孟聞遠，劉 鑫，胡俊強

(華北水利水電學院，河南鄭州450045)

黃河由于特殊的地理位置、熱力、水力及河道邊界條件，每年都會出現(xiàn)不同程度的冰封及凌汛災害，嚴重影響了人民群眾的正常生產及生活.在長期的凌汛防治過程中，人們總結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調度指揮等等.這些傳統(tǒng)的防凌措施雖然在以往的冰凌防治工作中發(fā)揮了重要的作用，但由于各種措施的局限性，黃河的凌災還無法有效地防治.

對此，筆者在基于物聯(lián)網(wǎng)技術預測預報的基礎上，曾提出“變被動防御為主動防御、變軍隊應急機制為軍民聯(lián)合防治機制、變傳統(tǒng)器材爆破為現(xiàn)代軍民兩用器材爆破”的防凌新理念與基于聚能隨進技術的冰凌爆破新方案，能夠有效地突破傳統(tǒng)爆破方法的局限性［1－2］.

在此基礎上，筆者運用LS－DYNA數(shù)值模擬技術研究了同等裝藥量在不同位置爆炸時冰體的破壞特征，研究結果能夠指導聚能隨進破冰器材的研發(fā).

1 聚能隨進技術

傳統(tǒng)冰凌爆破利用飛機、大炮等軍用器材從上面拋射炸彈在冰上方觸及冰面轟炸的方式破冰，能量利用率低、危險性高、機動性差、人力物力消耗大，在易形成冰塞冰壩的過水建筑物、狹窄河道處又難以施爆.如果把黃河冰體視為板結構脆性材料，若垂直冰平面施爆，建立冰蓋抗彎折受力破碎力學模型，將會在同樣能耗條件下，達到更好的破冰效果.聚能隨進技術即是基于這一原理引入的破冰新技術.

聚能隨進技術的原理是使裝有炸藥的破冰器材穿越冰蓋下方一定距離后再發(fā)生爆炸，充分利用炸藥的爆破能量，提高冰凌的爆破效率.采用聚能隨進技術的破冰器材具有安全性好、可靠性高、機動靈活、裝藥量少、破冰效率高、環(huán)境適應性強、重量輕、操作簡單、布設快速、便于單人攜行等優(yōu)勢，可作為軍民防凌減災系列化器材應用于黃河、渤海灣、黑龍江等地的防凌爆破中.研發(fā)聚能隨進破冰器材需要確定在定量的炸藥及給定的冰厚與溫度情況下，炸藥在冰下多少距離爆炸時形成的爆破效果最好，以指導設計部門對器材延時起爆參數(shù)的設計.

鑒于此，筆者利用ANSYS LS－DYNA軟件進行數(shù)值模擬.給定裝藥量 1 kg，氣溫 －12℃，冰厚20 cm，分別研究在冰體表面、冰體內部10 cm及冰下0，10，20，30，40 cm 爆破時冰蓋的爆破半徑，并與現(xiàn)場試驗進行對比分析，驗證理論分析及計算程序的可靠性.研究結果對研發(fā)各種凌汛狀況下聚能隨進破冰器材的型號有重要意義.

2 數(shù)值模型及材料參數(shù)

2.1 有限元模型

單元類型選用LS－DYNA Explicit 3D Solid 164三維實體單元［3］.由于爆炸問題的對稱性，只建立了1/4個模型，三維冰體模型的尺寸為20 cm×100 cm×100 cm，炸藥為10 cm ×10 cm ×10 cm，水體尺寸為80 cm×100 cm×100 cm，在對稱面方向施加對稱約束，冰體上表面為臨空面，其余面定義為無反射邊界條件.采用映射網(wǎng)格劃分方法，單元尺寸為2.5 cm，模型的單位制為 cm －g－μs.

2.2 材料參數(shù)

根據(jù)冰體的破壞機理及以往的研究結果，冰體采用各向同性彈性斷裂模型ISOTROPIC－ELASTIC－ FAILURE［4］，參數(shù)見表 1.

表1 冰體材料參數(shù)

炸藥采用 HIGH －EXPLOSIVE －BURN［5］高能炸藥模型，其JWL狀態(tài)方程為

式中:P為爆轟壓力，GPa;V為相對體積;E為初始內能，kJ;ω，A，B，R1，R2為材料常數(shù)［6］，取值分別為:ω =0.35，A=5.41 GPa，B=0.094 GPa，R1=4.5，R2=1.1.

水體采用 MAT_NULL［7］模型.

3 水下冰體爆炸數(shù)值模擬結果分析

冰體的爆破如同巖石一樣，是由炸藥爆轟反應產生的爆轟波激起爆炸應力波及爆炸氣體產生膨脹做功兩個方面的綜合作用引起的［8］.

分別模擬了炸藥在冰體表面、冰體內10 cm以及冰下 0，10，20，30，40 cm 處爆炸時上層冰蓋的破壞情況，模擬結果如圖1—7所示.

計算結果表明，在爆炸沖擊波的作用下，在一定半冰徑區(qū)域內，冰體明顯破碎，在徑向、環(huán)向有明顯裂縫產生，在破碎區(qū)，冰體呈破碎性脆斷;從解體的破碎區(qū)到未破裂的過渡區(qū)，有環(huán)向裂紋和徑向裂紋分割的尚未解體的次破碎冰區(qū).數(shù)值模擬的計算結果見表2.

圖5 冰下20 cm

圖6 冰下30 cm

圖7 冰下40 cm

表2 數(shù)值模擬計算結果

4 試驗研究

由華北水利水電學院防凌減災研究所與工程兵科研三所組成的破冰試驗小組于2010年3月及2012年3月兩次赴內蒙古包頭市磴口黃河冰封河段開展了破冰試驗.

試驗內容包括采用1 kg的TNT炸藥在與上述冰內、冰下對應方位不同位置進行了爆破試驗，爆破效果如圖8及圖9所示.現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)見表3.

圖8 冰凌破碎情況示意圖

表3 現(xiàn)場試驗結果

試驗結果表明，在爆炸沖擊波的作用下，在一定半徑區(qū)域內，冰體明顯破碎，在徑向、環(huán)向有明顯裂縫產生.在破碎區(qū)，冰體呈破碎性脆斷，從解體的破碎區(qū)到未破裂的過渡區(qū)，有環(huán)向裂紋和徑向裂紋分割的尚未解體的次破碎冰區(qū);不同爆炸位置，過渡區(qū)寬窄不一.

將試驗結果與數(shù)值模擬結果比較可知，二者冰體破碎狀態(tài)基本吻合，同樣裝藥量爆炸效果與計算結果基本接近，證實計算模型及計算結果的可靠性.

圖9 現(xiàn)場爆破情況

5 結語

1)數(shù)值模擬計算與試驗結果表明，筆者提出的聚能隨進爆破方案比常規(guī)爆破方案合理得多，爆破效果較好.其中冰面爆破效果最差，冰內爆破效果也不理想，冰下最佳點的爆炸半徑是冰面爆炸的近19倍，是冰內爆炸的4倍多.

2)試驗驗證結果表明計算理論及程序可靠.為理論指導爆破器材與爆破陣列布設方案設計打下了基礎.

3)冰面、冰內爆炸均不是最佳爆炸位置，冰下最佳爆炸位置的確定，為各種裝藥量、各種溫度及各種冰厚尺寸下，聚能隨進爆破器材的延時參數(shù)設計提供了數(shù)值模擬手段，降低了試驗費用.

4)在黃河河段上，針對形成冰塞、冰壩的冰蓋、漂浮的大塊冰體以及即將形成的冰塞、冰壩，利用新的爆破方案數(shù)值模擬技術，為研發(fā)靜態(tài)擺放、遠距離投射或直瞄發(fā)射的具有“快速、安全、便捷、高效”的聚能破冰器材奠定了基礎.

5)該成果在我國凌災分布區(qū)域的破冰新方案研究中均可推廣.

［1］孟聞遠，郭穎奎，王璐.黃河冰凌特點及防治措施［J］.華北水利水電學院學報，2010，31(6):27－29.

［2］孟聞遠，張蕊，王俊鋒.黃河防凌減災方案新探索［J］.華北水利水電學院學報，2012，33(2):50－52.

［3］王璐.冰體動力特性及爆炸響應分析［D］.鄭州:華北水利水電學院，2011.

［4］郭穎奎.流冰碰撞下橋墩破壞有限元仿真分析研究［D］.鄭州:華北水利水電學院，2011.

［5］石少卿，康建功，汪敏，等.ANSYS/LS－DYNA在爆炸與沖擊領域內的工程應用［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2011.

［6］ 時黨勇，李裕春，張勝民.基于 ANSYS/LS－DYNA8.1進行顯式動力分析［M］.北京:清華大學出版社，2004.

［7］寧建國，王成，馬天寶.爆炸與沖擊動力學［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2010.

［8］佟錚，馬萬珍，曹玉生.爆破與爆炸技術［M］.北京:中國人民公安大學出版社，2001.