胡俊強(qiáng)，孟聞遠(yuǎn)，劉 鑫

(華北水利水電學(xué)院，河南鄭州450045)

黃河冰凌災(zāi)害歷史悠久.在古代，黃河流域的人民就頻頻遭受凌汛災(zāi)害，造成的損失難以估計(jì).近現(xiàn)代黃河冰凌災(zāi)害本身固有的頻發(fā)、難預(yù)報(bào)、難防等特點(diǎn)，再加上防治技術(shù)的落后，凌災(zāi)的防治需消耗巨大的人力、物力、財(cái)力［1］，嚴(yán)重影響了黃河沿岸廣大人民群眾的生活和國(guó)家經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展.在黃河防凌減災(zāi)新技術(shù)的研究中，水下爆炸技術(shù)的深入研究涉及優(yōu)化爆破和安全爆破，是重中之重.為了避免凌汛、冰塞、冰壩的形成，需要在冰蓋上開辟冰凌下排河道，而單發(fā)聚能隨進(jìn)破冰器材排列成陣組合爆破是開辟河道的最佳選擇.至于如何組合排列器材使得以最小能耗達(dá)到最佳排凌目的是其中的關(guān)鍵.

筆者利用ANSYS/LS－DYNA軟件對(duì)組合炸藥水下冰凌爆破進(jìn)行數(shù)值模擬，并與組合陣列爆破試驗(yàn)對(duì)比分析，驗(yàn)證數(shù)值模擬的可靠性，其成果為開辟排凌河道，進(jìn)行聚能隨進(jìn)爆破的聚能隨進(jìn)系列爆破器材設(shè)計(jì)及陣列優(yōu)化布設(shè)提供計(jì)算方案，并降低試驗(yàn)成本.

1 組合冰凌爆破模型

1.1 模型尺寸

組合冰凌爆破模型由炸藥、水、冰體組成.總體模型尺寸為100 cm×400 cm×400 cm，水域尺寸為80 cm×400 cm×400 cm，冰體尺寸為20 cm×400 cm×400 cm，炸藥尺寸為10 cm×10 cm×10 cm，組合炸藥間距180 cm，如圖1所示.

圖1 組合冰凌爆破模型

從已有研究成果得知，對(duì)此種條件下的冰體，炸藥置于冰蓋下10 cm處，爆炸效果最佳.故這里的數(shù)值模擬及試驗(yàn)均在相同條件下對(duì)比研究.炸點(diǎn)位于圖1 的對(duì)角面上，坐標(biāo)分別為(135，135，70)，(265，265，70)，如圖2 所示.

圖2 炸點(diǎn)位置示意圖(圖1的對(duì)角面)

1.2 模型材料

炸藥采用HIGH－EXPLOSIVE－BURN模型，其狀態(tài)方程為 JWL方程.水體采用 NULL模型、GRUNEISEN狀態(tài)方程.冰體采用各向同性彈性斷裂模型即ISOTROPIC－ELASTIC－FAILURE模型，密度為900 kg/m3，剪切模量為 2.20 ×109Pa，屈服應(yīng)力為 2.12×106Pa，塑性硬化模量為 4.26×109Pa，體積模量為5.26×109Pa，塑性失效應(yīng)變?yōu)?.35，截?cái)鄩毫?－4 ×106Pa.

1.3 邊界條件

該模型采用無反射邊界條件，避免沖擊波到達(dá)邊界以后反射和折射與初始沖擊波疊加，影響模擬結(jié)果［2］.

1.4 計(jì)算方法

模型采用3D solid 164單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，使用多物質(zhì)ALE算法，即多物質(zhì)任意拉格朗日－歐拉算法.冰體、炸藥、水體之間的界面采用流固耦合算法［3］.

2 數(shù)值模擬結(jié)果

2.1 壓力峰值

庫(kù)爾給出了TNT炸藥水下爆炸沖擊波峰值壓力的經(jīng)驗(yàn)公式:

式中:W為裝藥量，kg;R為研究位置至炸點(diǎn)的距離，m;k，α為與炸藥性能有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)參數(shù).

由于該模型屬于淺水域水下爆炸，所以水下爆炸沖擊波壓力－時(shí)間函數(shù)關(guān)系為

式中:Pm為水中沖擊波壓力峰值，Pa;t為時(shí)間，s;θ為沖擊波的指數(shù)衰減時(shí)間常數(shù)［4］.

由上述公式計(jì)算出的沖擊波壓力峰值與數(shù)值模擬結(jié)果基本吻合.

2.2 冰體動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析

TNT炸藥組合在水下爆炸產(chǎn)生的沖擊波在水介質(zhì)中傳播，到達(dá)冰體下表面后加載于整個(gè)冰體，使冰體破碎，達(dá)到疏通河道等防凌減災(zāi)的目的.冰體的應(yīng)力分布如圖3所示.由試驗(yàn)結(jié)果可知，冰體迎爆面受壓，背爆面受拉，整體表現(xiàn)為劈裂破壞，其破壞過程如圖4所示.

圖3 冰體應(yīng)力分布

圖4 冰體材料破壞過程

3 試驗(yàn)研究

試驗(yàn)采用1 kg TNT炸藥作為聚能隨進(jìn)器材組合裝藥爆炸，在相同冰體、水體、水溫條件下進(jìn)行試驗(yàn).組合聚能隨進(jìn)器材爆破后冰體破碎效果如圖5所示.

圖5 組合聚能隨進(jìn)器材爆破后冰體破碎效果

單發(fā)聚能隨進(jìn)器材爆破后冰體破碎區(qū)域直徑在2 m左右，而2發(fā)組合聚能隨進(jìn)器材爆破后冰體破碎區(qū)域每個(gè)直徑在2.3 m左右，這說明2個(gè)炸點(diǎn)的炸藥同時(shí)起爆，冰體整體破碎區(qū)域的面積超過單發(fā)聚能隨進(jìn)器材爆破后冰體破碎區(qū)域面積的2.5倍.所以組合聚能隨進(jìn)器材爆破效果要優(yōu)于單發(fā)聚能隨進(jìn)器材逐個(gè)爆破，開辟排凌河道需采用陣列布設(shè)才能達(dá)到節(jié)約能耗的目的.

4 結(jié)語(yǔ)

1)數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果表明，利用聚能隨進(jìn)技術(shù)的水下爆破效果比冰面上及冰體內(nèi)的爆炸效果更好.經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，計(jì)算物理模型及程序可靠.

2)利用ANSYS/LS－DYNA軟件建立了組合冰凌爆破數(shù)值模型，通過數(shù)值計(jì)算，沖擊波峰值壓力與理論計(jì)算結(jié)果基本吻合，恰當(dāng)處理了沖擊波荷載的加載方法;通過整個(gè)冰體動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程及應(yīng)力分布可以確定出冰體破壞形態(tài)，為冰蓋上更大規(guī)模的陣列爆破布置方案研究打下了基礎(chǔ);為開辟排凌河道提供理論指導(dǎo).在達(dá)到合理、有效排凌目的前提下，優(yōu)化布置爆破陣列，可大大降低成本.

3)該研究成果在我國(guó)凌災(zāi)分布區(qū)域的新方案研究中均可推廣應(yīng)用.

［1］孟聞遠(yuǎn)，張蕊，王俊鋒.黃河防凌減災(zāi)方案新探索［J］.華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，33(2):50－52.

［2］石少卿，康建功，汪敏.ANSYS/LS－DYNA在爆炸與沖擊領(lǐng)域內(nèi)的工程應(yīng)用［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.

［3］ 時(shí)黨勇，李裕春，張勝民.基于 ANSYS/LS－DYNA8.1進(jìn)行顯式動(dòng)力分析［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004.

［4］寧建國(guó)，王成，馬天寶.爆炸與沖擊動(dòng)力學(xué)［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2010.

［5］師華強(qiáng)，汪玉，宗智，等.近水面水下爆炸二維Level－set數(shù)值模擬［J］.計(jì)算力學(xué)學(xué)報(bào)，2010，27(3):9 －14.

［6］李澎，徐更光.水下爆炸沖擊波傳播的近似計(jì)算［J］.火炸藥學(xué)報(bào)，2006，29(4):21 －24.

［7］王振宇，唐兆田，王善，等.水下爆炸氣泡脈動(dòng)的數(shù)值計(jì)算［J］.哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，29(1):22－27.