用户作品赏析：岩石裂纹扩展仿真

写在前面

『Ansys LS-DYNA用户案例竞赛』活动全程收获来自多个行业CAE从业人员的积极参与，总计收到近90篇投稿作品，所有作品都已在2021 Ansys Innovation大会同期的“用户优秀作品展示” 中供观众赏阅。会议期间LS-DYNA专题分会场的LiveShow演播室更设有对用户案例进行详细解读的环节，同时，多位作品作者也受邀成为本届大会主题报告的演讲嘉宾。本期开始Ansys中国微信公众号将连载发布所有获奖作品，详尽展现用户如何从Ansys工程仿真解决方案中获益，诚邀各位近距离观赏他们的应用实践真知，希望通过这些杰出的工程仿真实践指导更多用户。

01项目概述

岩石爆破是利用炸药的爆炸作用对岩石施加荷载，使岩石破坏的力学过程。在开矿、地铁掘进、隧道工程、建筑物爆破拆除中有广泛的应用。该类问题很难通过试验进行测试，因此需要通过仿真获得精确的结果。

本项目主要涉及如下关键技术：

1. 针对含节理的岩石模型，对模型建立及切分进行了严格控制，以保证划分高精度的网格。仿真基于的有限元方法，网格的精细及网格质量是影响仿真精度的关键因素；
2. 针对爆炸查看裂纹，总结了裂纹查看的几种方式方法，如单元失效法、损伤var#4查看法等；
3. 针对爆炸分析，流固耦合的技巧方法非常重要，k文件的修改有较多技术要求；
4. 针对爆炸波的传播，详细讲解了k文件中如何添加关键字输出流固耦合作用力，如何通过添加关键字输出可移动示踪粒子的轨迹（如看炸药物质的边界达到的位置坐标曲线），以及固定位置示踪粒子的定义方法等。

图1 岩石及节理模型

02前处理

1）模型：首先在workbench下建立岩石、节理、空气及炸药的几何模型，并对模型进行详细切分，切分后的效果如下图所示：

图2 空气及炸药模型切分

2）网格：利用Ansys APDL进行前处理，划分网格，网格如下图所示，该项目主要研究岩石裂纹扩展情况，因此需要采用非常小的网格，基于单元失效法进行模拟，网格总数130多万。

3）单元：空气、炸药单元采用euler算法，岩石及节理采用lagrange算法，其中流体采用1e6沙漏系数，对应关键字如下：

4）材料：空气、乳化炸药、节理及岩石*MAT_NULL、*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN、*MAT_PLASTIC_KINEMATIC及*MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CONCRETE本构。详细材料本构及状态方程关键字参数如下：

5）流固耦合：流体（空气与炸药）与固体（岩石及节理）之间采用流固耦合定义相互作用关系。流体定义多物质组，流固耦合关键字如下（其中part1为岩石，part2为节理，part3为空气，part4为炸药）：

6）求解时间600us。

03求解过程及结果分析

采用6核cpu和2G内存进行求解，需要7小时左右。

下图显示了岩石在乳化炸药爆炸作用下的裂纹扩展过程。

结果显示，在3500m/s爆速的乳化炸药作用下，岩石裂纹扩展较好，可以较准确的模拟实际情况，对工程爆破具有极大的参考意义。

04总结

本文建立了含节理的岩石爆炸模型，仿真分析了3500m/s乳化炸药在不偶和装药爆炸作用下含节理的岩石的裂纹扩展效果，获得了岩石的裂纹分布情况。由于计算量较大，没有分析无节理情况下裂纹扩展情况进行对比。

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