应用LS-DYNA进行拆除爆破数值模拟论述

应用LS-DYNA进行拆除爆破数值模拟论述

闫振伟李宝杰赵德龙

山东科技大学山东青岛266590

摘要：在建筑物拆除爆破领域应用计算机数值模拟技术，不但可以了解建筑物爆破之后的结果，而且可以实现爆破过程的可视化，从而细致地分析建筑物爆破过程的发展规律。同时，将模拟结果中反映的信息对已完成的爆破设计方案予以反馈，为优化建筑物拆除爆破设计提供依据，如此可以有效减少甚至避免爆破事故的发生，因而数值模拟技术在建筑物拆除爆破领域中具有重要的工程应用价值。本文介绍了应用LS-DYNA进行拆除爆破数值模拟并详细论述了其应用的整体流程：ANSYS前处理，k文件的修改及运算，LS-PrePost后处理。并基于LS-DYNA在拆除爆破领域的应用现状对拆除爆破数值模拟技术的进一步发展进行了展望。

关键词：拆除爆破；数值模拟；LS-DYNA

引言

在城市改建、改造过程中，拆除爆破凭借速度快、效率高的特点受到重视，并在拆除市场占据重要的位置。在国内，建筑物，尤其是高层建筑物的拆除，采用的主要是爆破技术。面对日益增长的市场需求量，城市拆除爆破技术的工程实践的安全性及其相关理论研究越来越受到人们的重视。

目前，拆除爆破的相关理论研究进展还不能满足工程实践的需要，主要因为工程结构体量大、体系复杂、爆破有害效应预测与控制困难，拆除爆破工作具有高度复杂性。

近年来，数值计算研究和计算机技术两者都得到了长足的发展，将两者结合的计算机数值模拟技术在科研领域和工程领域都得到广泛应用。在建筑物拆除爆破领域中，计算机数值模拟技术也逐渐得到应用，数值模拟所得结果不仅使得爆破工程各方参与人员在爆破伊始就可以了解建筑物爆破之后的爆堆形态、前冲距离等其他重要控制参数，而且使得爆破过程可视化，从而反复研究建筑物的爆破规律。同时，将模拟结果中反映的信息对已完成的爆破设计方案予以反馈，为优化建筑物拆除爆破设计提供依据，如此可以有效减少甚至避免爆破事故的发生，因而数值模拟技术在建筑物拆除爆破领域中具有重要的工程应用价值。如此，目前在拆除爆破领域广泛采用LS-DYNA进行数值模拟。

1LS-DYNA的功能特点及应用

LS-DYNA是世界上领先的显示动力分析有限元软件，它基于拉格朗日算法，同时具有ALE和欧拉算法，可以精准的处理各种高度非线性问题，如爆炸问题分析、流体分析、多刚体动力学分析、钣金成型分析等。20世纪90年代中后期中国引入LS-DYNA，其在相关领域迅速得到广泛应用，并直接促进了相关领域的长足发展，现如今LS-DYNA已经成为国内科研人员和工程人员开展数值实验的有力工具。

显示动力有限元方法能够模拟各种复杂几何非线性、材料非线性和接触非线性问题，极其适合分析各类高速非线性的复杂力学过程，如爆破与冲击、结构碰撞等问题。LS-DYNA作为显式动力学程序的集大成者，在各类高速非线性的复杂力学分析领域中仍然无出其右者。因此，本文主要论述显示动力软件LS-DYNA在拆除爆破中的应用。

2ANSYS/LS-DYNA进行拆除爆破数值模拟应用概述

ANSYS/LS-DYNA将显式积分非线性动力分析程序LS-DYNA和ANSYS的前处理器PREP7连成一体。其中，ANSYS具有强大的前处理功能，使用者不仅可以利用ANSYS进行有限元建模，而且可以使用CAD软件进行有限元建模，这得益于ANSYS与CAD软件的紧密匹配，即使用CAD软件进行拆除结构建模设计后，可以导入ANSYS中生成有限元网格并进行相应计算。如果所得结果不符合设计的要求或误差超过允许的范围则可以重新进行建模设计与计算，直到结果符合要求为止，从而极大程度上提高了数值模拟的水平和效率。LS-DYNA中的显式算法能快速求解短时间、动态、大变形准静态问题和复杂的多重非线性接触碰撞问题。将ANSYS前处理功能和LS-DYNA的非线性动力分析功能相结合，使得原来纷繁复杂且不易修改的模拟变的简单易行。另外，对于后处理建议使用LS-PrePost软件。LS-PrePost软件是可以和LS-DYNA求解器结合的专业后处理软件，可以处理结构倒塌过程的大变形、接触与碰撞、构件断裂等多维非线性问题，并且能够直观的呈现结构倒塌过程的动态图像。以下主要针对LS-DYNA在拆除爆破结构倒塌过程中的应用，详细论述从数值模型建立到分析数据提取的全过程。

2.1ANSYS/LS-DYNA前处理概述

ANSYS并非LS-DYNA的唯一前处理器，但因为功能强大而被科研和工程领域广泛应用。ANSYS前处理需要设置Preference选项（选择MainMenu>Preference命令，在弹出的PreferenceforGUIFiltering对话框中激活StructuralLS-DYNAExplicit单选钮，这样在后续的分析过程中ANSYS菜单非显式动力分析的部分被完全过滤掉）。其应用的详细步骤如下表述。

第一，确定单元类型，根据建立模型的情况，分析爆破过程，确定所需要的单元类型；第二，定义材料模型，对不同的材料，选择相应的材料模型。对于炸药、空气等材料可用空材料模型暂时代替，然后在后期K文件修改添加；第三，建立模型和划分网格，通过ANSYS-APDL按照一定的比例建立模型，建立几何模型之后划分网格，网格要求尽量满足整齐划一方便后期运算；第四，施加约束，对划分网格后的模型施加相应的位移约束，通过固定其不同方向的位移模拟实际约束情况；第五，确定边界条件，当模型尺寸较大且具有轴对称形状时，通过增加对称面约束而减小模型的计算量。必要时还需要对一些边界做透射处理；第六，生成k文件，选择所有模型数据，包括几何体、材料参数、单元类型参数以及约束等，生成输入文件（k）文件。

2.2LS-DYNA输入文件（k）文件

LS-DYNA通过输入关键字（Keyword）的方式，使得输入数据的组织更加简便合理，如此更加方便用户阅读和修改。每一个关键字后紧跟一个数据块，组成一个数据组，也称为数据卡，每一个数据组有其特定的输入。

目前，我们主要需要修改与添加的关键字有如下几种：*MAT（材料关键字，主要修改前期未添加参数的材料模型，以及替换更加合适的材料模型）、*EOS（状态方程关键字，主要修改空气以及炸药模型的状态方程，包括其爆炸压力的变化）、*PART（PART关键字，主要定义相同材料的模型为同一PART组，方便接触运算）、*CONTRACT（接触关键字，主要添加与修改不同的实体接触方式，包括体与面的接触，以及面与面接触参数的添加）、*CONTROL（控制关键字，主要添加运算时间步、以及计算终止时间、能量控制等参数）。

对K文件进行编辑和修改，建议使用UltraEdit软件。UltraEdit软件是一个功能强大的文本编辑器，它支持多种格式，拥有强大的搜索替换功能。在文本编辑方面，UltraEdit软件可以自动存盘，无限制还原等功能。

2.3LS-DYNA后处理概述

一般地，LS-DYNA后处理在显式动态分析中，所需查看的均为动画结果和时间历程结果。对于后处理建议使用LS-PrePost软件。LS-PrePost软件是可以和LS-DYNA求解器结合的专业后处理软件，操作简单，功能强大。

LS-PREPOST软件分为主菜单区、图形控制区、命令输入区、动画播放控制台四大部分。单机主菜单区的相应按钮，会在主菜单区域下面的动态区域弹出对应的功能操作界面。LS-PrePost软件可以处理拆除爆破结构倒塌过程的大变形、接触与碰撞、构建断裂等多维非线性问题，并且能够直观的呈现结构倒塌过程的动态图像。

3.发展趋势

随着经济社会的发展，人们安全意识和环境意识都得到提高，由此也对爆破拆除技术的安全性和环保性等方面提出了更高的要求，建筑物拆除爆破仅仅依靠经验来操作的时代已经过去了。建筑物拆除爆破数值模拟技术是适应当前城市建筑拆除爆破行业发展的新技术，这项新技术凭借先进的计算机技术，构造优良的可视化图形模拟系统，使得我们对建筑物拆除爆破中存在的复杂力学机理的本质加深了一定程度的了解。对拆除爆破中结构倒塌过程进行全面的模拟，将收集到的信息反馈给爆破设计，并以此对爆破设计方案进行优化，如此可以有效减少甚至避免爆破事故的发生，因而拆除爆破数值模拟技术具有重要的工程应用价值和广阔的发展空间。

参考文献：

[1]谢先启，刘军，贾永胜，孙金山.拆除爆破数值模拟研究进展[J].中国工程科学，2014，16（11）：20-27.

[2]林红.基于LS-DYNA的结构连续倒塌过程数值模拟[A].中国建设科技集团股份有限公司、东南大学、《建筑结构》杂志社.第五届建筑结构抗震技术国际会议论文集[C].中国建设科技集团股份有限公司、东南大学、《建筑结构》杂志社：《建筑结构》编辑部，2016：4.