聚能破冰对堤防的有限元分析

赵绪新 薛 松 平 源

(华北水利水电大学，河南 郑州 450045)

聚能破冰对堤防的有限元分析

赵绪新 薛 松 平 源

(华北水利水电大学，河南 郑州 450045)

在大地回春季节，黄河流域河流解冻导致大块的冰凌顺流而下，极易发生“武开”河，即在此时节易发生冰塞、冰坝等凌汛灾害，对黄河沿岸人民的生产和生活造成影响。利用ANSYS/LS-DYNA建立了炸药在冰下的爆破模型，研究了在相同装药量，不同炸点距离下，爆炸破冰对堤防的影响。通过对结果的分析，分别得出了在冰内爆炸和在冰下爆炸的安全距离。

破冰排凌，有限元，堤防，冰下爆炸技术

在武开河时期，大块冰凌随着融水而下，形成冰排，冰排顺流而下产生的压力会对堤防等设施造成撞击，使堤防护坡造成破坏，因此对于大块冰排进行提前爆破是有必要的，不仅对防凌减灾做出贡献，而且能保护桥墩、堤防、闸门等水工建筑物[1]。本文在用爆破方式进行破冰排凌的基础上，研究利用爆破方式破冰对堤防的影响[2]。

1 动力分析理论基础

LS-DYNA软件是ANSYS中的一个子程序，此软件处理的问题一般是非线性动力问题，如高速碰撞、爆炸和金属成型等二维、三维非线性动力问题[3]，而且还可以求解热传导及流固耦合等问题。LS-DYNA具有强大的功能，大位移、大转动、大应变问题都能用此软件解决，LS-DYNA软件具有200多种非线性材料模型，40多种接触非线性材料[4]，此外LS-DYNA还配有功能齐全的前、后处理器，如LS-POST,LS-PREPOST,TAURUS等，后处理器可以对模拟结构进行分析、演示等[5]。

2 堤防动力特性分析

1)模型参数。此次研究的堤防选取黄河流域堤防，选取为混凝土堤防，坡比为1∶3,宽度取5 m，高为4 m，冰体厚度为50 cm，炸药采用立方体装药，尺寸为15 cm×15 cm×15 cm，等效质量为4 kg，冰体与堤防直接的动摩擦取为FD=0.45，静摩擦系数FD=0.45，取模型为1/2对称模型，对称面施加位移约束，未施加约束面施加无放射边界，上表面为自由面。

2)材料模型参数。冰：密度ρ=900 kg/m3，屈服应力2.12×106Pa，剪切模量G=2.20×109Pa,体积模量5.26×109Pa，塑性硬化模量4.26×109Pa。堤防：密度ρ=2 500 kg/m3，弹性模量E=30 MPa，泊松比为PR=0.2。

3)建模过程。此次模拟过程炸药采取中心起爆方式，取1/2模型，模型共有水、冰体、炸药、空气、堤防五种材料。其中水、炸药、空气采用欧拉建模，冰体和堤防采用拉格朗日建模，单元采用多物质ALE算法。遵循量纲一致原则，本次模拟采取cm-g-us单位制。取堤防高为4 m，宽为4 m，水深为2 m，冰体与空气接触面采取双层网格划分，其余采用单层网格划分。有限元模型见图1。

3 动力响应结果分析

1)静冰破碎形态。此次模拟取炸药距离堤防为7 m,9 m,10 m,…,19 m进行模拟分析。分别从冰体破碎形态、应力分析、能量分析，加速度分析等几个方面对结果进行分析讨论。当炸药在冰下0.4 m处爆炸时，冰体的爆破效果很好，从图中可以看出，冰体呈碎裂状，图2,图3分别为各个时刻冰体破碎形态，由图3可以看出，在2 000 μs时刻，冰体的破碎直径相当于所取堤防宽度5 m，冰体破碎状态很好。

2)应力分析。此次堤防选择混凝土护坡，混凝土具有很强的抗压性能，但作为脆性材料，抗拉性能不强，故根据强度理论，对于混凝土等脆性材料分析，遵循第一强度理论(即最大拉应力理论)，主要将其第一主应力与混凝土抗拉极限值进行对比分析。当第一主应力大于混凝土抗拉极限值时，即可认为混凝土被破坏，存在着安全隐患。在用炸药进行破冰排凌过程中，堤防受到各种物质的作用，图4为在不同炸点距离下，堤防的最大第一主应力折线图。从图4中我们得出随着炸点距离的增加，第一主应力呈现下降的趋势，当炸点距离堤防为16 m时，堤防所受的最大第一主应力值小于C30混凝土的轴心抗拉标准值，在这个炸点下进行破冰排凌对堤防不会产生破坏。

3)总能量分析。在聚能破冰爆破过程中，理想状态下整个过程遵循能量守恒定律，整个过程的能量不会减少也不会增加，只会从一种形态转化为另外一种形态，整体总能量保持不变。在理想状态下，能量的比率(energy ratio)是为1的，能量比率(energy ratio)是总能量(total energy)与内能和外界能量(internal energy+external energy)的比值。在爆炸过程中存在着滑移能，并且还存在着能量的耗散，因此总能量是减小的，故energy ratio曲线是呈现下降的趋势。图5给出了此次爆破过程的能量图。

图5中曲线A为动能(kinetic energy)曲线，曲线B为内能(internal energy)曲线,曲线C为总能量(total energy)曲线，曲线D为滑移面能(sliding energy)曲线。由图5可以看出，在发生爆炸后，整体内能逐渐转化为动能，在极短的时间内，内能迅速转化为动能并趋于平稳状态。在整个爆炸过程中，由于整体的滑移面能与外界进行能量交换，并且还有能量耗散，因此造成整体能量呈现下降趋势。

4)堤防能量分析。总体能量符合能量守恒定理，对于堤防来说，一开始堤防未受到冲击波的作用，因此一开始堤防不具有能量，随着炸药爆炸后，冲击波随着时间的传播，作用到堤防之后，堤防的能量逐渐增加。当冲击波首先作用于冰体再作用于堤防时，堤防的内能和动能在很短的时间内迅速增加，这也符合炸药爆炸时候瞬时、急促的特点。堤防的沙漏能很小，可以忽略不计，因此也可以认为此模拟过程的结果是合理的。

4 结语

利用LS-DYNA软件对不同炸点距离的情形下进行了建模分析，对炸药在冰下爆炸进行了定性分析，得出当炸药在冰下爆炸，炸点距离堤防为16 m时对堤防不会造成过大影响；本文为以后进行破冰排凌时的安全范围提供了参照，也为防凌减灾和破冰器材研发提供了一定的参考。

[1] 可素娟，王 敏，饶素秋，等.黄河冰凌研究[M].郑州：黄河水利出版社，2002：97-104.

[2] 郭颖奎.流冰碰撞下桥墩破坏有限元仿真分析研究[D].郑州:华北水利水电大学,2011.

[3] 孟闻远，张 蕊，王俊峰.黄河防凌减灾方案新探索[J].华北水利水电学院学报，2012，33(2)：50-52.

[4] 赵海鸥.LS-DYNA动力分析指南[M].北京:兵工工业出版社,2003.

[5] 白金泽.LS-DYNA3D理论基础与实例分析[M].北京:科学出版社，2005.

Finiteelementanalysisofblastingicebreakingtoembankment

ZhaoXuxinXueSongPingYuan

(NorthChinaUniversityofWaterResourcesandElectricPower,Zhengzhou450045,China)

In the earth rejuvention season, the Yellow River is thawed let to large pieces of ice down prone to “Wu Kai” River. In this time, the melting ice flood disasters occurred, such as ice jam and ice dam, which influence along the Yellow River people’s production and life. This essay by ANSYS/LS-DYNA. The influence of the explosion on the embankment was studied under same explosive load and different explosive distance, and obtained the stress curve. Through the analysis of the results, the safe distance of explosive under ice and in ice are obtained respectively.

ice breaking, finite element, dike, subglacial explosion technology

1009-6825(2017)29-0207-02

2017-08-04

赵绪新(1991- )，男，在读硕士； 薛 松(1993- )，男，在读硕士； 平 源(1990- )，男，在读硕士

TV875

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