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爆破引起的圍巖損傷問題，一直是爆破工程界所關(guān)心的問題之一。對于爆破巖體損傷的研究方法主要有現(xiàn)場監(jiān)測、相似試驗(yàn)和數(shù)值有限元分析等。由于爆破開挖過程極其復(fù)雜，進(jìn)行物理模擬試驗(yàn)比較困難，一方面是設(shè)備復(fù)雜昂貴，另一方面是動(dòng)力相似律不易滿足。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值仿真軟件的快速發(fā)展及完善，數(shù)值模擬研究方法已成為爆炸力學(xué)問題研究中的一種主要手段。
目前發(fā)展較為成熟的數(shù)值分析方法是有限差分法和有限元法。與有限差分法相比，有限元法在網(wǎng)格劃分和邊界條件處理等方面具有優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在已成為爆炸動(dòng)力學(xué)中的主要數(shù)值分析方法。在有限元分析過程中，作為數(shù)值計(jì)算的基礎(chǔ)，網(wǎng)格劃分對計(jì)算結(jié)果有直接的影響。Johansson通過比較靜態(tài)和動(dòng)態(tài)載荷研究了網(wǎng)格的依賴性，表明如果本構(gòu)模型中考慮應(yīng)變率效應(yīng)，應(yīng)變率效應(yīng)將取決于數(shù)值網(wǎng)格。因此不合理的網(wǎng)格劃分，不僅會(huì)影響到計(jì)算精度及計(jì)算效率，甚至?xí)䦟?dǎo)致計(jì)算結(jié)果偏離實(shí)際。
利用ANSYS/LS-DYNA軟件，分別采用四邊形映射網(wǎng)格(工況一)、四邊形自由網(wǎng)格(工況二)和四邊形自由網(wǎng)格局部加密(工況三)三種方式劃分模型并進(jìn)行有限元分析。通過對結(jié)果進(jìn)行比較，研究不同網(wǎng)格劃分方法對模擬結(jié)果的影響。
采用文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停梅蔷�性動(dòng)力有限元軟件ANSYS/LS-DYNA建立二維平面應(yīng)變模型，炸藥和混凝土靶選用Lagrange算法，給出了軸對稱坐標(biāo)下該模型的幾何示意圖。TNT裝藥半徑8mm、長90mm、埋深100mm，置于半徑500mm、長1000mm的混凝土靶中，反向起爆。
自由網(wǎng)格劃分是自動(dòng)化程度最高的網(wǎng)格劃分技術(shù)之一，它在面上可以自動(dòng)生成三角形或四邊形網(wǎng)格，在體上自動(dòng)生成四面體網(wǎng)格。通常情況下，可利用智能尺寸控制技術(shù)(smartsize)來自動(dòng)控制網(wǎng)格的大小和疏密分布，系統(tǒng)默認(rèn)為第6級，共分為10級，級別越高網(wǎng)格劃分越粗，級別越低網(wǎng)格劃分越細(xì)。自由網(wǎng)格劃分簡便，不必考慮劃分細(xì)節(jié)，只要將劃分設(shè)定為一定級別即可，省掉了手工劃分的麻煩。本文smartsize取值為1，劃分得到的網(wǎng)格尺寸為cm級，見圖。
由圖可發(fā)現(xiàn)，智能網(wǎng)格劃分時(shí)雖然采用了最高精度，但是在炸藥附近區(qū)域網(wǎng)格劃分仍然過于稀疏。為了彌補(bǔ)智能網(wǎng)格劃分的不足，ANSYS/LS-DYNA提供了幾種網(wǎng)格局部細(xì)化的方法。比較簡單的是一種“相容”網(wǎng)格加密技術(shù)EREFINE，該方法是在原有網(wǎng)格基礎(chǔ)上進(jìn)一步細(xì)化單元，共分5級，級別越高單元尺寸細(xì)化越小。但是，這種細(xì)化方法必須考慮與原有節(jié)點(diǎn)連接等一系列問題，細(xì)化級別太高時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)格劃分的失敗。細(xì)化深度設(shè)為2級，在原有網(wǎng)格的基礎(chǔ)上，將炸藥附近區(qū)域的網(wǎng)格尺寸細(xì)化到mm級，如圖所示。
映射網(wǎng)格是對規(guī)則模型的一種網(wǎng)格劃分方法，對于不規(guī)則模型，通常做法是利用布爾運(yùn)算對其切割，然后對切割好的模型進(jìn)行映射網(wǎng)格劃分。因此，對于復(fù)雜模型，映射網(wǎng)格劃分方式相較于自由網(wǎng)格，需要更多的時(shí)間和精力。但是該方法可以控制劃分細(xì)節(jié)，即對應(yīng)力集中區(qū)、爆破損傷區(qū)等感興趣的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格尺寸的控制。圖是對模型進(jìn)行映射網(wǎng)格劃分的結(jié)果，采用5mm網(wǎng)格尺寸均勻劃分。
混凝土靶采用HJC本構(gòu)，該模型能夠反映混凝土等脆性材料在大變形、高應(yīng)變率和高圍壓下材料損傷失效動(dòng)態(tài)響應(yīng)。HJC模型考慮了材料強(qiáng)度的壓力-硬化效應(yīng)、損傷弱化效應(yīng)以及應(yīng)變累積效應(yīng)，通過引入損傷變量D反映材料的非彈性變形積累對巖石的影響。其等效屈服強(qiáng)度是壓力、應(yīng)變率和損傷的函數(shù)，損傷量則是塑性體應(yīng)變、等效塑性應(yīng)變和壓力的函數(shù)。
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