建立冲击波损伤模型

利用ANSYS/LS-DYNA模拟爆炸冲击波对目标的作用过程,常用的数值模拟方法有4种。

1.ALE方法

ALE方法是爆炸冲击领域中最传统的模拟方法,应用范围非常广泛。它是利用炸药起爆获得爆炸冲击波,通过炸药、空气与目标之间的流固耦合作用实现爆炸冲击波对目标的毁伤过程,需要建立炸药(流体)、空气(流体)和目标(固体)网格模型,其中,炸药的定义方式有:①分别建立炸药与空气网格模型,并对炸药与空气网格进行共节点连接,但网格划分时需要进行几何切割,因此该方法较为复杂、建模效率低;②只建立空气网格模型,利用*INITIAL_VOLUME_FRACTION_GEOMETRY关键字将炸药填充到空气网格模型中(需定义炸药形状和尺寸),建模简单、效率高。总的来说,ALE方法可以模拟任何类型的爆炸问题,但计算效率低、计算精度差。

2.S-ALE方法

S-ALE(Structured ALE)是由ALE改进得到的,该方法不需要建立炸药和空气网格模型,而是基于*ALE_STRUCTURED_MESH_CONTROL_POINTS和*ALE_STRUCTURED_MESH(需定义空气域的大小和网格数量)关键字自动生成空气域网格模型,并利用*INITIAL_VOLUME_FRACTION_GEOMETRY关键字将炸药填充到空气网格模型中。相对于ALE方法,该方法建模简单、运行速度快、占用内存少、计算稳定,但空气域只能是立方体。

3.LBE方法

LBE方法是通过*LOAD_BLAST_ENHANCED关键字设置球形TNT装药质量和中心点坐标来获得爆炸冲击波,然后利用*LOAD_BLAST_SEGMENT_SET关键字将爆炸冲击波载荷加载到目标迎爆面(目标正对爆源的面),从而实现爆炸冲击波对目标的毁伤过程。该方法只需建立目标网格模型,而不用建立炸药和空气网格模型,故该方法建模速度快、计算精度好、计算效率高,但无法模拟冲击波在空气中的传播过程,也不能进行流固耦合分析。

4.Friedlander方法

Friedlander方法适用于模拟平面冲击波,该方法需建立冲击波生成域、空气域和目标网格模型。利用Friedlander方法模拟冲击波需要预先设定冲击波超压峰值和正压持续时间,并将其代入式(2.1)中得到Friedlander冲击波压力(p)-时间(t)曲线,然后由公式E=2.5p+0.25(p和E的单位均为MPa)将冲击波压力(p)-时间(t)曲线转换为内能(E)-时间(t)曲线,最后利用*BOUNDARY_AMBIENT_EOS关键字将内能(E)-时间(t)曲线和相对体积(V)-时间(t)曲线(V=1)加载到冲击波生成域,即可在空气域中获得所需的冲击波。虽然Friedlander方法可以模拟任意超压和正压持续时间的平面冲击波,但冲击波从生成域向空气域传播以及在空气域中传播时会有能量损失,因此,冲击波的加载能量必须高于预设冲击波能量,从而确保作用于目标的入射冲击波是准确的。同时,还需要设置特定的边界条件保证冲击波能够在空气域中稳定传播。

综合LBE法(计算效率高)和ALE法(能流固耦合)的优点,采用LBE与ALE耦合方法(LBE-ALE)模拟TNT炸药爆炸产生的冲击波对人体躯干的作用过程。只需建立人体躯干模型,并定义包围人体躯干模型的部分空气域、冲击波生成域。爆炸载荷由关键字*LOAD_BLAST_ENHANCED定义,需要设置TNT当量和中心点坐标,然后通过*LOAD_SEGMENT_SET将爆炸载荷加载到冲击波生成域正对爆源的面。但该方法只适用于比例距离为0.147 m/kg-1/3<Z<40 m/kg-1/3的情况。

LBE法爆炸载荷计算公式为(www.xing528.com)

式中,θ为面板上点相对于炸点形成的入射角度;pi(t)为入射压力;pr(t)为反射压力。

冲击波损伤模型由冲击波生成域、空气域和人体躯干三部分组成,以cm-g-μs单位制建立有限元分析模型,如图6.1所示。空气域长宽高为60 cm×60 cm×80 cm,其中,冲击波生成域厚度为1 cm,距人体躯干5 cm,将空气域的外边界设置为非反射边界以模拟无限大空气域,冲击波生成域和空气域采用ALE算法并划分为六面体单元,网格尺寸为1 cm。为模拟冲击波对人体躯干的损伤过程,冲击波生成域、空气域与人体躯干之间用*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID关键字进行流固耦合设置。

图6.1　冲击波损伤模型

冲击波生成域和空气域采用空材料模型*MAT_NULL和线性多项式状态方程*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL,材料参数如表6.1所示。线性多项式状态方程为

式中,μ=1/V-1;V为空气的相对体积;E为空气的内能。

表6.1　空气的材料参数