基于聚能随进技术的冰凌爆破数值模拟及试验研究

孟闻远，刘 鑫，胡俊强

(华北水利水电学院，河南郑州450045)

黄河由于特殊的地理位置、热力、水力及河道边界条件，每年都会出现不同程度的冰封及凌汛灾害，严重影响了人民群众的正常生产及生活.在长期的凌汛防治过程中，人们总结出了一系列的防凌措施，比如工程防凌措施、爆破防凌和防凌水量调度指挥等等.这些传统的防凌措施虽然在以往的冰凌防治工作中发挥了重要的作用，但由于各种措施的局限性，黄河的凌灾还无法有效地防治.

对此，笔者在基于物联网技术预测预报的基础上，曾提出“变被动防御为主动防御、变军队应急机制为军民联合防治机制、变传统器材爆破为现代军民两用器材爆破”的防凌新理念与基于聚能随进技术的冰凌爆破新方案，能够有效地突破传统爆破方法的局限性［1－2］.

在此基础上，笔者运用LS－DYNA数值模拟技术研究了同等装药量在不同位置爆炸时冰体的破坏特征，研究结果能够指导聚能随进破冰器材的研发.

1 聚能随进技术

传统冰凌爆破利用飞机、大炮等军用器材从上面抛射炸弹在冰上方触及冰面轰炸的方式破冰，能量利用率低、危险性高、机动性差、人力物力消耗大，在易形成冰塞冰坝的过水建筑物、狭窄河道处又难以施爆.如果把黄河冰体视为板结构脆性材料，若垂直冰平面施爆，建立冰盖抗弯折受力破碎力学模型，将会在同样能耗条件下，达到更好的破冰效果.聚能随进技术即是基于这一原理引入的破冰新技术.

聚能随进技术的原理是使装有炸药的破冰器材穿越冰盖下方一定距离后再发生爆炸，充分利用炸药的爆破能量，提高冰凌的爆破效率.采用聚能随进技术的破冰器材具有安全性好、可靠性高、机动灵活、装药量少、破冰效率高、环境适应性强、重量轻、操作简单、布设快速、便于单人携行等优势，可作为军民防凌减灾系列化器材应用于黄河、渤海湾、黑龙江等地的防凌爆破中.研发聚能随进破冰器材需要确定在定量的炸药及给定的冰厚与温度情况下，炸药在冰下多少距离爆炸时形成的爆破效果最好，以指导设计部门对器材延时起爆参数的设计.

鉴于此，笔者利用ANSYS LS－DYNA软件进行数值模拟.给定装药量 1 kg，气温 －12℃，冰厚20 cm，分别研究在冰体表面、冰体内部10 cm及冰下0，10，20，30，40 cm 爆破时冰盖的爆破半径，并与现场试验进行对比分析，验证理论分析及计算程序的可靠性.研究结果对研发各种凌汛状况下聚能随进破冰器材的型号有重要意义.

2 数值模型及材料参数

2.1 有限元模型

单元类型选用LS－DYNA Explicit 3D Solid 164三维实体单元［3］.由于爆炸问题的对称性，只建立了1/4个模型，三维冰体模型的尺寸为20 cm×100 cm×100 cm，炸药为10 cm ×10 cm ×10 cm，水体尺寸为80 cm×100 cm×100 cm，在对称面方向施加对称约束，冰体上表面为临空面，其余面定义为无反射边界条件.采用映射网格划分方法，单元尺寸为2.5 cm，模型的单位制为 cm －g－μs.

2.2 材料参数

根据冰体的破坏机理及以往的研究结果，冰体采用各向同性弹性断裂模型ISOTROPIC－ELASTIC－ FAILURE［4］，参数见表 1.

表1 冰体材料参数

炸药采用 HIGH －EXPLOSIVE －BURN［5］高能炸药模型，其JWL状态方程为

式中:P为爆轰压力，GPa;V为相对体积;E为初始内能，kJ;ω，A，B，R1，R2为材料常数［6］，取值分别为:ω =0.35，A=5.41 GPa，B=0.094 GPa，R1=4.5，R2=1.1.

水体采用 MAT_NULL［7］模型.

3 水下冰体爆炸数值模拟结果分析

冰体的爆破如同岩石一样，是由炸药爆轰反应产生的爆轰波激起爆炸应力波及爆炸气体产生膨胀做功两个方面的综合作用引起的［8］.

分别模拟了炸药在冰体表面、冰体内10 cm以及冰下 0，10，20，30，40 cm 处爆炸时上层冰盖的破坏情况，模拟结果如图1—7所示.

计算结果表明，在爆炸冲击波的作用下，在一定半冰径区域内，冰体明显破碎，在径向、环向有明显裂缝产生，在破碎区，冰体呈破碎性脆断;从解体的破碎区到未破裂的过渡区，有环向裂纹和径向裂纹分割的尚未解体的次破碎冰区.数值模拟的计算结果见表2.

图5 冰下20 cm

图6 冰下30 cm

图7 冰下40 cm

表2 数值模拟计算结果

4 试验研究

由华北水利水电学院防凌减灾研究所与工程兵科研三所组成的破冰试验小组于2010年3月及2012年3月两次赴内蒙古包头市磴口黄河冰封河段开展了破冰试验.

试验内容包括采用1 kg的TNT炸药在与上述冰内、冰下对应方位不同位置进行了爆破试验，爆破效果如图8及图9所示.现场试验数据见表3.

图8 冰凌破碎情况示意图

表3 现场试验结果

试验结果表明，在爆炸冲击波的作用下，在一定半径区域内，冰体明显破碎，在径向、环向有明显裂缝产生.在破碎区，冰体呈破碎性脆断，从解体的破碎区到未破裂的过渡区，有环向裂纹和径向裂纹分割的尚未解体的次破碎冰区;不同爆炸位置，过渡区宽窄不一.

将试验结果与数值模拟结果比较可知，二者冰体破碎状态基本吻合，同样装药量爆炸效果与计算结果基本接近，证实计算模型及计算结果的可靠性.

图9 现场爆破情况

5 结语

1)数值模拟计算与试验结果表明，笔者提出的聚能随进爆破方案比常规爆破方案合理得多，爆破效果较好.其中冰面爆破效果最差，冰内爆破效果也不理想，冰下最佳点的爆炸半径是冰面爆炸的近19倍，是冰内爆炸的4倍多.

2)试验验证结果表明计算理论及程序可靠.为理论指导爆破器材与爆破阵列布设方案设计打下了基础.

3)冰面、冰内爆炸均不是最佳爆炸位置，冰下最佳爆炸位置的确定，为各种装药量、各种温度及各种冰厚尺寸下，聚能随进爆破器材的延时参数设计提供了数值模拟手段，降低了试验费用.

4)在黄河河段上，针对形成冰塞、冰坝的冰盖、漂浮的大块冰体以及即将形成的冰塞、冰坝，利用新的爆破方案数值模拟技术，为研发静态摆放、远距离投射或直瞄发射的具有“快速、安全、便捷、高效”的聚能破冰器材奠定了基础.

5)该成果在我国凌灾分布区域的破冰新方案研究中均可推广.

［1］孟闻远，郭颖奎，王璐.黄河冰凌特点及防治措施［J］.华北水利水电学院学报，2010，31(6):27－29.

［2］孟闻远，张蕊，王俊锋.黄河防凌减灾方案新探索［J］.华北水利水电学院学报，2012，33(2):50－52.

［3］王璐.冰体动力特性及爆炸响应分析［D］.郑州:华北水利水电学院，2011.

［4］郭颖奎.流冰碰撞下桥墩破坏有限元仿真分析研究［D］.郑州:华北水利水电学院，2011.

［5］石少卿，康建功，汪敏，等.ANSYS/LS－DYNA在爆炸与冲击领域内的工程应用［M］.北京:中国建筑工业出版社，2011.

［6］ 时党勇，李裕春，张胜民.基于 ANSYS/LS－DYNA8.1进行显式动力分析［M］.北京:清华大学出版社，2004.

［7］宁建国，王成，马天宝.爆炸与冲击动力学［M］.北京:国防工业出版社，2010.

［8］佟铮，马万珍，曹玉生.爆破与爆炸技术［M］.北京:中国人民公安大学出版社，2001.