Ansys/ls-dyna数值仿真技术在井巷工程教学中的应用

徐学锋 刘少伟 韦四江

（河南理工大学 能源科学与工程学院，河南 焦作 454000）

0 引言

井巷工程是采矿工程专业的主要专业课之一，是研究井巷施工方法和施工技术的综合性课程[1]。课程的特点是理论联系实际，并且有些理论知识还比较难于理解和讲解，比如岩石性质与工程分级里面的动载荷作用下岩石的力学性质以及钻眼爆破中炸药爆炸的相关理论，讲解起来很抽象，也不容易理解。结合本课程多媒体教学的特点，以及对于岩土工程数值模拟软件的学习，利用岩土和结构方面的权威仿真软件Ansys/Ls-dyna对炸药爆炸的过程进行了数值计算。模拟计算主要分析了炸药爆破过程中动应力的演化特征，将抽象的理论用数值模拟的图片、动画等效果显示出来，作为理论教学的重要补充，在教学中起到了很好的辅助作用，这也是工科多媒体教学中的必要元素。

1 井巷工程课程理论教学内容

井巷工程是煤炭行业采矿工程、安全工程等专业重要的专业基础课程，该课程主要内容包括岩石的力学性质与工程分级、钻眼爆破、巷道施工技术等内容。该课程的特点是理论联系实际，掌握好理论基础对学好其他章节内容及施工技术都有很好的指导作用。理论教学内容中有些知识点比较抽象，难于讲解，学生也难于理解，需要通过合理的辅助教学手段提高教学效果。比如在岩石力学性质及其工程分级这一章节里面涉及到在动载荷作用下岩石的力学性质。岩石在动载荷作用下的应力及应变以应力波和应变波的形式显现出来，这个问题很抽象，教师授课讲解和学生的理解都比较抽象。另外对钻眼爆破章节里面涉及到炸药爆炸的特性介绍，也是比较抽象，很难用定量的形式生动形象的描述出来。

目前多媒体教学已经成为工科教学中的主要教学手段[2-5]，它集图、文、音、像、动画等为一体，表现出突出的优越性，当然随着这一技术的发展，对多媒体的制作质量也提出了新的要求[6-7]。由于井巷工程的特点，本课程适合采用多媒体教学，并且对与理论性比较强的章节最好能表达成生动形象的图片和动画等，但单独的爆破方面的图片和视频只能从视觉上和宏观上解释爆炸现象，不能从科学理论的角度讲述爆破的原理，以及炸药爆炸产生的应力波的传播过程。对于这些问题适合采用一些数值模拟软件进行定量的分析，图形结合，便于理解，从而对炸药爆炸特征的理论达到深层次和微观的认识。针对以上问题的分析，结合自己在数值模拟技术中掌握的方法，拟采用Ansys/lsdyna数值模拟技术的图形及动画结果，作为该教学内容的辅助教学手段。

2 Ansys/Ls-dyna软件功能特点

Ls-Dyna是世界上最著名的显式动力分析有限元程序，可以精确可靠地处理各种非线形问题[8-9]，如碰撞分析、爆炸分析等，对于计算冲击动载荷作用下材料的变形、应力分布以及炸药爆炸过程中应力波的传播特性具有突出的优势，结合Ansys强大的前处理功能，已经在岩土结构等多种领域应用。与该软件对应的有许多出色的前后处理软件，其中LS-PREPOST是LSTC公司开发的专用前后处理软件，该软件对LS-DYNA数值模拟的结果通过图形、动画显示，对模拟结果的有限元网格、实体变形、应力云图能清晰的显示，这对于显示炸药爆破过程中的岩石应力、应变及炸药爆破的特征等十分直接、明确，既有定量的数据，又能生动形象的反映问题。所以Ls-Dyna及其后处理软件能够满足教学中研究动载作用下岩石的应力演化过程及炸药爆炸时的应力波演化过程，即能定性演示，又能定量分析，在相关学科的科研和教学过程中具有重要的应用意义和前景。

现代多媒体教学手段的需要图文结合，即要从宏观上介绍爆炸的现象，又能从理论上分析爆炸特征的科学理论，所以采用本软件数值模拟的结果配合多媒体教学是十分必要的。

3 数值访真技术应用

利用Ls-Dyna模拟炸药在岩土中爆破过程中的力学行为，该问题既分析了岩体在动载荷作用下的应力波和应变波的传播规律，又分析了炸药爆炸过程的特性。具体的条件是在一定深度的岩土中布置一立方体形炸药，模拟采用三维模型，为了计算方便建立1/4模型，但后处理时可整体显示，求解时间3000ms，每5ms输出一个计算数据。

图1 数值模拟模型

这里我们主要分析炸药爆破过程中岩土体中的应力演化过程，图2为炸药爆破后某一剖面上应力的演化过程，限于篇幅只显示部分时刻的应力分布。每一幅图片中左侧是某一个剖面的应力云图表示不同区域的应力分布情况，右侧的数据表示不同颜色代表的应力等级，这样从定量和定性上真实的分析了炸药爆炸后动应力的演化过程和爆炸特性。

图2 应力演化过程

从图中看出炸药爆炸后，产生的应力以炸药为激发源，以应力波的形式向周围传播，这样形象的揭示了动载作用下，岩体中的应力变化规律及显现形式，又描述了炸药爆炸的特征。定性和定量的揭示了课程教学中的问题，授课及学生听课都比较容易。当然还要把这些图片通过Gif Movie Gear软件制作成动画图片，表现得更加形象。

4 结论

通过Ansys/Ls-Dyna数值模拟软件对井巷工程中的炸药爆炸科学理论的模拟，以及多媒体教学，取得了较好的效果，具体体现在以下几个方面：

（1）加深了学生对动载应力及炸药爆炸过程中应力的演化过程的理解，结合多媒体教学不但从宏观上定性解释了该现象，而且从微观角度定量分析了科学理论，加深了理解的深度，也便于授课讲解。

（2）提高了学生对专业课的兴趣，不但对本课程增加了兴趣，而且对相关的领域，比如数值模拟软件，提高了对科学知识追求的信心，并对后期深造起到了启发意义。

（3）数值模拟软件主要是在科研中运用，也是科研与教学结合的应用，同时也提高了教师教学中对不同学科知识学习，拓展视野，同时增强责任感。

［1］徐学锋,刘少伟,韦四江.基于采矿工程人才素质教育的井巷工程教学改革研究[J].科教文汇,2008,8:89.

［2］任玉玲,王雪梅.多媒体技术在教学中应用的研究[J].教育与职业,23,2.11.8:186:197.

［3］张洪杰,向晓东,陈旺生.安全工程专业教学方法改革与创新型人才培养[J].中国安全生产科学技术,2011,6(7):172-175.

［4］王中华.现代教育技术应用于实验教学的若干方法与问题探究[J].实验技术与管理,2011,28(8):142-144.

［5］钱建平,陈宏毅,白艳萍.如何应对地质新技术发展带来的教学手段的变革[J].实验技术与管理,2011,28(8):16-19.

［6］温守轰,朱红卫,全宏瑞.高校多媒体教学的生成性探析[J].教育与职业,2011,17:97-99.

［7］宋广文,陈晓娜.多媒体教学的特点、问题与对策[J].当代教育科学,2011,24:50-51.

［8］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,2005,1.

［9］尚晓江,苏建宇.LS-DYNA动力分析方法与工程实例[M].北京:中国水利水电出版社,2006,1.