巖石中相鄰炮孔裝藥爆破的數(shù)值模擬

精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上專心---專注---專業(yè)專心---專注---專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上專心---專注---專業(yè)巖石中相鄰炮孔裝藥爆破的數(shù)值模擬摘要：采用動力有限元DYNA3D程序中的ArbitraryLagrange-Euler描述法（ALE），對巖石中相鄰炮孔水耦合裝藥爆破應力場隨時間的變化情況進行了數(shù)值計算，并分析了有效應力和剪應力的相互疊加作用，以深入了解孔間貫通裂隙的形成過程。結果表明，基于工程實踐的數(shù)值模擬，能較客觀地反映爆破破巖的動態(tài)過程，有助于為爆破設計提供參考。關鍵詞：應力，材料模型，數(shù)值模擬NumericalSimulationofBlastingbetweenAdjacentChargeHolesinRockAbstract:Thechangeofstressfieldversetimeafterblastingbetweenadjacentwater-couplingchargeholesinrockissimulatedusingArbitraryLagrangian-Euler(ALE)methodindynamicfiniteelementDYNA3D,thesuper-positioninteractiononeffectivestressandshearstressisanalyzed,soastounderstandfurtherformingprocessofconnectedfissuresbetweenboreholes.Theresultsshowthatthenumericalsimulationbasedontheengineeringpracticecanbebetterrevealingthedynamiccourseoffragmentalrock，andhelpingtotheblastingdesign.Keywords:stress,materialmodel,numericalsimulation在相鄰兩孔同時起爆或時差極小的情況下，炮孔間存在應力波的疊加作用。同時起爆兩個炮孔時，起初在每個炮孔附近都形成膨脹波，此時兩個炮孔的動態(tài)斷裂過程是相互獨立的，隨著兩個炮孔產(chǎn)生的應力波的相互作用，在孔間連線方向上有一個連通兩個炮孔的斷裂最終控制了這個動態(tài)過程。數(shù)值模擬方法是用來溝通理論模型和實驗研究的橋梁，它通過采用接近實際的數(shù)學物理模型，對材料的動態(tài)破壞現(xiàn)象進行數(shù)值模擬，可以展示整個作用過程及其效應。本文旨在三維動力有限元程序LS-DYNA3D的基礎上，對巖石中相鄰炮孔水耦合裝藥同時起爆爆破過程進行數(shù)值計算，從模擬計算結果中分析裝藥爆炸對巖石介質(zhì)的影響，以深入了解巖石爆破斷裂損傷破壞過程。1材料模型及狀態(tài)方程1.1炸藥燃燒模型炸藥材料采用高能炸藥材料MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN和JWL狀態(tài)方程描述[1]。JWL狀態(tài)方程能精確描述在爆炸過程中爆轟產(chǎn)物的壓力、體積、能量特性。爆轟過程能量釋放用燃燒反應率乘以高能炸藥狀態(tài)方程來控制。單元內(nèi)壓力在初始化階段，對每個單元計算其形心（即積分點位置）處的點火時間，它等于單元形心到引爆點的距離除以炸藥的爆速。在時刻，單元的燃燒反應率式中：；其中為單元體積；為單元最大面積；為單元當前相對體積；為當前計算時間；為Chapman-Jouguet相對體積。該材料模型必須和高能炸藥JWL狀態(tài)方程連用，它定義壓力為相對體積和內(nèi)能的函數(shù)：式中：A、B、、、為JWL狀態(tài)方程系數(shù)；V為爆速。模擬采用巖石硝銨炸藥，取初始爆速為4500m/s；炸藥初始密度=1.0kg/m3（見表1）。表1炸藥材料及狀態(tài)方程參數(shù)參數(shù)材料密度(kg/m3)爆速（m/s）CJ壓力（GPa）（GPa）（GPa）(GPa)炸藥100045005.06178.850.3114.751.050.182.251.2空白材料模型這種材料模型通過調(diào)用狀態(tài)方程來避免復雜的偏應力計算，壓力下限由截止壓力確定。在模擬過程中使用該模型和Gruneisen狀態(tài)方程連用來模擬液態(tài)水，Gruneisen狀態(tài)方程定義材料沖擊壓縮時的狀態(tài)方程為材料膨脹時的狀態(tài)方程為式中：C為水中聲速；，為材料密度；、和為Gruneisen系數(shù)；為Gruneisen伽馬；是對的一階體積修正；為初始體積內(nèi)能。模擬中所使用的空白材料模型和狀態(tài)方程參數(shù)見表2。表2空白材料及狀態(tài)方程參數(shù)參數(shù)材料密度（kg/m3）水中聲速（m/s）(J/m3)水100014802.86-1.8860.2470.50001.3巖石材料模型巖石介質(zhì)采用彈塑性材料模型，采用的巖石力學性質(zhì)參數(shù)(由靜態(tài)實驗結果)見表3。在數(shù)值模擬時，動態(tài)抗壓強度系用靜態(tài)強度乘以一個的系數(shù)；對于動態(tài)抗拉強度，該系數(shù)為。表3巖石材料模型力學性質(zhì)參數(shù)參數(shù)材料抗壓強度（MPa）抗拉強度（MPa）內(nèi)聚力（MPa）內(nèi)摩擦角(°)彈性模量（GPa）泊松比容重(t/m3)泥巖61.35.2412.0147.0270.212.712動力有限元計算模型為考察裝藥爆炸對巖石介質(zhì)破壞的影響，裝藥都是垂直水耦合裝藥，炮眼直徑為4.2cm，裝藥直徑為3.5cm，裝藥長度為30cm，密度為1000kg/m3，質(zhì)量為0.67kg整個模型共劃分60560個單元，其中炸藥單元數(shù)為個，水耦合介質(zhì)單元數(shù)為個。在數(shù)值模擬過程當中采用多物質(zhì)Euler材料與Lagrange結構相耦合的算法，來計算爆轟氣體產(chǎn)物和水等物質(zhì)與固體結構的相互作用耦合問題，通過直接耦合結構網(wǎng)格（Lagrange網(wǎng)格）和流體材料網(wǎng)格（Euler網(wǎng)格）之間的響應，圖1力學計算模型自動地、精確地算出每一時間步流—固界面處的物理性質(zhì)。在實際建模過程中，定義炸藥、水等易流動物質(zhì)為Euler網(wǎng)格，它們的網(wǎng)格是相互連接的，同時節(jié)點共享；巖石材料為Lagrange網(wǎng)格。3計算結果與分析無限巖體的封閉爆炸中，在柱形藥包引爆后的瞬間，爆炸氣體的壓力很高，靠近藥包表面的巖石被炸出一個空腔，藥包附近的巖體產(chǎn)生很大的變形。隨著沖擊波陣面離開藥包，其能量向外擴散，應力在巖石傳播中發(fā)生顯著的變化。圖2距裝藥中心線58cm兩處不同單元的有效應力-時間歷程曲線柱形藥包是一端起爆，起爆后炸藥要繼續(xù)爆轟傳爆，同時又要作用周圍的巖石介質(zhì)形成應力波。由于爆轟波的傳播速度與介質(zhì)應力波的傳播速度不一致，因此,最初應力場的形狀是“紡錘形”。柱形藥包爆炸荷載作用下介質(zhì)所受的應力狀態(tài)是非常復雜的,用VonMises有效應力來表征介質(zhì)的應力特征是一個重要手段[2]（見圖2）。從圖2中可以看出，A點處的有效應力第一峰值出現(xiàn)在t=240μs時刻，有效應力為34.1MPa；B點處的有效應力第一峰值出現(xiàn)在t=988μs時刻，有效應力為23.5MPa，由于應力波的疊加作用，A點處有效應力第一峰值比B點處增強45.1%。剪應力是表征介質(zhì)應力特征的另一個重要手段，用來表示介質(zhì)的剪切變形破壞（見圖3）。圖3距裝藥中心線58cm兩處不同單元的剪應力-時間歷程曲線從圖3中可以看出，A點處的正剪應力第一峰值出現(xiàn)在t=316μs時刻，剪應力為8.3MPa；B點處的正應力第一峰值出現(xiàn)在t=890μs時刻，剪應力為6.4MPa，B點處的正剪應力第一峰值比A點處增強29.7%，之后更趨于平緩；B點處負向剪應力第一峰值比A點處滯后416μs，其絕對值比A點處負向剪應力第一峰值的絕對值增強75.9%。同時起爆水耦合裝藥相鄰兩炮孔時，由于應力波的相互疊加作用，有效應力和剪應力比單個炮孔裝藥起爆有顯著的增強，這對于研究兩炮孔間貫通裂縫的形成過程，進一步揭示巖石爆破破碎過程具有比較重要的意義。4結束語通過使用DYNA3D程序?qū)r石中相鄰炮孔水耦合裝藥爆破過程的三維仿真，比較形象直觀地反映了巖石中爆炸有效應力場、壓力場和位移場的產(chǎn)生、形成和相互疊加過程，數(shù)值模擬計算結果與現(xiàn)有的理論分析基本相符。由此，可進一步分析巖石爆破斷裂損傷破壞過程?？傊嬎銠C模擬是一種經(jīng)濟、快速