基于LSDYNA巖石爆破模擬建模分析

2017-04-15  by:CAE仿真在線  來源:互聯網

Ls Dyna巖石爆破模擬仿真

作者:dyna_focus

擅長領域:dyna/abaqus/hypermesh

一、 數值模型的建立

1.1 單元及算法的選擇

巖石,炸藥,空氣都采用solid164實體單元。巖石采用常應力實體單元,該種單元屬于純粹的lagrange算法,該種算法單元網格附著在材料上,隨著材料的流動而產生單元網格的變形,但是在結構變形巨大時,有可能使有限元網格造成嚴重畸變,引起數值計算的困難,甚至程序終止運算,固該種算法不適合空氣和炸藥;由于爆炸時間非常短暫,并在瞬間產生強大的沖擊波,從而對周圍的物體進行沖擊導致破壞,爆炸過程中空氣和炸藥變形較大,因此炸藥和空氣采用ALE算法,ALE算法可以克服嚴重畸變引起的數值計算困難,并實現流固耦合的動態分析,該種算法是中心單點積分的ALE多物質單元,即一個單元內可以包含多種物質,ALE算法是先執行一個或幾個Lagrange時步計算,此時單元網格隨材料流動而產生變形,然后執行ALE時步計算:

(1)保持變形后的物體邊界條件,對內部單元進行重分網格,網格的拓撲關系保持不變,成為smooth step;

(2)將變形網格中的單元變量(密度,應力張量,能量等)和節點速度矢量輸運到重分的新網格中,成為Advection step,用戶可以選擇ALE時步的開始和終止時間,以及其頻率,該種算法可以處理類似炸藥,空氣這種大變形的問題,解決網格畸變。

通過*ALE_MULTI_MATERIAL_GROUP關鍵字將空氣和炸藥材料綁定在一個單元算法里。巖石與炸藥,空氣之間的相互作用采用流固耦合的方法,流固耦合通常有兩種方法,一種是共節點,一種是通過*constrained_lagrange_in_solid來實現,本文采用第二種方法。

1.2 材料參數及狀態方程

1. 巖石材料模型

巖石材料選用Johnson-Holmquist模型,該模型適合在大應變,高應變率和高壓力條件下使用,巖石的等效強度與壓力,應變率和損傷有關,巖石材料通過在k文件中添加*MAT_ADD_EROSION關鍵字來定義巖石的抗壓強度和失效主應力為巖石失效判據,使得巖石當抗壓強度達到設定值或者單元主應力達到設定值時即失效,從而模擬巖石爆破失效。

2. 炸藥材料參數

炸藥材料模型采用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN,采用JWL狀態方程進行爆轟壓力計算:

式中:P—爆轟壓力;E—炸藥爆轟產物的內能;V—爆轟產物的相對體積;A,B,R1,R2,ω—所選炸藥的性質常數。

選取的炸藥材料及狀態方程參數如下表所示。

表3炸藥材料及狀態方程參數

密度 /g·cm-3	爆速/cm·us-1	爆壓/GPa	A /GPa	B /GPa	R1	R2	ω	E /GPa
1.26	0.55	3.43	321.9	0.182	4.2	0.8	0.15	3.51

3. 模型建立

通過hm建立有限元網格模型,總體網格模型如下圖所示,主要包含四部分:空氣,炸藥,堵塞,巖石,其中前兩者采用ALE多物質單元,巖石和堵塞為lag網格。巖石與堵塞定義為面面接觸。

有限元網格模型如下圖所示:

模型總體示意圖

有限元俯視網格模型

采用反向耦合裝藥,建模模型為1/2模型,除頂部自由面外的其他三個面施加無反射邊界條件,采用關鍵字*BOUNDARY_NON_REFLCTION,所有模擬數值單位均采用:cm-g-us,此單位制下,力的單位是

二、. 結果分析

不同時刻巖層應力等效應力云圖:

最后巖石形成的裂隙圖如下:

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