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爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s第4 1 卷第4 期 装药位置对冰凌爆破效果影响的数值模拟’ 冯彬方向毛益明郭涛李德林 解放军理工大学工程兵工程学院 江苏南京，2 1 0 0 0 7 [ 摘要]目前对冰凌的定点爆破方式主要有水下药包爆破、冰中钻孔爆破及冰上裸露药包爆破，使用大型有限 元软件A N S Y S ／L S ．D Y N A 模拟了3 种爆破方式冰层中压碎区及裂隙区的生成过程，对冰层的破坏半径、碎冰的飞散 特点和水中冲击波强度进行了定量比较分析，分析结果显示水下药包爆破破坏半径是其他爆破方式的1 ．2 至2 ．0 倍，生成水中冲击波强度是其他爆破方式的近1 4 倍。数值模拟结果与以往工程实践相互印证，对爆破法防凌具有 一定参考意义。 [ 关键词] 淡水冰体损伤断裂模型水中冲击波数值模拟 [ 分类号] T v 5 4 2 引言 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。冰凌聚 集成冰塞或冰坝，造成水位大幅抬高，最终漫滩或决 堤，形成凌洪。在冬季的封河期和春季的开河期，都 有可能形成凌汛。黄河防凌工作是我国冬春季防汛 工作的头等大事，我国政府多年来均对此非常重视， 为破冰防凌投入了规模巨大的人力物力[ 1 - 4 ] 。 目前采用的爆破法破凌的手段主要有飞机投弹 轰炸、火炮射击、气垫船载人定点爆破等方法。综合 起来，目前对冰凌实施定点爆破分解的方式可归结 为3 种1 冰层中钻孔，将装药布设在冰层内爆破 即冰层内钻孔爆破 ；2 冰面上裸露药包爆破法； 3 将装药布设在冰层下方的水介质中实施爆破 水 下药包爆破 。 本文以A N S Y S ／L S ．D Y N A 为工具，建立了3 种 不同爆破方式的数值模型，量化分析了3 种爆破方 式的爆破效果及爆破次生危害效应等。 1 有限元模型及材料参数 1 ．1 几何模型 炸药、水、空气、冰层均采用实体单元 S o l i d 1 6 4 建立单层实体网格模型，这种方法在充分利用 实体单元算法的同时，又可较好地简化模型。模型 尺寸如图l ，取模型左下角为原点，其中炸药模型尺 寸为1 2 c r a 1 2 c m 2 c m ，水体尺寸为1 5 0 0 c m 1 5 0 c m 2 c m ，空气尺寸1 5 0 0 e r a 5 0 c m 2 c m ，冰层 尺寸1 5 0 0 e r a 4 0 c m 2 c m 。炸药位置随爆破方式 不同而变化水下药包爆破方法中炸药上表面距冰 层5 0 c m ；冰内钻孔爆破时炸药上表面距冰层上表面 1 4 e r a ；冰上裸露药包爆破时炸药紧贴冰层上表面放 置。炸药、水体和空气3 种材料采用欧拉网格建模， 单元采用多物质欧拉 A L E 算法，冰层采用拉格朗 日网格建模，冰层与水体和空气材料间采用耦合算 法。在中心起爆条件下，可将模型简化为平面对称 模型，建立1 ／2 模型，并在对称面弦上施加对称约 束。考虑到爆破区域与整个冰层区域相比较小，在 炸药爆破远端的水体、空气和冰层上建立透射边界， 即冲击波在模型边界处不会反射，近似为无限域。 I 炸药 冰上 空气 l 炸药 冰中 冰层 水体 炸药 水中 图I 冰层爆破几何模型 单位c m 1 ．2 炸药本构模型及参数 对，I N T 炸药采用唧L 状态方程“ 】，J W L 状态 方程定义压力P 为相对体积y 和单位初始能量E 的 函数，即 州 卜南 e - R I V - “ B 卜刊e - R 2 v 等 1 式中p 为爆轰产物的压力；V 为相对体积；E 为单位 收稿日期2 0 1 2 - 0 3 - 2 2 作者筒介冯彬 1 9 8 8 一 ，男，硬士。主要从事爆炸力学研究。E - m a l l a d l 8 3 7 0 3 0 1 6 3 ．c o r n 通讯作着方向 1 螂一 ，男，博导，教授，主要从事爆炸力学研究。E - m i a ] f x 2 6 1 3 4 y a h o o ．c o r n 万方数据 2 0 1 2 年8 月 装药位置对冰凌爆破效果影响的数值模拟冯彬等 体积炸药内能；A 、B 、R 卜R 、∞均为材料参数。 田盯炸药的J W L 状态方程参数如表1 所示。 P o 为炸药密度，其余参数同方程 1 。 表1T N T 炸药参数‘伽1 1 ．3 冰层本构模型及参数 对冰层使用J O H N S O N H O L M Q U I S T 损伤模 型【l ，利用其损伤断裂准则，可以较好地模拟其在 高应变速率下的裂纹扩展现象。完整材料的单轴失 效强度表示为 矿’ A p ． r 【l c l I l 鲁 】 2 式中A 、C 、n 为材料常数；I 为时间；占。为塑性应变； 盯’为标准化应力；p ’为标准化压力；T ‘为标准化拉 力。盯’、P ‘和r ’分别定义为 盯旦；p 士；r 三 3 盯2 一O I t E L 徊2 矗_ 2 一O H E L 式中口吼为弹性极限应力；P m 为弹性极限压力。 冰层材料参数如表2 所示。其中A 、B 、C 、肘、J 『v 为材料系数；D 卜以为损伤系数。 2 数值模拟结果及分析 2 ．1 主要结果数据 图2 中显示了使用A N S Y S ／L S ．D Y N A 对3 种爆破 破冰方式的数值模拟结果，可以清楚地看到，炸药 爆轰产生的冲击波在介质中的传播过程及冰中压碎 区与裂隙区的形成过程。在2 2 0 0 炉时，水中及冰 层中冲击波已退化为弱波，裂纹停止扩展。 2 ．2 模型可信度验证 表3 为模型各主要参数计算结果。将水下药包 爆破模拟结果与文献中的破冰实验相比较段元胜 等人采用一级岩石乳化炸药，单孔药量2k g ，装药沉 且 水下药包爆破； b 冰中钻孔爆破； c 冰上裸露药包爆破 图2 不同爆破方式下冰层破坏方式 深0 ．5m ，冰厚0 ．7m ，爆破半径3m [ 1 2 1 ；王璐采用 T N T 炸药，单孔药量5k g ，装药沉深1 ．7m ，冰厚0 ．6 m ，爆破半径3 ．7 5m [ 1 列；本模型采用田盯炸药，单孔 药量2 ．8k g ，装药沉深0 ．5m ，冰厚0 ．4m ，爆破半径 4 ．4 5m 。经比较，模型结果与实际爆破结果基本相 符，在此模型基础上，不改变基本几何模型，对3 种 装药位置爆破的效果进行相互比较是具有一定实际 价值的。 2 ．3 爆破效果 从爆破破坏半径来看，若定义爆破产生空腔边 界距冰层对称中心最远点的石坐标为压碎区半径r ， 爆破产生裂隙距冰层对称中心最远点的髫坐标为裂 隙区半径R ，水下药包爆破方式、冰中钻孔装药爆破 方式和冰上裸露药包爆破方式压碎区及裂隙区半径 分别为r 。，r 2 ，r 3 及尺。，R ，尺，，则根据数据有 r l r 2 r 3 R I R 2 R 3 水下药包爆破破坏半径是其他爆破方式的1 ．2 2 ．0 倍。水下药包爆破效果优子冰上裸露药包爆 破的结论在工程实践中也得到了验证。如段元胜等 人在文章中提到，药包放置在冰面，其爆破效果远 不如药包放置在冰盖下的爆破效果好【12 1 。殷怀堂 表2冰材料参数‘6 】 水下药包 冰中钻孔装药 冰上裸露药包 1 ．1 9 0 ．9 8 0 ．6 l 4 ．4 5 3 ．7 1 2 ．2 l 2 5 0 ．6 4 1 2 0 2 ．9 0 9 3 ．3 6 4 5 ．6 8 9 1 ．3 3 5 ．3 3 3 ．2 3 0 ．5 1 O ．3 8 万方数据 爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s第4 1 卷第4 期 等人也提到，药包设在水下起爆要比冰面起爆的破 冰效果更为明显引。而冰中钻孔装药爆破效果与 其他方式的比较在各种文献中鲜有提及，但可以通 过理论分析对此结果加以解释。 从裂纹的形成方向来看，水下药包爆破方式裂 隙区多为沿Y 轴上下贯通的斜向、纵向裂纹，冰中钻 孔装药爆破方式裂隙区多为沿石轴发展的横向裂 纹，而冰上裸露药包爆破方式裂隙区形成裂纹很少 且多为横向裂纹。 理论分析不同爆破方式破坏半径及生成裂纹方 向不同的原因有 1 冰上裸露药包爆破方式，由于与冰层接触面 积有限，其爆破能量大部分都以空气冲击波及热耗 散的形式消耗，而冰中钻孔装药爆破其能量利用率 相比冰上裸露药包爆破高出许多，故r 2 r 3 ，R 月3 。 2 水下爆破方式具有独特性。水的密度大，可 压缩性小，这就使得水中冲击波的初始压力比在空 气中大得多，“ 盯装药在水中爆破产生的冲击波初 始压力能达到空气中初始冲击波压力1 0 0 倍以上。 水中音速极高，当压力下降到约为2 5M P a 时，波阵 面上的压力虽有相当大的数值，但波阵面的传播速 度实际上已经接近音速。水中冲击波在较远区传播 的这种压力高、衰减相对缓慢的特性，使得距装药较 远处水与冰层接触面上的压力仍然很高，因此水下 药包爆破方式中冰层的破坏半径在3 种爆破方式中 最大。 3 若以冰层正中心为坐标原点，冰上裸露药包 爆破及冰中钻孔爆破爆点在Y 轴上均距原点较近， 形成的爆轰波及冲击波波阵面基本与菇轴垂直，因 此冰层中最大压应力方向为茗方向，冰体在茗方向 受压，其切向拉应力的拉断效应使冰层中形成横向 裂纹。而水下装药因为距冰层有一定距离，产生的 冲击波波阵面与冰层接触面有一定角度，最大压应 力方向与Y 轴正方向成较小锐角，其切向拉应力的 拉断效应使冰层中易形成上下贯通的斜向、纵向裂 纹。 4 水下爆破过程中，冲击波在水体中由下至上 向冰层中传播，冰层上表面与空气接触，近似为自由 表面，在自由表面附近更容易形成层落现象，加大冰 层的破碎程度。且冰层下水体介质与冰层上方空气 介质的压力差，更有利于水下爆破过程冰层中纵向 裂纹的形成。 2 ．4 爆破产物飞散程度 在爆破施工中，除了爆破效果的优劣。爆破过程 中产生次生危害的大小也是决定选择使用何种爆破 方式的重要因素。破冰过程中爆炸抛起的碎冰是主 要爆破次生危害之一，若处理不当，会对周边人员、 交通工具、重要建筑物等造成不可挽回的损失。 以冰层各计算单元在2 0 0 0 “s 时，Y 轴方向的最 大位移和最大速度2 个指标作为爆破产物飞散程度 的判据。在2 0 0 0 斗s 时，冰层与水体中冲击波已退 化为弱波，炸药的爆炸对碎冰不再有推动作用，即碎 冰只在重力作用下运动，故此时刻取这2 个指标判 断爆破产物飞散程度是较妥当的。 从表3 中看到，冰中钻孑L 装药爆破产物Y 方向 最大位移是水下药包爆破产物Y 方向最大位移的2 倍，是冰上裸露药包爆破产物最大位移的1 7 ．1 倍； 冰中钻孔装药爆破产物最大速度是水下药包爆破产 物最大速度的4 ．8 倍，是冰上裸露药包爆破产物最 大速度的1 2 ．9 倍。冰中钻孔装药爆破产物飞散程 度最大。 2 ．5 水中冲击波强度 水中冲击波是另一主要爆破次生危害效应5 | ， 过强的水中冲击波会伤害到河流中的水生生物，对 当地水产养殖业及自然环境造成破坏。 从表3 中可见，爆炸期间水下药包爆破方式产 生水中冲击波峰值压力最大，达到3 ．2 3G P a ，是冰 中钻孔装药爆破方式的6 ．3 倍，是冰上裸露药包爆 破方式的8 ．5 倍。初步看来，水下药包爆破方式造 成的水中冲击波危害效应大于冰中钻孔爆破方式， 更大于冰上裸露药包爆破方式。为印证这一判断， 取菇正方向3I l l ，距冰层下表面0 ．5m 的一个水体 单元，对比3 种爆破方式的压力时程曲线，得到结果 如图3 。 耐 山 oO ．1 蓄3 6 藉．o ．o 是 图33 种爆破方式在同一水体单元的压力时程曲线 距Y 轴3 m ，冰层下表面0 ．5 m 可见，水下药包爆破方式在距Y 轴水平距离3 m 处同一点生成水中冲击波，不仅峰值压力是另外两 种爆破方式的1 4 倍左右，其作用时间也为另外两种 爆破方式的3 5 倍。 3 结论 使用A N S Y S ／L S - D Y N A 软件可以很好地模拟河 面冰层的爆破过程，可以清楚地观察到冰层的破坏 万方数据 2 0 1 2 年8 月装药位置对冰凌爆破效果影响的数值模拟冯彬等 2 9 过程、冰层中裂隙的形成过程及各介质中冲击波的 传播。 由3 种不同爆破方式的模拟结果看到，采用不 同爆破方式得到的爆破效果及产生的爆破次生危害 不尽相同，在不同时机、环境下应灵活选用不同爆破 方式[ 16 I ，总结如下 1 水下药包爆破方式爆破半径及爆破碎度最 好，其爆破效率在3 种方式中最高，但其产生的爆破 产物飞散程度较大，且水中冲击波强度是其他爆破 方式的数倍，适于在空旷无人的地区和非渔区实施 爆破。 2 冰中钻孔装药爆破方式爆破效果中等，其爆 破产物飞散程度最大，不宜在重要建筑物如桥梁、水 坝附近实施爆破，但其水中冲击波强度较小，适合于 在对水中冲击波强度要求较高而对爆破产物飞散程 度要求不高的地区实施。 3 冰上药包爆破方式的爆破效果在3 种方式 中最差，但其对周边次生危害较小，且操作作业方 便，对设备要求较低，适于对小范围冰凌实施快速应 急爆破。 参考文献 [ 1 ]蔡琳．中国江河冰凌[ M ] ．郑州黄河水利出版社， 2 0 0 8 ． [ 2 ]翟家瑞．黄河防凌与调度[ J ] ．中国水利，z 0 0 7 3 3 4 - 3 7 ． [ 3 ]冯国华．黄河内蒙古段冰凌特征分析及冰情信息模拟 预报模型研究[ D ] ．呼和浩特内蒙古农业大学， 2 0 0 9 ． [ 4 ] l 强d o a n eM ．，C i a g l i eV ．，R 硼o a n eN ．H y d r o p o w e rI m p a e t O nt h eI c eJ 蛐F o l r a a f i o nO nt h eU p p e rB i s t r i t aR i v e r 。 R o m a n i a [ J ] ，C d dt l e g ．S e i ．T e e h n d ．，2 0 1 0 ，6 0 3 19 3 - 2 0 4 ． [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 1 0 ] [ 1 2 ] [ 1 3 ] [ 1 4 ] [ 1 5 ] [ 1 6 ] 周向阳．炸药在土壤内部爆炸作用的数值分析[ J ] ．爆 破器材，2 0 1 1 ，4 0 6 1 2 - 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m e r l e a l l yu s i n gl a r g e s e r ef i m t ed e m e n ts o f t w a r eA N S Y S ／L S - D Y N A ．Q u a n f i t a f i v ea n a l y s i sa b o u td a m a g er a d i u s ，d i s t r l b - 以n gd e g r e eo fc r u s h e di c e sa n ds t r e n g t ho fs h o c kw 盯ei 1 1w a t e rw e r ep e r f o r m e da m o n g 岫t h r e em e t h o d so fb l 越d n g ．T h e 瑚I l hs h o wt h a tw h e nc h a r g ei sp l a c e du n d e rw a t e r ．t l l ed e s t r u c t i v er a d i u si s1 ．2t o2 ．0t i m e sl a r g e ra n dt h es t r e n g t ho f s h o c kw 8 V ei nw m e ri 8a b o u t1 4t i m e sl l i g h e rt h a nt h o s ei I Io t l l e rm e t l l o d s ．T i l er e B u h 8o fn u m e f i c a ls i m u l a t i o ni ne o m b i n a - f i o nw i t l lp l 陀w i o u se n g i 驰e r i I l gp r a c t i c e sC a l lp r 捌d ear c f e r e m cf o ri c eb b s f i n g ． [ K E YW O R D S ] f r e s h w a t e ri c e ，m o d e lo fd a m a g ea n df r a c t u r i n g ，8 h o e kw a v ei nw a t e r ，n a m e f i e a ls i m u l a t i o n 万方数据