周文君 聶紅鑫 王帥

摘要：

為提高工程爆破模擬前處理工作的效率、改善爆破設置方法，基于HyperMesh二次開發(fā)技術，結合爆破工程學專業(yè)知識，利用TCL/TK語言編寫爆破前處理工作插件。該插件支持用戶根據(jù)爆破工程實際情況設置炸藥起爆位置、炸藥種類和炸藥當量，融合LSDYNA多物質流固耦合技術，使傳遞沖擊波的介質與爆破物體間能夠在單元非共節(jié)點狀態(tài)下傳力。該插件使用圖形化界面進行多起爆點設置和起爆點參數(shù)修改，采用介質有限元網(wǎng)格自動劃分技術優(yōu)化HyperMesh的爆破邊界條件設置。應用該插件優(yōu)化HyperMesh工程爆破的前處理工作，既能保證結果的準確性，又能減少爆破前處理設置的復雜操作、提高工作效率。

關鍵詞：

中圖分類號：? O383.1; TB115.1

文獻標志碼：? B

Preprocessing optimization of engineering blasting simulation based on HyperMesh

ZHOU Wenjun， NIE Hongxin， WANG Shuai

（Civil Engineering college， Jilin University of Architecture and Technology， Changchun 130000， China）

Abstract：

To improve the efficiency of preprocessing of engineering blasting simulation and improve the blasting setting method， the plugin for blasting preprocessing is wrote by using TCL/TK language based on the secondary development technology of HyperMesh and combined with professional knowledge of blasting engineering. The plugin can support users to set the explosive initiation position， explosive type and explosive equivalent according to the actual situation of blasting engineering. Using LSDYNA multimaterial fluidstructure coupling technology， the force transfer between the shock wave transmission medium and the blasting object can be carried out in the non conode state of the element. The graphical interface is used to set multiple initiation points and modify parameters of initiation points. The blasting boundary condition setting in HyperMesh is optimized by using automatic mesh generation technology of medium finite element. The application of the plugin for the preprocessing optimization of HyperMesh engineering blasting can not only ensure the accuracy of the results， but also reduce the complicated operation of preprocessing settings and improve the working efficiency.

Key words：

HyperMesh; secondary development; fluidstructure coupling; multipoint detonation; explosive; boundary condition; finite element

0 引 言

近年來，意外爆炸事故頻發(fā)。爆炸沖擊波導致建筑物劇烈震蕩，引起結構破壞，甚至造成建筑物整體倒塌，嚴重威脅人類的生命和財產(chǎn)安全。[1]在建筑安全領域，爆炸沖擊載荷已成為重點關注的載荷形式之一，提升結構抗爆能力已成為工程技術人員急需攻克的難題之一。在隧道挖掘工程中，爆炸安全問題也非常重要。[2]隧道專家提出許多施工方法，適用于不同的工程地質條件，其中鉆爆法是較為經(jīng)濟、合理、適用的隧道施工方法[3]，但爆炸載荷對周圍的建筑物、臨近的地下管道都會產(chǎn)生影響，這類問題不適合用試驗方法進行研究。除此之外，水下爆炸問題，如潛水艇的研究和制造等均與工程爆破計算息息相關。

通用有限元前處理軟件ANSYS和HyperMesh處理爆破問題時均具有一定的局限性，并且操作過程相當煩瑣。作為一款功能強大的前處理軟件，HyperMesh支持利用TCL/TK語言進行二次開發(fā)。[4]用戶可以根據(jù)自己的需求利用TK創(chuàng)建特定界面、開發(fā)應用程序，使其滿足多樣化需求，提高工作效率。[57]

在爆炸分析中，爆破物體、沖擊波傳播介質、炸藥三者組成一個系統(tǒng)。在系統(tǒng)中，各模塊互聯(lián)需要設置復雜的參數(shù)，因此有必要簡化爆破系統(tǒng)的有限元模型和參數(shù)設置，優(yōu)化建模方法。本文開發(fā)的插件封裝LSDYNA求解爆破問題經(jīng)常需要的材料模型、ALE屬性和多物質流固耦合等關鍵字，并配備排隊求解接口。

1 工程爆破前處理優(yōu)化插件協(xié)同工作流程

工程爆破的前處理工作主要涉及炸藥、介質和爆破物體的建模以及三者之間的關聯(lián)設置，包括炸藥和介質的屬性分配、起爆點的相關設置等。在進行手動操作時，工程師需要調整的參數(shù)繁多，極易遺漏部分參量，導致計算錯誤。針對這類問題，本文設計HyperMesh的工程爆破前處理優(yōu)化插件，其工作流程見圖1。打開HyperMesh軟件，利用HyperMesh的啟動腳本功能找到主文件loophole.tcl，即可啟動插件。

（1）單位制度設置。在爆破物體模型導入HyperMesh前，通過插件進行單位制度設置，包括kgmms、kgms、kgmmms、Tmmms、Tmms和多物質流固耦合設置。如果通用前處理軟件不設置單位制度，那么炸藥材料模型參數(shù)和流固耦合參數(shù)的單位轉換就需要煩瑣的手工操作。

（2）工作路徑設置、爆破物體模型導入、k文件創(chuàng)建。工作路徑設置為軟件數(shù)據(jù)寫出提供路徑。爆破物體模型可以是已經(jīng)分配材料模型的有限元模型，也可以在材料庫里選擇適合的材料模型。創(chuàng)建空的k文件為數(shù)據(jù)寫出開辟存儲空間。

（3）沖擊波傳播介質的類型選擇和網(wǎng)格創(chuàng)建。

常規(guī)介質類型中的水和空氣等材料模型和屬性已經(jīng)內(nèi)置到插件中，用戶只需要點選即可，不需要進行文獻查找和單位轉換等相關操作。

空氣網(wǎng)格必須是六面體網(wǎng)格，利用HyperMesh工具先劃分四邊形平面網(wǎng)格，再通過網(wǎng)格拉伸或者網(wǎng)格映射等手段創(chuàng)建六面體單元，過程非常復雜。[810]使用優(yōu)化插件，只需要輸入介質空間尺寸和網(wǎng)格尺寸要求，即可自動生成所需要的網(wǎng)格。

（4）炸藥的類型選擇和網(wǎng)格創(chuàng)建。

常規(guī)炸藥類型RDX、HMX和TNT等材料模型和屬性已經(jīng)內(nèi)置到插件中，用戶只需要點選即可，不需要進行文獻查找和單位轉換等相關操作。單獨利用HyperMesh工具創(chuàng)建炸藥網(wǎng)格時，往往把空氣網(wǎng)格移動到炸藥組件中，需要移動的網(wǎng)格對起爆點位置信息和炸藥尺寸信息有一定的要求，因此選擇需要移動的網(wǎng)格非常困難。使用爆破前處理插件，只需要輸入炸藥的位置和炸藥尺寸信息即可自動生成炸藥網(wǎng)格。

（5）起爆點設置。爆破可分為單點起爆爆破和多點起爆爆破，如：建筑結構構件爆破屬于單點起爆爆破;隧道開挖一般會鉆出幾十甚至幾百個藥孔，屬于多點起爆爆破。面對這樣的大工程，使用HyperMesh完成非常困難，面臨的問題也很多。使用優(yōu)化插件可以圖形化設置起爆點，結合起爆點參數(shù)檢查功能，可以快速準確地完成起爆點設置。

（6）多物質流固耦合創(chuàng)建、邊界條件設置。多物質流固耦合關鍵字已經(jīng)內(nèi)置到優(yōu)化插件中，插件會根據(jù)單位制度自動分配。相比通過HyperMesh處理，插件可以節(jié)省主、從構件的設置操作，同時省去參數(shù)單位的轉換。插件還提供更方便的介質無反射邊界條件設置方法。

（7）將全部的設置數(shù)據(jù)導出，然后輸入HyperMesh中，使各組件與相應屬性匹配。

（8）提交計算?；贖yperMesh開發(fā)計算模型，其常規(guī)計算提交方法和批處理計算提交方法分別見圖2和3。批處理提交方法可實現(xiàn)排隊求解多個文件，大幅度提高求解效率。

2.1 開發(fā)目的

單獨使用HyperMesh設置爆破計算模型雖然可以實現(xiàn)準確計算，但會出現(xiàn)冗余操作，可能導致設置失誤。HyperMesh結合優(yōu)化插件協(xié)同工作可以解決這些問題：（1）規(guī)避參數(shù)單位制度煩瑣的手工轉換;（2）優(yōu)化傳遞沖擊波介質網(wǎng)格建立方法;（3）優(yōu)化炸藥網(wǎng)格的定位和分配方法，特別在多點爆破的環(huán)境中優(yōu)勢更明顯;（4）優(yōu)化起爆點的設置方法，增加起爆點參數(shù)檢查和修改功能;（5）開發(fā)介質、炸藥材料庫;（6）開發(fā)批處理計算求解接口。

2.2 合理規(guī)避手工轉換參數(shù)單位

參數(shù)單位制度轉換問題出現(xiàn)的原因是參與計算的材料參數(shù)往往是從科研文獻中查找出來的，或是從某些算例中提取的參數(shù)，因此參數(shù)單位制度往往與模型的單位制度不匹配，需要研究者手工轉換。多物質流固耦合計算設置也面臨同樣的問題，因此應用TCL類技術把不同單位制度下常用的爆炸波傳遞介質材料模型和炸藥材料模型內(nèi)置于插件中。單位制度自動轉換邏輯結構見圖4。

2.3 介質網(wǎng)格自動創(chuàng)建技術

在爆破分析中，介質包圍在爆破物體四周，一般采用立方體網(wǎng)格，這樣的網(wǎng)格形狀只能用六面體劃分。[11]如此特征明顯的網(wǎng)格，可以利用二次開發(fā)技術自動處理，介質網(wǎng)格自動創(chuàng)建過程見圖5。

第一步，給出介質區(qū)域定位節(jié)點和介質幾何尺寸，應用HyperMesh中API組件的*solidblock創(chuàng)建介質網(wǎng)格的幾何區(qū)域;第二步，給出單元尺寸，劃分區(qū)域底面二維網(wǎng)格，生成拉伸路徑節(jié)點;第三步，完成網(wǎng)格拉伸，生成六面體網(wǎng)格，清除幾何、清除面網(wǎng)格并清空路徑節(jié)點。

2.4 炸藥網(wǎng)格的分配技術

在爆破分析中，炸藥網(wǎng)格往往是根據(jù)起爆點位置把起爆點附近的網(wǎng)格導入到炸藥組件中，定義為炸藥網(wǎng)格。第一步，獲取起爆點位置和炸藥幾何尺寸2組參數(shù)，完成炸藥網(wǎng)格的自動分配;第二步，利用HyperMesh中API組件的*block包裹相關的單元;第三步，把包裹的單元移動到相應組件中。在多起爆點的爆破工況中，需要獲取多組這樣的參數(shù)，炸藥網(wǎng)格分配過程見圖6。

2.5 批處理計算求解技術

在爆破分析中，經(jīng)常需要計算多種起爆點分布的爆破結果，對比不同分析結果得到最優(yōu)方案。常規(guī)的方法是一次提交一個計算文件，過程非常煩瑣。為提升效率、解放雙手，優(yōu)化插件特開發(fā)批處理接口。工程師可以通過一次操作把所有調試的模型都提交到求解器上，求解器按序列進行計算。批處理技術需要提供參數(shù)、求解文件路徑、求解需要的CPU、讀入文件的內(nèi)存等，其代碼邏輯結構見圖7。

3 工程爆破前處理優(yōu)化插件爆炸計算實例

3.1 實例概況

試件來源于軍事科學院田志敏等[12]在外包鋼板加固鋼筋混凝土柱抗爆性能試驗研究中的普通RC柱，柱截面尺寸為300 mm×300 mm，柱高為3 000 mm，保護層厚度為30 mm，混凝土強度等級為C40，縱筋等級為HRB400級，箍筋等級為HRB335級，配筋形式見圖8。炸藥當量為7.6 kg，爆心距RC柱跨中近炸藥側外表面0.6 m，RC柱兩段固定。

3.2 2種前處理方法的幾點比較

3.2.1 起爆點設置

優(yōu)化插件起爆點設置窗口見圖9。

應用工程爆破前處理優(yōu)化插件設置起爆點，不用單獨添加起爆點關鍵字;起爆點設置完成后，在相應起爆點處標注幾何標識;在多點起爆工況中，利用起爆點幾何標識可以輕而易舉地分辨起爆位置是否已經(jīng)完成設置。單純利用HyperMesh進行起爆點設置，極容易使工作混淆，見圖10。

3.2.2 多物質流固耦合設置

應用工程爆破前處理優(yōu)化插件設置多物質流固耦合，*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID和*ALE_MULTIMATERIAL_GROUP關鍵字不用單獨添加，插件可以自動生成;應用優(yōu)化插件設置多物質流固耦合，不用單獨進行主、從組件集合設置，插件可自動完成集合生成，見圖11。

3.3 優(yōu)化插件處理計算結果及其驗證分析

應用基于HyperMesh開發(fā)的工程爆破模擬前處理插件對模型劃分空氣網(wǎng)格、分配炸藥網(wǎng)格、設定起爆點、設置多物質流固耦合組件、施加無反射邊界條件，并利用基于HyperMesh開發(fā)的LSDYNA接口提交模型進行求解，計算得到第0.8 ms時RC柱的節(jié)點位移云圖，見圖12。對比模擬結果與爆破試驗結果，可驗證基于HyperMesh開發(fā)的工程爆破模擬前處理插件處理模型的準確性。

3.3.1 破壞形態(tài)對比

RC柱的迎爆面部分混凝土單元被壓碎;背爆面中部混凝土單元被拉伸破壞，裸露內(nèi)部鋼筋，柱兩側出現(xiàn)斜向分布的混凝土單元彎剪破壞。這些破壞形態(tài)與田志敏等[12]總結的C01構件整體破壞與局部破壞的耦合震踏破壞狀態(tài)基本一致。

3.3.2 測量位移對比

（1）被爆面四分點處位移在起爆15.8 ms達到負向位移峰值13.40 mm，經(jīng)過回落震蕩，在大約80.0 ms時位移值趨于穩(wěn)定，殘余負向位移即位移終值為4.80 mm，試驗與模擬結果對比見表1。位移的試驗結果與模擬結果較一致。

（2）背爆面中點的鋼筋變形約在60.0 ms時達到變形最大值9.26 mm，在80.0 ms后鋼筋變形趨于平穩(wěn)。參照文獻[12]中C01、CS1和CS2構件背爆面中點位置鋼筋應變時程曲線可知，RC柱爆破試驗背爆面中點處鋼筋變形約在65.0 ms時達到變形最大值8.00 mm，這與模擬結果非常接近，RC柱爆破模擬背爆面中點處鋼筋變形時程曲線見圖13。

4 結束語

基于HyperMesh的工程爆破前處理優(yōu)化，開發(fā)爆破優(yōu)化插件，可完成以下功能：（1）應用介質網(wǎng)格自動建模和炸藥網(wǎng)格自動分配技術處理ALE網(wǎng)格;（2）將介質和炸藥的材料模型實例化;（3）優(yōu)化起爆點、多物質流固耦合和邊界條件等設置方法;（4）優(yōu)化模型文件與LSDYNA求解器的互通方法。

針對工程爆破的前處理優(yōu)化方法，在保證求解準確的條件下，可縮減模型處理的時間成本，規(guī)范模型處理流程，保證模型參數(shù)設置的精準度，提高工作和求解效率。

參考文獻：

[1]李鵬. 鋼管混凝土柱爆炸作用下試驗及動態(tài)本構模型研究[D]. 廣州： 廣州大學， 2016.

[2] 王棟， 何歷超， 王凱. 鉆爆法施工對鄰近埋地管道影響的現(xiàn)場實測與數(shù)值模擬分析[J]. 土木工程學報， 2017， 5（S2）： 134140. DOI： 10.15951/j.tmgcxb.2017.s2.021.

[3] 王明年， 潘曉馬， 張成滿， 等. 鄰近隧道爆破振動響應研究[J]. 巖土力學， 2004， 25（3）： 412414. DOI： 10.3969/j.issn.10007598.2004.03.017.

[4] 方獻軍， 張晨， 馬小康， 等. HyperMesh & HyperView（2017X）應用技巧與高級實例[M]. 2版. 北京： 機械工業(yè)出版社， 2018： 385420.

[5] 崔鴻， 李全福. 基于TCL語言的外殼語言實現(xiàn)方法[J]. 計算機工程， 2005， 31（S1）： 133134. DOI： 10.3969/j.issn.10003428.2005.z1.050.

[6] 曹文鋼， 范超. 基于HyperWorks的CAE流程自動化系統(tǒng)設計開發(fā)[J]. 工程圖學學報， 2011， 32（1）： 1621. DOI： 10.3969/j.issn.10030158.2011.01.004.

[7] 范超. 基于TCL/TK的HyperMesh CAE流程自動化系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D]. 合肥： 合肥工業(yè)大學， 2010. DOI： 10.7666/d.y1700145.

[8] 孫坤林， 賈彬， 陶俊林. 填充墻對框架結構內(nèi)爆炸效應的影響[J]. 四川建筑科學研究， 2015， 41（2）： 4347. DOI： 10.3969/j.issn.10081933.2015.02.011.

[9] SILVA P F， LU B. Blast resistance capacity of reinforced concrete slabs[J]. Journal of Structural Engineering， 2009， 135（6）： 708716. DOI： 10.1061/（ASCE）ST.1943541X.0000011.

[10] OUSTERHOUT J K， JONES K. TCL/TK入門經(jīng)典[M]. 2版. 張元章， 譯. 北京： 清華大學出版社， 2010： 4300.

[11] 米小珍， 李慧萍， 王楓. 仿真分析中材料定義與重用工具的設計與開發(fā)[J]. 機械設計與制造， 2012（12）： 106108. DOI： 10.3969/j.issn.10013997.2012.12.038.

[12] 田志敏， 董尚委， 廖維張， 等. 外包鋼板加固鋼筋混凝土柱抗爆性能試驗研究[J]. 防護工程， 2019， 41（1）： 713.

（編輯 武曉英）