基于聚能随进技术的冰凌爆破阵列数值模拟

胡俊强，孟闻远，刘 鑫

(华北水利水电学院，河南郑州450045)

黄河冰凌灾害历史悠久.在古代，黄河流域的人民就频频遭受凌汛灾害，造成的损失难以估计.近现代黄河冰凌灾害本身固有的频发、难预报、难防等特点，再加上防治技术的落后，凌灾的防治需消耗巨大的人力、物力、财力［1］，严重影响了黄河沿岸广大人民群众的生活和国家经济产业的发展.在黄河防凌减灾新技术的研究中，水下爆炸技术的深入研究涉及优化爆破和安全爆破，是重中之重.为了避免凌汛、冰塞、冰坝的形成，需要在冰盖上开辟冰凌下排河道，而单发聚能随进破冰器材排列成阵组合爆破是开辟河道的最佳选择.至于如何组合排列器材使得以最小能耗达到最佳排凌目的是其中的关键.

笔者利用ANSYS/LS－DYNA软件对组合炸药水下冰凌爆破进行数值模拟，并与组合阵列爆破试验对比分析，验证数值模拟的可靠性，其成果为开辟排凌河道，进行聚能随进爆破的聚能随进系列爆破器材设计及阵列优化布设提供计算方案，并降低试验成本.

1 组合冰凌爆破模型

1.1 模型尺寸

组合冰凌爆破模型由炸药、水、冰体组成.总体模型尺寸为100 cm×400 cm×400 cm，水域尺寸为80 cm×400 cm×400 cm，冰体尺寸为20 cm×400 cm×400 cm，炸药尺寸为10 cm×10 cm×10 cm，组合炸药间距180 cm，如图1所示.

图1 组合冰凌爆破模型

从已有研究成果得知，对此种条件下的冰体，炸药置于冰盖下10 cm处，爆炸效果最佳.故这里的数值模拟及试验均在相同条件下对比研究.炸点位于图1 的对角面上，坐标分别为(135，135，70)，(265，265，70)，如图2 所示.

图2 炸点位置示意图(图1的对角面)

1.2 模型材料

炸药采用HIGH－EXPLOSIVE－BURN模型，其状态方程为 JWL方程.水体采用 NULL模型、GRUNEISEN状态方程.冰体采用各向同性弹性断裂模型即ISOTROPIC－ELASTIC－FAILURE模型，密度为900 kg/m3，剪切模量为 2.20 ×109Pa，屈服应力为 2.12×106Pa，塑性硬化模量为 4.26×109Pa，体积模量为5.26×109Pa，塑性失效应变为0.35，截断压力为 －4 ×106Pa.

1.3 边界条件

该模型采用无反射边界条件，避免冲击波到达边界以后反射和折射与初始冲击波叠加，影响模拟结果［2］.

1.4 计算方法

模型采用3D solid 164单元划分网格，使用多物质ALE算法，即多物质任意拉格朗日－欧拉算法.冰体、炸药、水体之间的界面采用流固耦合算法［3］.

2 数值模拟结果

2.1 压力峰值

库尔给出了TNT炸药水下爆炸冲击波峰值压力的经验公式:

式中:W为装药量，kg;R为研究位置至炸点的距离，m;k，α为与炸药性能有关的经验参数.

由于该模型属于浅水域水下爆炸，所以水下爆炸冲击波压力－时间函数关系为

式中:Pm为水中冲击波压力峰值，Pa;t为时间，s;θ为冲击波的指数衰减时间常数［4］.

由上述公式计算出的冲击波压力峰值与数值模拟结果基本吻合.

2.2 冰体动态响应分析

TNT炸药组合在水下爆炸产生的冲击波在水介质中传播，到达冰体下表面后加载于整个冰体，使冰体破碎，达到疏通河道等防凌减灾的目的.冰体的应力分布如图3所示.由试验结果可知，冰体迎爆面受压，背爆面受拉，整体表现为劈裂破坏，其破坏过程如图4所示.

图3 冰体应力分布

图4 冰体材料破坏过程

3 试验研究

试验采用1 kg TNT炸药作为聚能随进器材组合装药爆炸，在相同冰体、水体、水温条件下进行试验.组合聚能随进器材爆破后冰体破碎效果如图5所示.

图5 组合聚能随进器材爆破后冰体破碎效果

单发聚能随进器材爆破后冰体破碎区域直径在2 m左右，而2发组合聚能随进器材爆破后冰体破碎区域每个直径在2.3 m左右，这说明2个炸点的炸药同时起爆，冰体整体破碎区域的面积超过单发聚能随进器材爆破后冰体破碎区域面积的2.5倍.所以组合聚能随进器材爆破效果要优于单发聚能随进器材逐个爆破，开辟排凌河道需采用阵列布设才能达到节约能耗的目的.

4 结语

1)数值计算与试验结果表明，利用聚能随进技术的水下爆破效果比冰面上及冰体内的爆炸效果更好.经试验验证，计算物理模型及程序可靠.

2)利用ANSYS/LS－DYNA软件建立了组合冰凌爆破数值模型，通过数值计算，冲击波峰值压力与理论计算结果基本吻合，恰当处理了冲击波荷载的加载方法;通过整个冰体动态响应过程及应力分布可以确定出冰体破坏形态，为冰盖上更大规模的阵列爆破布置方案研究打下了基础;为开辟排凌河道提供理论指导.在达到合理、有效排凌目的前提下，优化布置爆破阵列，可大大降低成本.

3)该研究成果在我国凌灾分布区域的新方案研究中均可推广应用.

［1］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.

［2］石少卿，康建功，汪敏.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.

［3］ 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.

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