs達(dá)到拉應(yīng)力峰值513 MPa，C單元在342 μs達(dá)到拉應(yīng)力峰值260 MPa；炮泥堵塞下A單元在407 μs達(dá)到拉應(yīng)力峰值213 MPa，B單元在353 μs達(dá)到拉應(yīng)力峰值514 MPa，C單元在342 μs達(dá)到拉應(yīng)力峰值260 MPa?？梢钥闯觯c(diǎn)同時起爆條件下，各單元拉應(yīng)力峰值差距不大，堵塞段附近炮泥堵塞條件下爆破效果稍佳，其他部位水堵塞與炮泥堵塞條件下爆破效果基本相同。

如圖3～圖5所示，在同一堵塞材料作用下，相對于兩端起爆和三點(diǎn)起爆，炸藥中心起爆對巖石的爆破效果更佳。但在炸藥中心附近巖石，由于應(yīng)力波的疊加作用，兩端起爆和三點(diǎn)起爆爆破效果明顯比中心起爆效果更好。

圖5 三點(diǎn)同時起爆各單元壓力時程曲線圖Fig.5 Three-point simultaneous detonation pressure time history curve of each unit

3.2 節(jié)點(diǎn)速度分析

為分析考慮水體作用下巖石爆破后波速的變化情況，在炸藥上部巖-水接觸面分別取8305號、8312和8319號節(jié)點(diǎn)，其具體位置如圖6所示。分析在三種起爆方式下(水和炮泥堵塞)各點(diǎn)的速度時程曲線圖，如圖7～圖9所示。

圖6 取樣節(jié)點(diǎn)位置示意圖Fig.6 Schematic diagram of sampling node location

如圖7所示，炸藥中心起爆，水材料堵塞下A、B、C三點(diǎn)速度峰值分別為36.9、14.4、7.77 m/s；炮泥材料堵塞下A、B、C三點(diǎn)速度峰值分別為45.5、15.2、7.77 m/s，說明在炮泥堵塞下，炸藥能量更能夠充分反應(yīng)，提高了能量利用率。

圖7 中心起爆各點(diǎn)速度時程曲線圖Fig.7 Time history curve of velocity at each point of central detonation

如圖8所示，炸藥兩端同時起爆，水材料堵塞下A、B、C三點(diǎn)速度峰值分別為20.8、15.0、11.7 m/s；炮泥材料堵塞下A、B、C三點(diǎn)速度峰值分別為21.3、15.1、11.2 m/s。說明兩端同時起爆下，水材料堵塞比炮泥堵塞作用下對炸藥能量的利用略有優(yōu)勢。

圖8 炸藥兩端同時起爆各點(diǎn)速度時程曲線圖Fig.8 Time-history curve of velocity at each point of explosive detonation at both ends simultaneously

如圖9所示，三點(diǎn)同時起爆，水材料堵塞下A、B、C三點(diǎn)速度峰值分別為18.3、12.8、7.86 m/s；炮泥材料堵塞下A、B、C三點(diǎn)速度峰值分別為21.1、12.4、7.73 m/s。說明三點(diǎn)同時起爆下，炮泥堵塞作用下炸藥能量利用效果稍優(yōu)于水材料堵塞。

圖9 三點(diǎn)同時起爆各點(diǎn)速度時程曲線圖Fig.9 Three-point simultaneous detonation speed time history curve diagram of each point

由圖7～圖9可知，在同一堵塞材料下，中心起爆振動速度峰值大于兩端起爆和三點(diǎn)起爆，且隨著距離炮孔距離的增大不斷衰減，最終慢慢趨于一致。說明在同一堵塞材料堵塞下，整體情況中心起爆對炸藥能量的利用較兩端起爆和三點(diǎn)起爆更為充分。

3.3 藥包上側(cè)巖-水接觸面單元應(yīng)力分析

選取藥包上側(cè)巖-水接觸面1435號單元分析其豎向應(yīng)力變化情況。具體位置如圖1所示。

圖10所示曲線圖分別為在水封條件和炮泥堵塞條件下三種起爆方式時藥包上側(cè)巖體和水體交接處單元的應(yīng)力時間曲線圖，在爆破過程中，巖體的受力首先從壓縮變?yōu)槔?，然后又從拉伸變?yōu)閴嚎s狀態(tài)，又轉(zhuǎn)變成為拉伸狀態(tài)，最后一直在一個相對穩(wěn)定的數(shù)值上下波動。起始狀態(tài)的壓縮應(yīng)力波在傳播至巖-水交接面時，由于水體的作用產(chǎn)生了反射應(yīng)力波，從而使得藥包上方局部區(qū)域巖體內(nèi)的應(yīng)力狀況產(chǎn)生較大變化，較大程度提升了巖體的破壞程度。

如圖10可知，在水材料和炮泥堵塞情況下，前期中心起爆和三點(diǎn)起爆使得巖體爆破產(chǎn)生的應(yīng)力波動較大，但在整個爆破過程中，兩端起爆使得巖體爆破產(chǎn)生的應(yīng)力擾動較為均勻，且持續(xù)性強(qiáng)，因而整體爆破效果好。

圖10 藥包上側(cè)巖-水接觸面單元應(yīng)力時間歷時曲線圖Fig.10 Stress time duration curve of the upper side rock-water contact surface of the medicine packet

4 結(jié)論

(1)在同一起爆方式下，不同堵塞材料對水下巖體爆破效果不同，而且不同部位其爆破效果也有差異。而在同一堵塞材料作用下，相對于兩端起爆和三點(diǎn)起爆，炸藥中心起爆對巖石的爆破效果更佳。

(2)在不同起爆方式、不同堵塞材下巖石爆破對炸藥的能量利用情況不同。炸藥中心起爆和三點(diǎn)起爆，炮泥堵塞具有較高的爆炸能量利用率；兩端起爆，水材料堵塞對炸藥能量的利用率較高。

(3)在巖-水接觸面位置，水材料和炮泥材料對于巖石的爆破效果的影響并不明顯，兩種堵塞方式下兩端起爆相對于巖石的爆破效果更好。