水下爆破破冰机理的数值分析研究.pdf
第3 2 卷第3 期 爆破 V o l 3 2N o - 3 2 0 1 5 年9 月B L A S T I N GS e p .2 0 1 5 d o i 1 0 .3 9 6 3 /j .i s s n .1 0 0 1 4 8 7 X .2 0 1 5 .0 3 .0 2 7 水下爆破破冰机理的数值分析研究木 张忠和1 , 2 ,梁向前1 ,王树理2 1 .中国水利水电科学研究院,北京1 0 0 0 4 8 ;2 .中国地质大学,北京1 0 0 0 8 3 摘要以黄河包头磴口段爆破破冰试验为基础,采用L S - D Y N A 有限元软件模拟了水下爆破破冰过程,研 究冰层在爆破水压力作用下的破坏机理。根据现场试验条件,水深为4 .5m ,冰厚0 .5m ,1 0k g 的集中乳化 药包位于冰下1 .5m 处,同时考虑底部的淤泥的影响,建立了相应的模型进行数值计算。计算得出破坏后的 冰层可分为破碎,裂隙和震动三个区,其中冰层破碎区半径约为5 .5m ,与现场实测结果一致。研究表明水 下冲击波压力对冰层的破坏起主要作用。 关键词水下爆破;破冰机理;数值模拟;水中压力;冰层破坏区 中图分类号T V 5 4 .5文献标识码A文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 5 0 3 0 1 5 0 0 6 N u m e r i c a lS i m u l a t i o no fI c eB r e a k i n g M e c h a n i s mo fU n d e r w a t e rB l a s t i n g Z H A N GZ h o n g h e l 一,L I A N GX i a n g q i a n l ,W A N GS h u l i 2 1 .C h i n e s eI n s t i t u t eo fW a t e rR e s o u r c e sa n dH y d r o p o w e rR e s e a r c h ,B e i j i n g1 0 0 0 4 8 ,C h i n a ; 2 .C h i n aU n i v e r s i t yo fG e o s c i e n c e s ,B e i j i n g10 0 0 8 3 ,C h i n a A b s t r a c t T a k i n gi c eb l a s t i n gt e s to nt h eB a o t o uD e n g k o us e c t i o no fY e l l o wR i v e ra se x a m p l e ,t h ef i n i t ee l e m e n t s o f t w a r eL S D Y N Ai su s e dt os i m u l a t et h eb r e a k i n gp r o c e s so fi c el a y e ri nt h et e s tt os t u d yt h em e c h a n i s mo ft h ei c e l a y e rb r e a k i n gw i t hh i g hw a t e rp r e s s u r e .B a s e do nt h ef i e l dt e s t ,t h es l u d g ei n f l u e n c ei sc o n s i d e r e di nt h em o d e l ,w i t h 0 .5 mt h i c ki c el a y e ra n d4 .5mw a t e rd e p t h ,a n d1 0k ge m u l s i o na t1 .5mu n d e rt h ei c el a y e r .A st h er e s u l to fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ,b r o k e ni c el a y e rcanb ed i v i d e di n t ot h r e ep a r t s ,i n c l u d i n gp u l v e r i z e dz o n e ,f r a c t u r e dz o n ea n dv i b r a t i o nz o n e ,a n dt h er a d i u so fi c eh o l ei sa p p r o x i m a t e l y5 .5m ,e q u a lt ot h ea c h i e v e m e n to ff i e l dt e s t .A c c o r d i n gt h e s t u d y ,s h o c kw a v eo fb l a s tp l a y sr o l ei nt h ei c el a y e rb r e a k i n g . K e yw o r d s u n d e r w a t e rb l a s t i n g ;i c eb r e a k i n gm e c h a n i s m ;n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ;w a t e rp r e s s u r e ;i c ep u l v e r - ;z e dz o n e 凌汛是河道封冻后冰盖对水流约束增强产生阻 力而引起的江河水位明显上涨的水文现象,会造成 水位大幅抬高,最终漫滩或决堤。工程中,爆破法除 冰鉴于其方便施工的特点得到了广泛应用⋯。 收稿日期2 0 1 5 0 8 0 8 作者简介张忠和 1 9 9 2 一 ,男,汉族,安徽省六安市霍邱县人,硕 士,主要从事地质工程研究, E m a i l z h o n g h e c u g b y a h o o . c o m o 基金项目“十二五”国家科技支撑计划 2 0 1 1 B A K 0 9 8 0 2 ;国家自然 科学基金重点项目 5 1 3 3 9 0 0 6 ;中国水利水电科学研究 院科研专项 岩集1 3 0 8 上个世纪W i l s o n 等推导出了一维冲击波的水 动力理论的基本方程嵋1 。随后B R Y A N TAR 总结 了水下爆炸气泡的脉动和上浮理论旧1 。张晓君等 建立了一维冲击波- 浮体- 气穴理论模型,为空化效 应二次加载的研究提供了理论依据M 1 。2 0 世纪7 0 年代以来,随着计算机性能的大幅提升,S h i n 首次建 立一艘实船的三维有限元模型并对其在爆炸载荷作 用下的动态响应进行了数值模拟- 。如今利用的 数值方法研究爆破已经广泛地被爆破学者们采用, 许多商业软件例如A B A Q U S 、L S D Y N A 、D Y T R A N 等 万方数据 第3 2 卷第3 期张忠和,梁向前,王树理水下爆破破冰机理的数值分析研究 1 5 1 均建立了爆炸模块。 在水下爆破中,炸药在爆炸的过程中,在水中激 发了冲击波载荷,气泡脉动载荷MJ ,以及空化效应 产生二次加载,复杂的机理使得学者们难以获得准 确的解析解。冰体在高速应变率荷载的作用下呈现 脆性一J ,对于水下爆破通过水介质传递能量进而破 坏冰层的机理研究尚少,依据现场实验进行数值试 验,研究水下爆破除冰的机理。 水下爆炸载荷和冰体性质 1 .1 水下爆炸荷载 1 .1 .1 水下爆破冲击荷载 炸药在水介质中瞬时爆轰,在等容条件下转变 为高温高压的爆轰产物,炸药能量转变为爆轰产物 的内能并高速向外膨胀,由于爆轰波的初始压力非 常大,气球急速向外膨胀,压缩周围的水介质,在水 中形成冲击波。 1 .1 .2 水下爆破气泡脉动 水下爆炸气泡脉动在水下爆炸冲击波向外传播 的同时,高温高压的气球也在不断膨胀。在膨胀过 程中,气泡不断扩大,内部压力逐渐降低。当其内部 压力降低到周围水压的时候,由于此时气泡正在以 一定速度膨胀,出于惯性气泡将继续膨胀至最大半 径,此时气泡内部压力已经小于周围水压,气泡将在 周围水压的作用下开始收缩。气泡收缩过程中,其 内部压力又不断增大,当增大到与外界水压相等时, 气泡会在惯性的作用下继续收缩直至最小半径,再 膨胀时产生第二个波向外传播,如此循环往复旧1 。 1 .1 .3 空化效应 水下爆炸空化效应是由于冲击波到达结构表面 或自由表面产生反射波,反射波与人射波叠加之后, 水中的绝对压力降到空化极限压力之下而产生的局 部空化或片空化现象。空化区域在结构附近馈灭时 会对结构产生冲击,形成二次加载。 1 .2 高应变率下冰体的力学性能 1 .2 .1高应变率荷载下冰体表现脆性 S c h u l s o n 进行了冰的压缩试验研究,实验表明 高应变率下冰的力学性质和低应变率下的力学性质 很不一样,加载速率较快时 反映在应力历时较 短 ,应变和加载应力呈现线性,表现出弹性性 质一J ,随着应变率的提高,冰体的弹性模量趋于稳 定,呈现脆性破坏。沈梧等早在8 0 年代就已经通过 实验发现,在应变速率小于4 .0 1 0 。4S 。1 时,强度 随应变速率之增快而升高,表现为塑性变形及韧性 破坏形式,而大于此值时,呈现脆性破坏J 。 1 .2 .2 高应变率荷载下冰体的本构关系 自然淡水冰形成过程复杂,冰晶体在空间上没 有定向排列,故文中忽略冰体的各向异性。K e l l y 和 D a v i d 在研究中,采用M A T P L A S T I C I T Y C O M - P R E S S I O N T E N S I O N E O S 各向同性本构关系 材 料来模拟冰体进行数值分析,实验和数值结果比较 一致0 I 。T r i s h a 等人在研究中使用弹性本构关系 来模拟冰体1 | 。 论文中采用L S D Y N A 中的M A T E L A S T I C 材 料来模拟冰体。将K e l l y 材料参数中的屈服应力作 为断裂应力处理。考虑温度和尺寸效应,依据 W e i b u l l B O I O T I I H 脆性破坏统计理论和温度冰体强 度关系,对K e l l y 参数进行修正计算。 2 数值模型建立 对1 0k g 集中药包水下爆破破冰效果进行数值 模拟,对称面设置为对称边界,地面为固定边界,顶 面为自由边界,其他面设置为无反射边界,进而可以 使用1 /4 模型简化模型2 | ,单位制为s - g c m 。如 图1 所示。 幽l 有限兀模型 F i g .1 F i n i t em o d e l 自上而下依次为 空气层1 0 0c m 冰层5 0c m 水4 5 0c m 泥土1 0 0c m 炸药冰下1 5 0c m ,尺寸1 0c m 1 0c m 2 0c m 泥土层1 0 0c m 模型最重要的选项卡为A L E 和A L E M U L T I G R O U P 。采用单元失效法 A d dE r o s i o n 来模拟破 冰的破坏,当单元的应力或应变达到一定值时,将该 单元删除,这样可以清楚地看到冰体的孔洞与裂隙。 材料参数如表1 所示。 万方数据 1 5 2爆破2 0 1 5 年9 月 表1 材料本构模型及参数 T a b l e1M a t e r i a lc o n s t r u c t i v er e l a t i o na n dp a r a m e t e r s H I G H E X P L O S I V E M I D R O 密度D 水中波速 P C J C J 压力 炸药 11 .30 .5 1 60 .2 7 M I D R O 密度 P C 截断压力 N U L L21 .03 E 一6 水,空气,泥土 30 .0 0 1 2 90 4180 水下爆破过程复杂,炸药,水,空气和水下的泥 土均作为流体进行模拟,参数如表2 所示。流体在 体积作用下,其压力会出现变化。对于炸药产物和 空气等压缩性高的流体尤为明显。炸药爆轰过程中 压力和比容的关系使用J W L 状态方程模拟,如式 1 所示。 P A 1 一R j V I t 。l e - r , v B 1 一面O 9 y ,l e - R 2 V 丁O g E o 1 式中V 为比容;A ,B ,R ,,R 为方程参数;E 为初始 内能。 表2 材料状态方程 T a b l e2E O So fd i f f e r e n tm a t e r i a l 注释G R U N E I S E N 状态方程,c 为波速,s 为斜率,G A M A O 是材料参数,A 是修正系数; J W L 状态方程,A 、B 、R 1 、R 2 、O M E G 为状态方程参数;E O 为初始内能; L I N E R P O L Y N O M I A L 状态方程,c o ~c 6 为状态方程的参数。 3 数值模拟结果 3 .1 破冰效果分析 图2 为爆破破冰数值模拟图与现场爆破试验航 拍图。图2 a 为数值模拟的结果图,可以看到冰 洞,裂隙以及为发生未破坏的区域。图2 b 为现场 试验的航拍图,可以看到冰洞,冰渣。现场试验可以 清晰地观测到药包上方冰层的隆起,形成的冰洞半 径量测值约为5 .5 4m ,在冰洞周围有很多径向裂 隙,切向裂隙不发育,个别裂隙延伸较远,由于冰渣 覆盖以及温度低,很多裂隙很快消失。数值模拟中 冰洞半径约为5 .4 5 ~5 .7 0i n ,纵向裂隙发育,说明 数值模拟与现场试验比较符合,数值模拟中的模型, 边界条件,采用的材料等比较接近实际。 观察图2 ,将冰层爆破后的破冰范围分为三 部分 破碎区,0 ~5 .5m ,破碎形成冰洞,部分小块冰 体会被抛掷出去。 裂隙区,5 .5 9 .2I n ,径向裂隙发育,贯穿冰层。 弹性区,9 .2I n 以外,裂隙不发育。 3 .2 爆破水压力分析 水下爆破破冰,主要利用水介质传递炸药爆炸 的能量来达到冰层破碎的目的。水的基本特点是可 压缩性小,抗拉和抗剪强度很小。和空气相比水的 波阻更大,爆炸产物的膨胀速度更慢,应力波的传播 速度更快。在炸药爆炸瞬间,爆轰产物密度大于水 的密度,在炸药膨胀压缩水瞬间,在爆轰产物中形成 稀疏波。 图3 a 为炸药起爆后1 0 0 0I x s 时刻水压力云 图,从图中可以看到炸药的爆轰波在水中产生了很 万方数据 第3 2 卷第3 期张忠和,梁向前,王树理水下爆破破冰机理的数值分析研究 1 5 3 强的水击波,水击波向四周传播,其中第一个波峰很 强,而后的波峰较弱。图3 b 为1 9 0 0I x s 时刻的水 压力云图,向上传播的水击波冲击冰层,体层的发生 破坏,与此同时可以看到由于冰层的破坏,在已破坏 冰层出水面附近水击波压力发生了消散,与此同时 向下传播的水击波开始和淤泥发生接触。图3 c a 数值模拟冰洞图 a 1l e eh o l ei ns i m u l a t i 为3 8 0 0p .s 时刻水压力云图,向下传播的水击波反 射波开始返回,但强度已明显减弱,同时可以看见在 原炸药附近水域内存在不规则的水压力 气泡脉动 载荷 。图3 d 为5 8 0 0 斗s 时刻水压力云图,水底 反射波到达上部水面,由于重力和水粘度的影响,水 击波强度很低。 _ 1 现场试验冰洞图 I c eh o l ei nf i e l dt e s 图2 数值模拟与现场试验对比 F i g .2 C o n t r a s tb e t w e e ns i m u l a t i o na n df i e l dt e s t 图3 不同时刻水压力云图 F i g .3 P r e s s u r ec l o u dp i c t u r eo fw a t e r 图4 中曲线A 、B 、c 分别代表距离爆源2m 、 4m 、6m 处的水压力与时间关系曲线。曲线A 2m 处 初始水击波压力为3 0 7X1 0 5P a ,随后的二次水 击波压力为1 2 5X1 0 5P a ,而后继续减小,反射水击 波压力为5 0X1 0 5P a 。曲线B 4m 处 峰值压力 1 1 6 1 0 5P a ,曲线c 6m 处 峰值压力7 5 1 0 5P a 。 水中冲击波的第一个波峰强度很大,随后的波 峰强度较小,水底反射波的强度也明显减弱。随着 距爆源距离增大,爆炸产物的压力迅速减小,水击波 压力也迅速减小。这和理论以及工程中监测结果比 万方数据 爆破2 0 1 5 年9 月 较一致。由此不难判断,由于水的阻尼,泥土的阻 尼,以及介质面和地形的影响,非初始水击波与反射 波强度较弱,对冰起破坏主要作用的是初始水击波。 因此必须充分利用初始水击波的能量,这样才能达 到最好的破冰效果。 图4 水压力㈨’白j 盥线 F i g .4 P r e s s u r ec u r v eo fw a t e r 3 .3 冰层破坏分析 图5 显示了水下爆破破冰的数值模拟结果。图 5 a 为炸药起爆后1 0 0 0 s 时刻冰层的压力云图, 此时水击波刚到达冰层底部,冰层中出现了较强的 压应力,在冰层底部出现少量的压缩破坏;图5 b 为1 9 0 0t z s 时刻冰层的压力云图,水击波在冰层中 传播,可以看到在压缩去冰层未发生破坏,在拉张区 冰层发生破坏,随着稀疏波的传播,冰洞迅速扩展; 图5 C 为3 8 0 0t L s 时刻冰层压力云图,此时水击波 强度减弱,冰洞扩张缓慢,冰层中应力开始减弱,冰 层中的径向裂隙开始向外扩展;图5 d 为5 8 0 0I - L s 时刻冰层的压力云图,反射波到达冰面,冰面上的张 应力减弱,冰层的破坏主要冰层表面径向裂隙的发 展为主。 图5 不同时刻冰层应力云图 F i g .5 P r e s s u r ec l o u dp i c t u r eo fi c el a y e r 结合水压力分析,在水击波初始冲击冰层底部 时,只在炸药上方发生少量的冰体破坏。随后稀疏 波到达后,冰体迅速发生拉张破坏,随着稀疏波沿着 冰面的传播,冰洞随之扩大,此时由于水击波强度较 大,冰体呈现脆性,冰层主要以脆性破坏为主,几乎 未出现裂隙。在冰洞半径扩大至约5 .5m 时,水击 波强度降低,冰体呈现出断裂脆性,水沿着裂隙进一 步扩大裂缝,冰层主要以裂纹扩展破坏为主。在水 底反射波与冰层碰撞时,会继续增大裂纹的。随后 的水击波由于强度较低,几乎对冰层没有明显破坏 作用。 4 结论 应用L S D Y N A 软件模拟水下爆破破冰的冰体 万方数据 第3 2 卷第3 期 张忠和,梁向前,王树理水下爆破破冰机理的数值分析研究 1 5 5 破裂过程,计算结果和现场试验比较相符。得到如 [ 5 ] S H I NYS .S h i ps h o c km o d e l i n ga n ds i m u l a t i o nf o rf a r 一 下结论 f i e l du n d e r w a t e re x p l o s i o n [ J ] 。C o m p u t e r sa n dS t r u c t u r e s , 1 水下爆破破冰中,由于水击波压力冲击冰 2 0 0 4 ,8 2 2 2 1 1 - 2 2 1 9 层,此时冰体呈现脆性,在冰凌爆破中,冰体的本构 [ 6 ] 杨忠华,杨军,陈大勇混凝土拱座空心立柱水压爆 关系可选用弹性本构模戳 E 6 ] 篇芋黧慧,0 麓毗, 2 0 1 c 0 H E N , 2 7 4 咖 7 0 略- 7 3 s f u .d y o n 2 水下爆破破冰中,距离爆源愈远,水击波压 w 。t e rp 陀。。u 二b l t i n go f 二i 二№。d 眦h 二。t dh l l 。w 力愈小。破坏冰层主要取决于初始水击波的强度, p i l l 。,i nn u m 。r i c a l 。i m u l a t i o n [ J ] B l a s t i n g , 2 0 1 0 , 2 7 4 反射波在此过程中,主要是扩展裂纹作用。 7 0 - 7 3 . i nC h i n e s e 3 数值模拟将冰层破坏区分为破碎区、裂隙 [ 7 ] 沈悟,林树枝.渤海东部一年冰单轴压缩强度的应 区和弹性震动区三个区域破碎区,0 5 .5m ,破碎变速率敏感性[ J ] .大连工学院,1 9 8 4 ,2 3 4 4 5 4 9 . 形成冰洞,部分小块并体会被抛掷出去;裂隙区, [ 7 ] S H E NW u ,L I NS h u z h i .T h es t a i n r a t es e n s i t i v i t yo fs t r e n g t h 5 .5 ~9 .2I l l ,径向裂隙发育,贯穿冰层;弹性区, o fB o h a is e ao n e .y e a ri c eu n d e ru n a x i a lc o m p r e s s i o n 【J ] 9 .2m 以外,裂隙不发育。 E n g i n e e r i n gM e o h a n i c 8D e p a r t m e n to fD1T ,1 9 8 4 , 2 3 4 、.茸口竺登岈爆破法消除冰翼毫童未了苎氅仨要[。]翥搿j蒜≤技术[M].北京化学工业出版社,翻1i33t q _ 1 3 过程复杂,可川。L SD Y N A 有限元软件,对冰体的⋯。””1 ⋯”一~”⋯~”1 ⋯”“⋯一~~~ 破坏过程进行数值模拟。 [ 9 ] S C H U L S O NEM .B r i t t l ef a i l u r eo fi c e [ J ] .E n g i n e e r i n g 参考文献 R e f e r e n c e s [ 1 。] F K r a E c t L u L r e Y M s e ,亳s E Y , 2 ,0 。0 A 1 v , 6 I 。8 ,e 1 1 8 3 a 1 9 - .1 A 8 8 p h 7 .。n 。m 。n 。l 。g i c a l [ 1 ]夏长富.水下人工爆破冰凌技术研究[ JI .爆破,2 0 1 4 ,h i g h s t r a i n r a t em o d e lw i t hf a i l u r ef o ri c e [ J ] I n t e r n a 。 312126.130.tional J o u r n a lo fS o l i d sa n dS t r u c t u r e s ,2 0 0 6 ,4 3 7 8 2 0 ‘ [ 1 ] X I AC h a n g f u .R e s e a r c ha n dp r a c t i c eo fu n d e r w a t e ri c e 7 8 3 9 j a mb r e a k i n gb ym a n u a .1 - o p e r a t e d [ J ] .B 1 a s t i n g ,2 0 1 4 , [ 11 ] T R I S H AS a i n ,RN a r a s i m h a n - C o n s t i t u t i 。em o d e l i n go f 3 1 2 1 2 6 .1 3 0 . i nC h i I i .e s e i c ei nt h eh i g hs t r a i nr a t er e g i m e [ J ] .I n t e l 3 3 .a t i o n a lJ 。u 卜 E 2 ] K I S T I A K O W S K YGB ,W I L S O NEB ,H A L F O R DRS . n a lo fS o l i d sa n dS t r u c t u r e s ,2 0 1 1 ,4 8 8 1 7 8 2 7 . T h eh y d m d v n a m i et h e o r vo fd e t o n a t i o na n ds h o c kw a v e s [ 1 23 刘鑫.基于聚能随进技术的冰凌单点爆破数值模 『M ] .C o m p e n d i u mo nU n d e r w a t e rE x p l o s i o nR e s e a r c h , 拟与实验研究[ D ] .郑州华北水利水电大学,2 0 1 3 . 1 9 5 0 2 0 9 2 6 2 . [ 1 2 ] L I UX i n .B a s e dO i lt h et e c h n o l o g yo fs h a p e dc h a r g en u 一 [ 3 ] B R Y A N TA .R .T h eb e h a v i 。r 。fa nu n d e 删a t e re l p l o s i 。n m e r i c a ls i m u l a t i 。na n d e l p e r i m e n t r e s e a r c ho fs i n 出e b u b b l e fM ] .C o m p e n d i u mo nU n d e r w a t e rE x p l o s l ‘o nRepoint i c eb l a s t i n g [ D ] .Z h e n g z h o u N o r t hC h i n aU n i v e r s i search.1950163.183.ty o fW a t e rR e s o u r c e sa n dE l e c t r i cP o w e r ,2 0 1 3 i n [ 4 ]张晓君,杜志鹏,谢永和。舰船水下爆炸局部气穴效应 C h i n e s e 理论模型研究[ J ] .中国造船,2 0 1 2 ,5 3 2 1 2 2 1 2 9 . [ 1 3 ]宋锦泉.乳化炸药爆轰特性研究[ D ] 北京北京科技 [ 43 Z H A N GX i a o .i u n ,D UZ h i .p e n g ,X I EY o n g - h e .W a r s h i p 大学,2 0 0 0 1 2 0 1 3 6 . u n d e r w a t e re x p l o s i o np a n i a la v i t a t i o ne f i e c tt h e o r ym o d e l [ 13 ] S O N GJ i n g 。q u a n .R e s e a r c ho nd e t o n a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f [ J ] .c h i n e s eS h i p b u i l d i n g ,2 0 1 2 ,5 3 2 1 2 2 1 2 9 , i n e m u l s i o ne x p l o s i v e s [ D ] .B e i j i n g U n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n d ChineseTechnology B e i j i n g ,2 0 0 0 1 2 0 1 3 6 i nC h i n e S e 科技论文关键词使 用小知识 关键词是反映文章最主要内容的术语,对文献检索有重要作用。凡期刊文章的文献标识码为A 、B 、C 三 类者均应标注中文关键词,有英文摘要者应同时给出英文关键词。中、英文关键词应一一对应。一般每篇文 章可选3 8 个关键词,如有可能,尽量用汉语主题词表等词表提供的规范词;未被词表收录的新学科、新 技术中的重要术语以及文章题名中的人名、地名也可以作为关键词标出。多个关键词应按词条外延层次 学科目录分类 由高至低顺序排列,以便于计算机自动切分,关键词之间应以分号“;”分隔,最后一个词后 不打标点符号,并以显著的字符排在同种语言摘要的下方。中文关键词前应冠以“关键词”,英文关键词前 冠以“K e yw o r d s ”作为标识。 万方数据