烟囱定向爆破仿真模拟.pdf

第2 0 卷第3 期 爆破 Ⅵ，l2 0N o - 3 2 0 0 3 年9 月 B L A S T I N G S e p2 0 0 3 文章编号1 0 0 14 8 7 X 2 0 0 3 0 3 一O 叭10 3 烟囱定向爆破仿真模拟 李本平 第二炮兵指挥学院，湖北武汉4 3 0 0 1 2 摘要舟绍了离散单元法的计算模型以度阻尼、时步等关键参数的选择原则，时烟由定向爆破进行了竹 真模拟，并与工程实际进行了比较。 关键词定向爆破；仿真模拟；烟由 中图分类号T D 2 3 51文献标识码A S i m u l a t i o no fC h i m n e y ’sD i r e c t i o n a lB l a s t i n g L JB e n 一声i n g T h es e c o n dA r t i l l e r yC o m m a n dc 0 1 l e g e ，w u h a n4 3 0 0 1 2 ，C h i n a A b s t r a c t T h ec a I c L l I a t i o nn l o d e lo ft h ed I s c r e t ee l e m e n tm e t h o da n dt h ep r i n d p l eo fs d e c t j o no fk c yp a r a m c L c r s s u c ha 5d a m p i n ga n dt i m e8 t 印Ⅲe c 。m m 印d e dM e a n w h i l e ，t h ed m u l a t i 。no fc h i m n e y ’5d l r e c t i o n a lb l a s t l n gk p e r f o r n l e d ，t h ec a l c u l a t e dr c s u l t sa r ea l s oc ∞l p a r e dw i t ht h o s ei ne n g i n e e r i n gp r a c t i c e ． K e yw o r d s d i r e c t i o m 【b I a s t i n g ；s i m u l a t | o n ；c h i m n e y l 弓i言 由于城市改建及社会经济建设发展的需要，越 来越多的废旧烟囱采用了定向爆破技术进行拆除， 其中．绝大部分定向爆破非常成功，但也不乏失败的 实例。在实施定向爆破前，通过计算机仿真模拟，可 以预演定向倒塌的过程，估算爆堆的范围，对校核并 完善爆破设计方案，指导爆破施工具有十分重要的 意义。目前，烟囱定向爆破仿真模拟还不多见．结合 工程实际，给出了离散单元法的计算模型以及阻尼、 时步等关键参数的选择原则。 2 基本理论【1 5 ] 2l 运动方程及数值解 对于具有集中质量m 和刚度女的单自由度弹 性振动系统，其运动方程为 “ i “ 屉“ 0 1 收稿日期2 0 0 30 4 2 9 作者简彳卜李本甲 1 9 6 7 一 ，男；武汉第二炮兵指挥学院剐教授．博 士生 其中，“是位移，i 是加速度。由中心差分法，“可写 成 “ [ “ f 十1 一2 M ￡ M ￡一1 ] ／ △t 2 2 将式 2 代人式 1 中，有 Ⅲ[ “ f 1 一2 “ ￡ M ￡一1 ] ／ △f 2 地 f o 3 根据差分理论，方程 3 的解为 “ 幻 { [ 2 一砉 △c 2 √ 砉 2 △t 4 4 砉 △e 2 ] 4 2 ．2 本构模型 本构模型可采用与速度无关的弹塑性无张力接 触模型，该模型认为块体之间不存在拉力，且当切』刍】 力一旦达到某一最大值时，就会发生塑性剪切滑移， 并由下式确定 { tl ≤F 。t a “P C E Ⅲ、 5 式中P 是摩擦角；■是法向力； t m 。是最大切 向力。 万方数据 爆破 采用角一边接触、边一边接触组合的本构模型。 该本构模型同时包括2 种基本的接触关系，即角边 接触和边边接触。 对于角边接触，计算时只需给出K N 、K s 、叭C 一组节理常数，且符台滑动准则 { Fl ≤F 。t a ”牛 C t ⋯ 在该本构模型中，边边接触作为一种独立的模 型存在。2 个块体的接触边长为L ，边上的均布接 触刚度为ⅢJ K ，，均布粘结力为J C ，则边上的总 刚度为 K 。 』K 。L K ， ，K ，f ， 6 C J C - L 列于边边接触．计算时需给出，K 。、J K ，、妒、J C 一组节理常数，根据上式 6 转化成边上的总刚度， 并符合精动准则IF | ≤F 。t a “妒 C r ⋯。 当边边接触的节理参数，K ，，与角边接触的节 理参数K 。之问满足一定条件时，即心。L K ～ 取K 。 K N ，边边接触将自动转化成角一边接 触来处理。 2 ．3 参数的选择 采用离散单元法计算时，选择合理的计算参数， 对于解的正确与否至关重要。离散单元法一般采用 动态松驰法求解，而用此方法求解的关键是选择阻 尼和时步。 231 阻尼 采用的R a y l e i g h 线性比例阻尼可表示为 [ c ] a [ M ] 口[ K ] 7 式中[ c ] 是阻尼矩阵；[ M ] 是质量阻尼矩阵；[ K ] 是刚度阻尼矩阵；a 和口分别是质量阻尼比例系数和 刚度阻尼比例系数，并且由下式确定 n f ～m ⋯ 8 卢 f 叫。／叫珊。 9 式中} 。．。和u 。。的意义如罔1 所示。 罔1R a y I e i g h 阻尼曲线 对于振型为S ，圆频率为甜。的振动系统．R a y I e i g h 阻 尼的作用效果可用式 1 0 或式 1 1 确定 卜吉 意 等 ‰。 卜吉 差 触。 1 0 1 1 图4 爆破后效果 2 ．32 时步 为了使解 4 具有振荡特性，“ ￡ 必须是复 数，即要求 鱼 2 △f 4 4 生 △￡ 2 o 即 △t 2 √詈 丢 1 2 叉由叫。 2 ”／T 丁是固有振动周期 ，可把上式写 成 △r 1 1 3 理论证明，系统的最小固有振动周期总是大于 鬟专 茅≥薰．．．．．．．．。．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．。。．．．．．．．．．．．．卜 矗 ‰ 一 万方数据 第2 0 卷第3 期享本乎烟囱定向爆破仿真模拟 1 3 其中任何一个单元的最小固有振动周期了1 。。将后 者用于时步计算，其结果是安全的。因此，在离散单 元法计算中通常取时步为 △f ≤丁，⋯／1 0 1 4 k 一2 一。晓 √等 ⋯ 式中m m 表示取最小值，≈表示单元数。 以卜时步计算公式中没有考虑阻尼的影响。但 是．应用显式中心差分求解微分方程时，阻尼会降低 稳定解的时步值。一般认为通常结构大多是欠阻尼 系统．中心差分法的稳定计算时步为 △￡≤去 ／1 r 一} 1 6 式中} 是系统振动圆频率取最大值m 。。。时的阻尼 比。。⋯ 瓶， 是系统的最大特征值。 3 计算实例 某烟囱高3 5m ，底部直径3m ，顶部直径2m ， 划分0 ．2 5m 0 ．6 2 5n l 的网格，块体密度y 2 1 k N ／o ；采用R a y I e i g h 阻尼，迭代精度O ．0 1 。计算结 果见图2 ～罔4 。 4 结 论 计算结果显示爆堆长L 1 67 7 6m ，高 3 ．8m ，爆破完全落地时间为40s ，实际爆堆长，。 1 8 m ，高H 35r n ，爆破完全落地时间为3 ．6s ，f f 算结果和实际情况吻合较好。因此，通过计算机仿真 模拟，不仅可以预知爆后效果，估算爆堆的范围，而 且可以预演定向倒塌的过程，具有形象、直观的特 点，是一种行之有效的数值分析方法。 参考文献 [ 1J 赵福兴控制爆破工程学[ M ] 西安西安交通大学出 版社，1 9 8 8 [ 2 ] 戴晨，朱传云，舒太强D D A 及其在爆破过程仿真模 拟中的应用[ j ] ，爆破，2 0 0 1 ，1 8 增刊 4 ～6 【3 ] 颜庆津数值分析[ M ] 北京北京航空航天大学出版 社．2 0 0 l [ 4 ] 朱伯龙砌体结构设计原理[ M ] ．上海同济太学出版 社．1 9 9 1 ． [ 5 ] 龙驭球，包世华结构力学[ M ] 北京高等教育H { 版 社．1 9 9 7 上接第1 0 页 4 结论 根据以上分析可得出如下结论 0O0 50l015O202 5 地震 构造地震 作用下结构的动力反应有较火差 异，爆破地震波由于作用时问短，虽然峰值加速度比 常规地震大的多，但结构的动力反应可能并不是很 大。因此，只有对其进行时程分析，才能对其安全度 进行垒面评估。 2 由于爆破地震波的特点，结构底层层间位移 通常较大，在安全度评估中必须引起重视。 3 该房屋在卒次爆破地震波作用，底部剪力、 底部位移和顶层位移等动力反应均小于设防烈度下 构造地震的反应，结构安全度满足要求。 参考文献 时问7 8 [ 1 ]娄建武，龙源工程爆破中的建筑物振动监测[ J ] 解 图6 顶层位移时程曲线 放军理工大学学报，2 0 0 0 ．1 1 5 5 8 ～6 2 1 爆破地震波作用下结构的动力反应与常规 C 2 ] 朱伯龙，张琨联．建筑结构抗震设计原理【M 】 眦。制眦邶州； 万方数据