白金泽应用DYNA3D进行爆炸分析.docx
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白金泽应用DYNA3D进行爆炸分析
应用LS-DYNA3D进行爆炸分析
白金泽
中科院力学所，北京，100080
0概述
爆炸过程的模拟一共有三种方式：
1.炸药单元使用8节点实体单元（Lagrange）模拟，炸药单元与被爆炸单元之间共用节点。
该方法计算速度最快。
同时，即使接触单元已经发生破裂，仍然可以继续计算。
这是因为：
dyna中，单元失效（eliminatingbrickelement）是通过将失效单元的刚度（弹性模量）设置成“0”实现的。
单元节点还继续存在（这一点可以从单元失效后单元应变＝0，而节点位移仍然存在得到证明），因此还可以继续计算。
该方法的劣势在于，当爆炸单元变形较大时，将会引起被爆炸单元的大变形，同时由于采用了共用节点，限制了爆炸单元的滑移变形，引起附加的虚假滑移刚度。
这可能会对计算结果产生一定影响。
2.炸药单元使用8节点实体单元（Lagrange）模拟，炸药单元与被爆炸单元之间使用接触。
可以采用的接触类型有：
●*CONTACT_SLIDING_ONLY
●*CONTACT_ERODING_SURFACE_TO_SURFACE
●*CONTACT_SURFACE_TO_SURFACE
其中，SLIDING要求定义SEGMENT接触，而另外两者可以采用SEGMENT也可以采用Part或者PartSet。
通过定义接触模拟爆炸的主要问题在于，计算有时会因为接触的计算而不收敛，通常表现为网格单元的突然膨胀，计算过程突然中止而不提示任何错误与警告信息等等。
产生这种情况的原因有很多，如错误或不恰当的输入、网格的疏密、单位制匹配、各种参数的选取等（有时默认值不一定是最好的）。
网格畸变过大等原因也会对接触的计算产生影响。
从计算过程的维持来看，显然共用节点方法更加鲁棒，即使网格畸变很大仍然可以继续进行计算，当然此时的计算精度就很难保证了。
3.ALE技术，即爆炸单元采用Euler或ALE单元，被爆炸物采用Lagrange单元，两种网格之间通过定义耦合实现爆炸过程模拟。
该方法避免了因为网格畸变过大造成的计算发散、计算结果不可信等缺陷。
该方法计算速度较慢，同时需要最少定义三种网格：
炸药（ALE）、被爆炸物（Lagrange）以及炸药在其中流动的ALE网格。
在有限元模型中ALE与Lagrange网格之间可以随意交叉，因而大大方面了模型的建立过程。
上述三种方法均可进行爆炸过程中出现单元破损问题的求解。
本文研究了上述模型的计算结果、计算效率，希望对以后的研究能有所帮助。
1共用节点方法模拟爆炸
图1有限元网格图2爆炸后的结构变形
定义了2个Part。
Part1为被爆炸物，Part2为炸药，两个Part之间通过共用节点连接。
Part1：
Section＝*SECTION_SOLID1（缺省的中心单点积分常应变单元）
Material＝*MAT_PLASTIC_KINEMATIC
Part2：
Section＝*SECTION_SOLID1（缺省的中心单点积分常应变单元）
Material＝*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN
Eos＝*EOS_JWL
*INITIAL_DETONATION控制起爆点与起爆时间。
2接触模拟爆炸：
侵彻接触（Eroding）
图3有限元网格图4爆炸后的结构变形
定义了2个Part。
Part1为被爆炸物，Part2为炸药，两个Part之间通过定义侵彻接触连接。
Part1与Part2的属性与“共用节点模拟”完全相同。
接触定义：
*CONTACT_ERODING_SURFACE_TO_SURFACE
3接触模拟爆炸：
滑动接触（Sliding）
图5有限元网格图6爆炸后的结构变形
定义了2个Part。
Part1为被爆炸物，Part2为炸药，两个Part之间通过定义侵彻接触连接。
Part1与Part2的属性与“共用节点模拟”完全相同。
接触定义：
*CONTACT_SLIDING_ONLY
4接触模拟爆炸：
面面接触（STS）
图7有限元网格图8爆炸后的结构变形
定义了2个Part。
Part1为被爆炸物，Part2为炸药，两个Part之间通过定义侵彻接触连接。
Part1与Part2的属性与“共用节点模拟”完全相同。
接触定义：
*CONTACT_SURFACE_TO_SURFACE
5流固耦合方法模拟爆炸
图9有限元网格图10爆炸后的结构变形
定义了3个Part。
Part1为被爆炸物，Part2为炸药，Part3为炸药流动的ALE网格。
Part2与Part3之间通过共用节点相互连接。
Part1与另外两个Part之间通过命令设置耦合。
Part1：
被爆炸物
Section＝*SECTION_SOLID1（缺省的中心单点积分常应变单元）
Material＝*MAT_PLASTIC_KINEMATIC
Part2：
炸药
Section＝*SECTION_SOLID_ALE12（中心单点积分的带空白材料的单物质ALE单元）
Material＝*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN
Eos＝*EOS_JWL
*INITIAL_DETONATION控制起爆点与起爆时间。
Part3：
空间网格（VOID）
Section＝*SECTION_SOLID_ALE12（中心单点积分的带空白材料的单物质ALE单元）
Material＝*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN
Eos＝*EOS_JWL
*Error:
nvoid=0isnotcompatiblewithsolid
formulation12formaterial2
*INITIAL_VOID_PART：
定义初始空间。
初始空间材料在计算过程中是不被考虑的。
该选项对于单物质单元（ALE12）必须定义，否则系统会提示如下错误：
同时，初始空间一定要定义成空间网格（VOID），如果定义错误，比如把炸药网格定义成初始空间，那么在计算结果的显示（LSPOST软件）中，HistoryVar#2的显示将完全错误，完全反向（将显示：
1-真实比例）；如果把被爆炸物（Lagrange）网格定义成初始空间，将得到完全不可相信的结果。
Ø主要控制语句
*CONTROL_ALE：
ALE算法选项
*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID流固耦合定义。
注意耦合方式（CTYPE）在本例中=5。
6各种方法的对比
表1显示了不同计算方法之间的计算效率对比。
表1不同计算方法之间的效率（CPU时间）
共用节点
接触方法1
（ESTS）
接触方法2
（Slid）
接触方法3
（STS）
ALE
时间（S）
4
6
5
4
11
下图11－15分别对比了不同计算方法下单元应变、节点位移以及爆炸损伤空穴的大小。
图11不同计算方法511单元等效应变对比
图12不同计算方法667单元等效应变对比
图13不同计算方法835节点位移对比
图14不同计算方法895节点位移对比
图15不同计算方法爆炸空穴大小对比
7总结与讨论
1.“共用节点方法”与“滑动接触”在各种曲线中都非常一致。
流固耦合与面面接触比较相似，流固耦合计算得到的应力、变形略大。
侵彻接触计算结果最小。
2.本文第六节仅仅是对不同计算方法进行了简单的对比，实际上，每一种计算方法中都有数项参数，参数的不同取值直接影响计算结果（这就意味着：
如果试图试凑出几乎一致的曲线也是有可能的事情）。
因此，对于一个具体问题，应该在选定某一计算方法的基础上，微调参数，使计算结果与理论解、试验值等相吻合，这样才可以说是比较完美的计算模拟。
3.当选择lagrange方式模拟炸药单元时，炸药单元的网格不要过多，或者不要过于“规矩”，即完全采用正方体或长方体。
4.要想很好的模拟爆炸，还需要考虑“无反射边界条件”；
5.关于“网格尺寸”，一般希望爆炸单元、ALE单元划分较密，被爆炸物Lagrange单元划分较疏（都是相对）。
6.“初始爆炸点”对计算结果有一定的影响，一般可以选择取炸药中心点；
7.
对于小的变形（小爆炸）共用节点最简单；如果爆炸威力较大，出现大范围的单元破损，最好采用Sliding与流固耦合方法模拟。
采用流固耦合方法比较唬人。
对于空气中的爆炸、水下爆炸等问题，必须采用流固耦合。
根据上述分析，本文认为：
8.下一步的工作，需要进行数值计算结果与理论解、实验值的对比。
同时仔细研究各个参数取值对计算结果的影响。
共用节点侵彻接触
滑动接触面面接触
流固耦合
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