土壤中爆炸鼓包运动的数值模拟

【摘 要】 运用ANSYS/LS-DYNA有限元模拟软件，基于鼓包运动基本假设和ALE算法，针对炸药在土壤中爆炸时鼓包运动和爆炸空腔的运动规律等问题，建立数值计算模型并进行模拟。结果表明，表面鼓包运动主要受爆轰气体膨胀作用影响，可分为加速运动和准匀速运动两阶段，且后者持续时间较长。

【关键词】 鼓包运动 数值模拟 ALE算法 爆炸空腔

在工程爆破中，抛掷堆积计算是爆破设计中一个十分重要的环节，而鼓包运动是抛掷爆破中抛掷体运动的重要阶段，因此，详细研究鼓包的过程和形态具有重要意义。目前，国内外主要采用高速摄影、X光摄影和数值研究等方法对不同介质中爆炸产生的鼓包运动进行研究，Captain W G[1]进行了有关淤泥爆炸的研究工作，将淤泥中爆炸与早期岩土中爆炸的鼓包运动的实验结果进行比较，分析了鼓包运动的规律；Cherry[2]做了岩土中爆炸的数值模拟，结果表明高压空腔开始为球体，短时间内，气体只有向上的运动不再向下扩张，从而形成椭球空腔；时党勇[3]等对内爆炸条件下钢筋混凝土表面鼓包运动规律进行了研究，结果表明表面鼓包运动主要受爆轰气体压力载荷控制，应力波使材料产生初期裂纹。本文针对条形药包在土壤中爆炸，运用ANSYS/LS-DYNA有限元软件建立数值模型，对条形药包在土壤中爆炸时产生的鼓包运动进行数值模拟，并对鼓包运动形态、中心位移和速度的规律及产生鼓包的原因进行分析。

1 基本假设

2.2 计算模型

研究表明，内爆炸时介质的鼓包运动可分为应力波的波动作用和爆轰气体准静态作用两部分，且后者持续时间较长，一般可达毫秒量级。根据各介质在爆炸作用下网格的变化情况，建立数值计算模型时采用ALE算法，即炸药和空气采用流体单元，土壤采用拉格朗日实体单元。根据研究对象的对称性，建立1/4计算模型，如图1所示。模型边界上施加无反射边界条件和对称边界条件，为避免沙漏现象，流体—固体耦合中采用沙漏控制算法。

3 数值模拟结果分析

3.1 土壤鼓包形态分析

通过ANSYS/LS-DYNA进行数值模拟，运行LS-Post后处理程序可以直观地观察到炸药在土壤中爆炸的整个过程，同时可以分析土壤鼓包和相应空腔的变化形态，不同阶段的爆炸鼓包形态如图2所示。

由图2可以看出，时间到达1ms时模型表面已经出现明显鼓包，且鼓包高度和半径随着持续时间的增加均增大，但在爆炸初始阶段，由于爆炸冲击载荷的作用，鼓包迅速增长，随着冲击波衰减为应力波并伴随着爆轰气体的作用，鼓包变化减缓并趋于平稳。此外，在爆炸载荷作用下，土壤介质抗拉强度很低，表现为松散体的特征，爆破空腔在高温高压气体的作用下开始扩张，起初以球对称的形式向外扩散，随着球形应力波离爆心距离的增加而迅速衰减，直达到负压，土壤以松散体的形式运动，最终呈倒梨形。

3.2 鼓包运动速度

分析鼓包形态的同时，将土壤表面中心位置节点选为研究对象，分析得到中心位移和速度随时间的变化曲线如图3和图4所示。

由图3和图4可以看出，当爆炸载荷作用到达5ms时，鼓包中心最大位移为33.5cm，速度为7.2m/s。从鼓包中心位移曲线可知，中心位移可以近似看成两段不同斜率的直线组成，且从图3可以明显看出，后一段持续时间较长，与鼓包形态相吻合。从鼓包中心速度曲线可知，炸药起爆到鼓包运动开始，有一段滞后时间，在0.1ms时，在爆炸冲击波的作用下鼓包运动速度迅速上升，速度达到4m/s左右，伴随着冲击波的衰减和爆轰气体的作用，速度变缓，当高压气泡内的压力降到静水压的量级时，鼓包运动趋于平稳，速度在7m/s左右，因此，可将鼓包运动分为加速运动段和准匀速运动段，且准匀速运动段在爆轰气体作用下持续时间较长。

4 结语

通过对土壤中炸药爆炸引起的鼓包运动的数值模拟和分析，得出如下结论：（1）土壤中爆炸产生的鼓包随着爆炸载荷作用时间的增加而增涨，同时产生的爆炸空腔在初期起初以球对称的形式向外扩散，随着球形应力波离爆心距离的增加而迅速衰减，最终呈倒梨形。（2）土壤中爆炸引起的鼓包运动包括短时间加速运动和准匀速运动两个阶段，当高压气泡内的压力降衰减到静水压的量级时，鼓包不再做加速运动。（3）鼓包运动中准匀速运动阶段持续时间较长，表明鼓包的运动速度主要受爆轰气体的膨胀特性控制。

参考文献：

[1]Captain W G，Christopher J E. Lattery，crater studies：surface motion [R]. Livermore：Sandia Laboratories，1967.

[2]Cherry J T. Computer Calculation of Explosion Produced Craters. 1pt. J. Rock Mech. Min. Sci. Vol 4. ppl-22.

[3]时党勇，张庆明，付跃升，等.内爆炸条件下钢筋混凝土表面鼓包的试验观测和数值分析[J].兵工学报，2014，31（4）：510-515.

[4]SHI Dang-yong， ZHANG Qing-ming， FU Yue-sheng，etal.Experiment observation and numerical simulation on the bulging process of reinforced concrete surface under internal blat loading [J].Acta Armamentarii，2014，31（4）：510-515.（in Chinese）.

[5]李世海，许连坡，徐小鸿.淤泥、岩土中爆炸鼓包运动规律的研究[J].爆破，1997，14（1）：12-17.