顧 鑫，章 青

(河海大學力學與材料學院，江蘇 南京 211100)

爆炸荷載作用下大壩破壞分析的數(shù)值模擬研究進展

顧 鑫，章 青

(河海大學力學與材料學院，江蘇 南京 211100)

對近年來爆炸沖擊荷載作用下大壩動力響應和破壞分析所采用的數(shù)值模擬方法的研究進展和發(fā)展趨勢進行綜述。重點總結現(xiàn)有計算爆炸力學數(shù)值方法進行大壩爆炸動力響應特征和破壞過程分析的研究成果，指出大壩爆炸響應分析是一個涉及炸藥爆炸、爆炸沖擊波形成和傳播、沖擊波或爆炸產(chǎn)物與壩體相互作用以及壩體結構動態(tài)響應的完整連續(xù)過程，同時總結了水庫大壩環(huán)境中的爆炸荷載分類、特點及其對大壩結構的破壞效應。指出各種爆炸條件下大壩的爆炸模擬需要關注的不同問題，今后需要在目前研究基礎上及時吸收計算力學的最新研究成果，發(fā)展高精度的數(shù)值計算方法和高效率的數(shù)值求解體系，實現(xiàn)大壩爆炸動力響應的全過程仿真模擬。

爆炸荷載；大壩破壞分析；數(shù)值模擬；研究現(xiàn)狀；綜述

大壩在服役期間內除受到自重、水壓等常規(guī)荷載作用外，還可能面臨爆炸沖擊等極端外荷載作用。戰(zhàn)爭實例表明，重大水利工程尤其是高壩以其顯著的政治經(jīng)濟效益是局部戰(zhàn)爭的重點攻擊對象[1-2]。大壩安全防護為世界各主要國家所重視，也是我國國家總體安全戰(zhàn)略的重要組成部分，爆炸沖擊荷載作用下大壩的毀損破壞過程和抗爆安全研究給學術界和工程界提出了迫切的要求和挑戰(zhàn)。

結構爆炸毀損涉及炸藥爆炸、爆炸沖擊波的形成和傳播、沖擊波或爆炸產(chǎn)物與固體結構的相互作用以及由此導致的結構動態(tài)響應4個過程[3]，涉及多相介質在高速、高溫、高壓等極端條件下的復雜力學行為，也必然會產(chǎn)生各種復雜的變形不連續(xù)特征，研究難度很大。試驗研究對大壩爆炸動力響應和破壞過程研究至關重要，國內外在水中爆炸、空中爆炸和侵徹爆炸等的化爆模擬試驗、核爆炸效應試驗、大壩模型潰壩試驗、機械沖擊試驗、離心機試驗等方面均開展了相關的試驗研究[1-2，4-11]，但試驗成本高，且爆炸的瞬時特征也會導致觀測困難，試驗研究獲得的有限數(shù)據(jù)還可能存在較大離散性。完全的理論分析方法只適用于一些簡單、理想化問題，對精確描述爆炸沖擊荷載作用下大壩的動力響應和破壞機制極為困難；半經(jīng)驗數(shù)據(jù)的理論分析技術雖然可以降低試驗成本，建立某些經(jīng)驗關系，但其應用范圍較窄。目前，計算爆炸力學的數(shù)值模擬與仿真技術已成為研究結構爆炸響應的主要手段，國內外研究者在炸藥爆轟、爆炸沖擊波傳播、結構爆炸的動態(tài)響應、毀傷破壞過程和抗爆防護等方面的數(shù)值模擬開展了許多卓有成效的研究，但現(xiàn)有研究主要集中于各類建筑結構工程、艦船工程和軍事設備領域，對大壩等水工結構工程的爆炸毀傷效應、破壞過程和破壞機理尚缺乏系統(tǒng)研究。

本文對爆炸荷載作用下大壩破壞分析的數(shù)值模擬方法和研究成果進行綜述。重點總結現(xiàn)有計算爆炸力學數(shù)值方法對大壩爆炸動力響應特征和破壞過程分析的研究成果，探討爆炸荷載分類、特點及其對大壩結構的破壞效應，指出各種爆炸條件下大壩爆炸模擬需要關注的問題，并對爆炸荷載作用下大壩毀損過程的全過程仿真模擬提出相關建議。

1 水庫大壩環(huán)境中的爆炸荷載及其特點

圖1 水庫大壩環(huán)境中的爆炸荷載Fig. 1 Blast loading exerted on reservoir dam

1.1 侵徹爆炸的特點和破壞效應

戰(zhàn)斗部裝藥對大壩的侵徹爆炸實質上是射彈的侵徹和炸藥爆炸2個過程的耦合作用，但由于作用機理的復雜性、過程的瞬時性和材料的差異性，通常將侵徹過程和爆炸過程分開單獨進行研究[18]。分析彈體對大壩的侵徹過程，關鍵是準確描述彈體與壩體的沖擊接觸過程、彈體的運動規(guī)律以及壩體的漸進破壞過程，進而分析爆炸產(chǎn)物與壩體結構的相互作用以及固體結構的動力響應。

侵徹爆炸會產(chǎn)生侵徹彈坑、爆腔、爆炸漏斗和震動效應。彈體的侵徹深度和軌跡與彈體材質、尺寸和運動參數(shù)以及壩體材質和結構相關，爆炸破壞范圍和爆腔尺寸等與炸藥性能、壩體材質和結構，以及前期侵徹破壞作用相關?？傮w來看，侵徹爆炸主要使大壩在侵徹部位、壩踵和起坡點附近區(qū)域發(fā)生局部破壞，而不至于發(fā)生整體失效破壞。

1.2 空中爆炸的特點和破壞效應

1.3 水下爆炸的特點和破壞效應

炸藥裝藥在水下爆炸具有以下特點：(a)水中爆炸沖擊波超壓峰值高、相比于空中爆炸隨距離衰減慢、波及范圍廣，對臨近水中建筑和艦船等結構產(chǎn)生較嚴重的破壞效應。(b)爆生高壓氣體的周期性脹縮運動形成多次脈動壓力，即氣泡脈動壓力，其滯后于沖擊波作用，作用頻率低、持時長、動能大，易激發(fā)水中結構物共振，具有較強的破壞力。(c)水下巖土介質處于水飽和狀態(tài)，深水爆炸時爆炸地震效應格外強烈，且衰減慢。(d)淺水爆炸氣體沖出水面形成強烈的空氣沖擊波，伴生的水噴和水面波浪效應升高，動壓大、拖曳力強，對岸邊設施的沖刷破壞力強。此外，淺水爆炸的水中沖擊波超壓峰值明顯低于深水爆炸值。(e)隨著爆心距增加，水下爆炸沖擊波很快衰減到介質聲速，因而可采用線性聲學近似描述遠場爆炸沖擊波的傳播規(guī)律。(f)水下爆炸沖擊在不同交界面(自由水面和結構面)發(fā)生反射，沖擊波疊加易造成水面切斷效應和氣穴現(xiàn)象(或空化效應)，氣穴荷載對臨近自由水面的建筑結構具有重要影響，故在分析壩體近場近水面爆炸時需要考慮氣穴效應。

2 爆炸荷載的施加方式

水庫大壩環(huán)境下的炸藥爆炸與結構動力響應涉及炸藥、水、空氣、壩體等多種材料介質，以及它們在高應變率、高溫、高壓等極端條件下的復雜力學行為，準確描述各種材料的力學行為需要有恰當?shù)臓顟B(tài)方程與本構模型。由于裝藥爆轟反應區(qū)機理復雜，高精度模擬裝藥爆轟過程還存在困難，通常采用定常爆轟反應速率函數(shù)配合爆轟產(chǎn)物的動力學狀態(tài)方程[19-20]描述炸藥爆炸過程：

(1)

(2)

式中：p——爆轟壓力；λ——爆轟反應速率函數(shù)，在0到1之間變化；peos——由爆轟產(chǎn)物狀態(tài)方程計算得到的爆轟壓力；A、B、R1、R2、ω——材料常數(shù)；V——爆轟產(chǎn)物的相對體積(即現(xiàn)時爆轟產(chǎn)物體積v與炸藥初始體積v0之比)，V=v/v0；E0——炸藥單位初始體積比內能；λ1——Wilkins反應速率函數(shù)；t——當前時間；tL——點火時間，不同單元或質點不同，它反映了爆轟波以爆速從起爆點傳播到該質點的時間；D——爆速；h——特征尺寸，采用有限元計算時一般取單元最小尺寸；λ2——CJ比體積燃燒函數(shù)(或β燃燒函數(shù))；γ——絕熱指數(shù)，pCJ——CJ點爆壓。

空氣采用理想氣體或真實氣體狀態(tài)方程描述：

(3)

式中：γ——絕熱指數(shù)；ρ、ρ0——材料現(xiàn)時密度和初始密度；e——單位質量比內能。

水體壓縮可用等熵狀態(tài)方程或多項式狀態(tài)方程描述，常用的一種多項式方程為

(4)

其中

式中：A、n、a1、a2、a3、b0、b1、b2、b3——水的材料常數(shù)。

土、巖石和混凝土等筑壩材料在高壓下可采用可壓縮流體模型描述，如Mie-Gruneisen方程：

(5)

式中：p*——冷壓，e*——冷比內能，?！窳帜松禂?shù)，g、h——材料常數(shù)。

在較高動壓下，土、巖石和混凝土等也可采用流體彈塑性模型描述：

(6)

式中：γ0、a——無量綱材料參數(shù)；E——系統(tǒng)內能。

式(6)給出流體彈塑性模型中狀態(tài)方程表示的球應力，球應力由物態(tài)方程控制； 同時，偏應力由胡克定律控制并受塑性準則修正。不能忽略材料強度效應時也可用含率效應的動態(tài)本構模型，如Holmquist-Johnson-Cook模型。

3 爆炸荷載作用下大壩動力響應的數(shù)值模擬研究

數(shù)值模擬方法可以對爆炸的4個階段及各自涉及的問題進行系統(tǒng)分析，促進爆炸荷載作用下大壩的動力響應、毀傷機理、破壞過程與抗爆性能評估研究，為大壩抗爆安全評估及綜合防護提供理論依據(jù)和科學支撐。目前，爆炸力學數(shù)值計算方法主要有4類：(a)基于網(wǎng)格的有限差分法、有限體積法和有限元法(Lagrange方法、Euler方法、ALE和CLE等Lagrange與Euler混合方法、TVD和WENO等為代表的高分辨率算法、CE/SE方法為代表的新型高精度算法)；(b)以光滑粒子流體動力學方法(SPH)和物質點方法(MPM)為代表的無網(wǎng)格方法；(c)以FEM-SPH耦合方法為代表的網(wǎng)格-無網(wǎng)格耦合分析方法；(d)能反映不連續(xù)變形特征的離散元方法、塊體元法和流形元方法等。寧建國等[19，21]在其出版的專著中，系統(tǒng)介紹了爆炸力學的內容、數(shù)值計算方法和相關研究成果。寧建國等[22]和王成等[22]分別綜述了爆炸力學數(shù)值計算方法和高精度數(shù)值模擬的研究進展。胡春紅等[13]分析和總結了水下爆炸現(xiàn)象數(shù)值模擬以及水下爆炸作用下結構響應的數(shù)值計算研究進展。辛春亮等[23]比較了LS-DYNA、DYTRAN、ABAQUS和AUTODYN這4種商業(yè)軟件在模擬水下爆炸問題的特點和適用范圍。宗智等[24]系統(tǒng)介紹了ABAQUS模擬中遠場水下爆炸問題的半經(jīng)驗性方法與分析算例。現(xiàn)有文獻采用的大壩爆炸響應和破壞分析的數(shù)值模擬方法皆可包含于上述4類。

3.1 離散元法

離散元法(DEM)在大壩的變形、抗滑穩(wěn)定性、大壩地震開裂和潰壩破壞等方面得到了應用，近年來在巖體爆破的動力響應和破壞分析中受到廣泛關注，但對壩體結構的爆炸響應研究較少。中國科學院力學研究所魯曉兵等[25-26]采用離散元法進行壩體表面埋置裝藥爆炸作用下混凝土壩的動力響應分析，驗證了DEM模擬混凝土壩爆炸破壞的可行性。他們通過與試驗比對的方法確定離散元法模型的計算參數(shù)，給出壩體表面質點速度時程曲線，并指出數(shù)值計算結果的精度與劃分塊體尺寸及材料參數(shù)密切相關。河海大學王冰玲等[27]基于四面體單元隨機剖分網(wǎng)格，采用離散元法模擬了上游壩面接觸爆炸荷載作用下三維混凝土壩的潰壩過程，但其采用經(jīng)驗公式直接將爆炸荷載施加到壩體上，影響爆炸模擬結果的準確性和真實性。

為充分發(fā)揮有限元法和離散元法各自的優(yōu)勢，研究者發(fā)展了多種FEM/DEM耦合分析方法。FEM/DEM耦合分析方法通常采用過渡層銜接有限元區(qū)域和離散元區(qū)域，或者采用接觸算法與位移約束條件描述有限單元與離散單元間的相互作用，或者在離散或破裂有限單元間引入離散元法的接觸力模型(即可離散有限元法或連續(xù)-非連續(xù)單元方法)，或者在一定條件下將有限單元轉化為離散單元。上述各種FEM/DEM耦合方法已在建筑結構倒塌、重力壩地震破壞分析、邊坡穩(wěn)定、混凝土等準脆性材料沖擊破壞、巖石劈裂破壞、顆粒-結構相互作用等多個領域得到初步應用，但FEM/DEM耦合方法在爆炸分析與大壩爆炸破壞分析中仍缺乏研究，僅嚴成增等[28]采用FEM/DEM耦合方法開展了爆炸氣體驅動下巖體破裂模擬。

3.2 Lagrange有限元法

浙江大學李鴻波等[29-31]采用連續(xù)損傷模型描述壩體行為，采用自主研制的三維各向異性脆性動力損傷有限元程序ADDFEP3D，分析了混凝土重力壩和拱壩及其基巖系統(tǒng)在大壩下游面受炸彈爆炸沖擊荷載作用下的動力響應、損傷演化與破壞問題。他們在研究中采用三角形荷載時程曲線施加爆炸荷載，忽略炸彈沖擊侵徹對壩體的毀損效應，也忽略了庫水滿庫工況時壩體與動水的耦合作用。

基于遠場水下爆炸沖擊波對重力壩的作用可近似為均勻沖擊荷載作用的假定，南京水利科學研究院顧培英等[32]采用ABAQUS/Explicit的Lagrange顯式動力學程序分析了不同沖擊荷載下大壩的動態(tài)響應和破壞形態(tài)?；诰€性聲學近似的聲-固耦合計算方法可以較好地模擬遠場水下爆炸問題的結論，長江科學院張啟靈等[33-35]采用ABAQUS/Explicit的顯式有限元程序，通過聲-固耦合方法模擬遠場水下爆炸沖擊作用下多種壩工結構的損傷發(fā)展規(guī)律和潛在破壞模式；需要指出，聲-固耦合模擬方法僅適用于中遠場爆炸，不能求解近場爆炸問題。

早期的分析爆炸沖擊問題的流體動力學程序(Hydrocode)多采用歐拉算法，近年來，北京理工大學[19，21]、北京應用物理與計算數(shù)學研究所[36]、中國科學院力學研究所和北京大學[37]等單位的學者也開發(fā)了一些基于Euler算法的爆炸計算程序，但采用單一歐拉法研究大壩爆炸動力響應和破壞問題的文獻還很少見。

3.3 Lagrange與Euler混合方法

網(wǎng)格類Lagrange方法方便確定物質界面移動，但在處理大變形問題時易發(fā)生網(wǎng)格扭曲纏繞，導致求解不精確甚至失效；Euler方法適合模擬大變形問題，但存在難以精確追蹤物質界面和多介質混合網(wǎng)格的力學量的問題?；贚agrange和Euler的混合算法已成為計算爆炸力學當今的研究重點，任意拉格朗日-歐拉(Arbitrary Lagrangian-Eulerian， ALE)法和耦合歐拉-拉格朗日(Coupled Eulerian-Lagrangian， CLE)法是2種典型的耦合分析方法，在爆炸沖擊模擬中取得良好效果?，F(xiàn)有近場爆炸和侵徹爆炸荷載作用下大壩的動力響應和破壞分析多采用Lagrange與Euler混合方法。其中：高能炸藥、庫水和空氣采用Euler網(wǎng)格建模，采用多物質Euler算法或多物質ALE算法求解；大壩等固體結構采用Lagrange網(wǎng)格建模，采用Lagrange算法求解；采用流固耦合算法描述庫水/空氣與大壩之間的相互作用，流固耦合方法包括合并流體和結構的界面節(jié)點方法、Noh耦合方法、罰函數(shù)接觸算法和Ghost耦合算法等。

武漢大學潘超[38]以LS-DYNA2D軟件的Euler有限元法分析了炸藥淺水爆炸時沖擊波傳播規(guī)律和水體噴柱現(xiàn)象，采用ALE方法分析了上游水面近壩爆炸、上游庫底近壩爆炸作用下混凝土重力壩的應力變化規(guī)律、壩體振動特性、壩體損傷演化和破壞規(guī)律。指出：水面近壩爆炸易造成壩踵和下游面起坡點附近拉應力應力集中，水面爆炸時壩頭部分損壞嚴重，壩體中部及下部損壞并不嚴重，壩踵附近有小范圍局部損傷；庫底爆炸時壩踵區(qū)域嚴重破壞，壩基面損傷破壞區(qū)域大，對大壩安全影響更為嚴重。采用ALE方法分析了巡航導彈垂直打擊壩頂與水平打擊壩體上游不同部位時，侵徹爆炸作用下混凝土重力壩的應力和應變變化規(guī)律、爆腔大小及壩體最終破壞范圍，指出侵徹爆炸易造成侵徹部位、壩踵和起坡點附近的局部破壞，提出了壩踵加厚、改善混凝土材料性能、在重點部位增加纖維材料的大壩抗爆安全防護措施。但其研究忽略了侵徹過程及其對大壩的損毀效應；炸藥爆轟采用Lagrange算法，并通過接觸滑動算法研究爆炸產(chǎn)物與壩體的相互作用，但接觸滑動算法的描述還不完善。

第二炮兵學院李本平等[39-41]利用LS-DYNA軟件的ALE方法，在精確制導炸彈侵徹爆炸和重復打擊等條件下，研究了混凝土重力壩的動態(tài)響應、破壞效應及壩體的抗滑穩(wěn)定性問題，分析了制導炸彈在壩前水面爆炸時水下和空中沖擊波的傳播規(guī)律以及大壩的動態(tài)響應。其研究表明：(a)侵徹爆炸造成壩體局部毀傷破壞，且呈現(xiàn)以爆炸作用為主、侵徹作用為輔的破壞特征；(b)重復打擊下彈藥爆炸具有明顯的疊加效應，大壩毀傷更為嚴重，對大壩的正常運行及安全構成威脅。第二炮兵學院孟會林等[42]采用同樣的方法研究上游近壩面水下爆炸和上游深水庫底壩踵處爆炸時，典型混凝土重力壩斷面的動力響應特性和破壞范圍。張甲文等[3]采用相同方法研究鉆地武器垂直侵徹壩頂后爆炸下，混凝土重力壩的動態(tài)響應，指出壩頂遭到侵徹爆炸時破壞區(qū)主要集中在壩頭部分。

上海交通大學徐俊祥等[3]建立了壩體、壩基、炸藥、水及空氣二維全耦合計算模型，全過程分析了水下爆炸時混凝土重力壩的彈性加速度和位移時程變化規(guī)律。河海大學Yu[44]利用LS-DYNA軟件的ALE算法研究了發(fā)生上游壩面接觸爆炸時，水面、水中和庫底等3種不同位置炸藥爆炸對混凝土壩體動力響應和毀傷破壞的影響，指出距庫底一定距離的水中爆炸對壩體的毀傷最為嚴重。劉軍等[45]采用荷載時程曲線，在壩體頂部施加均布爆炸荷載，利用LS-DYNA軟件研究了兩河口土石壩在壩頂局部接觸爆炸作用下的動力響應和毀傷破壞問題。張智超等[46]利用LS-DYNA內的多物質ALE方法分析了均質土石壩的爆炸破壞問題，研究不同炸藥埋深和不同孔壓上升程度對堤壩彈坑及爆腔效應的影響。Zhu等[47]采用LS-DYNA研究了水下爆炸作用下三維混凝土拱壩的動力響應問題，指出水下爆炸沖擊作用下拱壩的水平位移、速度和加速度動力響應比豎直方向更為顯著。Linsbauer[48]通過建立庫水-壩體耦合模型，對庫底爆炸沖擊荷載作用下的混凝土重力壩(上游面含水平裂縫)的動力響應、穩(wěn)定性及破壞機理進行了研究。

天津大學張社榮等[49-53]、王高輝等[54-55]基于LS-DYNA、AUTODYN和ABAQUS等軟件，構建壩體、壩基、炸藥、水及空氣的三維全耦合模型，采用CLE法和ALE法系統(tǒng)研究混凝土重力壩在侵徹爆炸、水中爆炸和空中爆炸等不同爆炸方式下的動力響應、破壞模式及抗爆性能，為大壩抗爆性能評估和防護設計提供基礎。對淺水爆炸的沖擊波傳播過程和水面切斷效應進行分析，進而針對水下爆炸沖擊波傳播及荷載特點，探討了混凝土重力壩在水下爆炸沖擊荷載作用下，大壩高度、庫前水位和局部配置抗爆鋼筋對大壩抗爆性能的影響。張社榮等[56]還分析了淺水爆炸下混凝土高拱壩的動態(tài)響應、可能破壞模式及抗爆性能，并進而研究了網(wǎng)格尺寸對空中、水下爆炸模擬精度的影響，并給出網(wǎng)格尺寸的確定方法[57-58]。王高輝等[59-60]研究了近水面水下爆炸沖擊波傳播特性和氣穴效應問題，并對比了水下爆炸和空中爆炸沖擊波的傳播特性[61]，以及2種爆炸條件下重力壩的不同動態(tài)響應特性[62-63]。張社榮等[64]和楊明[65]采用LS-DYNA的ALE算法研究了水下爆炸沖擊下重力拱壩的動力響應、破壞特性和增加泡沫鋁結構的抗爆性能。朱祖國等[66]采用同樣方法模型分析了混凝土閘壩在進口段庫前和內部發(fā)生水下爆炸時的失效模式。金亮等[67]考慮壩身孔口對結構抗爆性能的影響，研究了水下爆炸沖擊荷載作用下重力拱壩及壩后式廠房的動力響應和破壞模式，分析了爆心距對大壩結構破壞模式的影響。他們的研究表明：水中爆炸沖擊荷載作用下大壩的破壞效應較大，水下貼壩面爆炸時大壩破壞最嚴重，侵徹爆炸和空中爆炸的毀傷效應主要體現(xiàn)為壩體的局部破壞效應；采用配筋抗爆措施能夠顯著限制壩體裂縫的擴展和貫穿，減少壩體開裂破壞范圍，有效地改善壩體的抗爆性能。

3.4 SPH、MPM和PD等無網(wǎng)格法

近年來，無網(wǎng)格粒子類方法[68-71]成為國際計算力學領域的研究熱點之一，光滑質點流體動力學方法(smoothed particle hydrodynamics， SPH)、物質點法(material point method， MPM)，以及近場動力學方法(peridynamics， PD)是其典型代表。光滑質點流體動力學方法的無網(wǎng)格、Lagrangian性質能夠自然處理爆炸產(chǎn)生的大變形、多介質等問題；目前，SPH程序已集成于AUTODYN、LS-DYNA等商業(yè)軟件中，在爆炸問題分析中得到廣泛應用，也應用于大壩的爆炸毀損分析，得到工程界的認可。物質點法是一種無網(wǎng)格粒子法，兼有Lagrange方法和Euler方法的優(yōu)點，能夠自然描述爆炸涉及的大變形、運動物質交界面和多介質耦合等問題；目前，研究者積極開展MPM在爆炸分析中的理論和應用研究，已初步形成了商業(yè)分析軟件[69]，但尚未應用到大壩毀傷分析領域。近場動力學方法是一種新興的非局部無網(wǎng)格粒子類方法[70]，具有類似SPH方法的優(yōu)勢，同時在分析固體破壞問題時優(yōu)勢顯著，是爆炸問題分析的一種較有潛力的方法，目前僅Demmie[71]初步開展了炸藥爆轟和彈頭破碎的模擬研究，亟待進一步發(fā)展。

3.5 SPH/FEM等耦合法

有限元法與光滑粒子流體動力學(SPH/FEM)耦合方法在大變形區(qū)域采用SPH點，在小變形區(qū)采用FEM網(wǎng)格，充分利用FEM的計算效率與準確施加本質邊界條件優(yōu)勢，以及SPH方法能更準確模擬大變形問題而沒有網(wǎng)格畸變問題的優(yōu)勢。張社榮等[72]和王帥[73]使用AUTODYN軟件的 FEM/SPH耦合方法分別研究水下接觸爆炸下重力壩的動態(tài)響應，以及近水面水下爆炸對大壩動力響應及破壞模式的影響規(guī)律。同時，物質點法或近場動力學方法與有限元法的耦合分析是一個潛在研究方向，有利于促進大壩結構的爆炸毀傷分析。

4 結論與展望

a.計算爆炸力學的數(shù)值模擬與仿真技術已成為結構爆炸響應的主要研究手段，便于系統(tǒng)研究炸藥爆轟、爆炸沖擊波傳播，以及結構爆炸的動態(tài)響應、毀傷破壞過程和抗爆防護等問題。

b.現(xiàn)有的數(shù)值模擬研究多基于LS-DYNA、AUTODYN和ABAQUS等商用軟件，這些軟件都有各自的適用范圍，相應的數(shù)值計算方法也存在一些不足。自主研發(fā)的計算程序在分析大壩的爆炸動力響應和破壞問題的成果還不多見，同時對計算模型做了許多簡化處理，計算精度有待進一步提高。商用軟件在及時吸收先進理論和算法、改進計算方法等方面難度較大，一些商用軟件的關鍵部分存在對華禁用的現(xiàn)實問題。結構的抗爆安全性研究事關國家安全，必須獨立自主研發(fā)相關分析程序。

c.現(xiàn)有的大壩爆炸毀傷機理和破壞過程的研究還不夠系統(tǒng)和深入，需要加大研究投入。大壩的侵徹爆炸研究還較少，常用的ALE方法考慮侵徹和爆炸2個過程聯(lián)合作用，但基于網(wǎng)格分析方法在準確模擬裂紋擴展時遇到困難，且一些研究中忽略侵徹過程對壩體的毀傷作用而只分析爆炸作用；FEM/DEM耦合方法尚未運用到大壩的爆炸模擬中；SPH/FEM的耦合分析方法尚未運用到壩體開裂分析；物質點法等無網(wǎng)格粒子類方法在分析侵徹破壞問題中具有顯著優(yōu)勢，有望進一步促進侵徹爆炸數(shù)值模擬的發(fā)展。水下爆炸和空中爆炸需要關注沖擊波在不同爆炸介質中的傳播特性，以及多種邊界面或結構面對沖擊波傳播的影響，需要加強水下氣泡脈動對結構的毀傷模擬研究。3種爆炸條件均需考慮多相介質的流固耦合作用，需加強流固耦合方法研究，提高荷載的施加精度。

d.基于傳統(tǒng)連續(xù)介質力學的數(shù)值分析方法與不連續(xù)破壞問題本身存在根本矛盾，不能很好地描述結構的損傷累積、宏觀裂紋萌生與擴展、局部斷裂乃至整體失穩(wěn)的漸進破壞過程。其中的Lagrange方法在處理大變形問題時易發(fā)生網(wǎng)格扭曲纏繞導致求解不精確甚至失效；Euler方法雖然便于處理大變形問題，但運動物質界面的精確追蹤和多介質混合網(wǎng)格問題處理難度大；ALE和CLE等混合方法兼具Lagrange和Euler法的特點，但需要著重處理2種單元界面的耦合作用。網(wǎng)格類數(shù)值方法在分析大變形問題時，一般采用網(wǎng)格重構或侵蝕算法，網(wǎng)格重構技術處理復雜、侵蝕算法刪除破壞單元不能真實反映爆炸產(chǎn)物與壩體間的作用過程。SPH和MPM等無網(wǎng)格方法近年來受到廣泛重視，但仍存在裂紋等不連續(xù)處的空間導數(shù)不存在的奇異性問題；無網(wǎng)格方法通常計算耗時多，需通過并行計算等高性能計算方式加以解決。SPH/FEM等網(wǎng)格-粒子類無網(wǎng)格耦合方法通過點、面接觸模擬兩者間的相互作用，但還不成熟，需要研究高精度的耦合計算方法。DEM方法能自然模擬結構損傷破壞，但其難以精確確定單元間接觸模型的參數(shù)，且計算精度和效率低于有限元方法；FEM/DEM耦合分析方法具有一定優(yōu)勢。及時吸收計算力學領域的最新研究成果有利于促進大壩等工程結構的爆炸分析。

e.雖然大壩爆炸的動力響應和破壞分析已取得許多研究成果，但仍有許多待研究問題，如：侵徹爆炸的侵徹和爆炸過程的聯(lián)合分析、水下爆炸沖擊波和氣泡脈動壓力聯(lián)合作用下大壩的動態(tài)響應特征和破壞效應、各種常規(guī)壩型和特種壩型的爆炸毀損分析、壩體局部構造對大壩整體爆炸毀傷效果的影響，以及大壩抗爆防護方案設計和優(yōu)化等問題。

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Progress in numerical simulation of dam failure under blast loading

GU Xin，ZHANG Qing

(CollegeofMechanicsandMaterials，HohaiUniversity，Nanjing211100，China)

Research progress and development trends in numerical simulation methods for analyzing the dynamic response and failure process of dams under blast and impact loads are reviewed. Research findings regarding the dynamic response and failure process of dams under blast loading obtained through the existing numerical simulation methods for the computation of explosion mechanics are focally summarized. It is pointed out that the dam dynamic response analysis under blast loading involves an explosion，the formation and propagation of a shockwave，the interaction between the shockwave and the dam body，and the dynamic response of the dam body. The classification and characteristics of the blast loads exerted on dams and their damage effects on dams are summarized，and issues that require more attention in dam explosion simulation under explosion conditions are pointed out. Based on current research，the latest research achievements of computational mechanics should be absorbed into future research to develop high-precision numerical methods and high-efficiency numerical solution systems，and to realize the entire process simulation of the dam dynamic response to explosions.

blast loading； dam failure analysis； numerical simulation； research status； review

10.3876/j.issn.1000-1980.2017.01.007

2016-04-23

國家自然科學基金(11672101，11372099， 11132003) ；“十二五”國家科技支撐計劃(2015BAB07B10)；江蘇省自然科學基金(BK20151493)

顧鑫(1991—)，男，江蘇連云港人，博士研究生，主要從事計算力學與災變破壞力學研究。E-mail：guxinlx1010@gmail.com

章青，教授。E-mail：lxzhangqing@hhu.edu.cn

TV698；O347；O38

A

1000-1980(2017)01-0045-11