应用LS-DYNA3D进行爆炸分析白金泽中科院力学所，北京，1000800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（eliminating brick element）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_SU RFACE_TO_SU RFACE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Part Set。
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。
Parti为被爆炸物，Part2为炸药，两个Part之间通过共 用节点连接Part 1:Section=*SECTION_SOLID 1 （缺省的中心单点积分常应变单元）Material = *MAT_PLASTIC_KINEMATICPart 2：Section=*SECTION_SOLID 1 （缺省的中心单点积分常应变单元）Material = *MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURNEos = *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PartParti为被爆炸物，Part2为炸药，两个Part之间通过定 义侵彻接触连接Part 1与Part 2的属性与“共用节点模拟”完全相同接触定义：*CONTACT_ERODING_SURFACE_TO_SURFACE3接触模拟爆炸：滑动接触（Sliding）Mr IS-DVNATime • 0 X, >、-、 Ttau - 0.0MB047B .< '图5有限元网格 图6爆炸后的结构变形定义了 2个PartParti为被爆炸物，Part2为炸药，两个Part之间通过定 义侵彻接触连接。
Part 1与Part 2的属性与“共用节点模拟”完全相同接触定义：*CONTACT_SLIDING_ONLY4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PartParti为被爆炸物，Part2为炸药，两个Part之间通过定 义侵彻接触连接Part 1与Part 2的属性与“共用节点模拟”完全相同接触定义：*CONTACT_ SURFACE_TO_SURFACE5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Parto Parti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Part 1与另外两个Part 之间通过命令设置耦合Part 1:被爆炸物Section=*SECTION_SOLID 1 （缺省的中心单点积分常应变单元）Material = *MAT_PLASTIC_KINEMATICPart 2：炸药Section = *SECTION_SOLID_ALE 12 （中心单点积分的带空白材料的单物质ALE单元）Material = *MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURNEos = *EOS_JWL*INITIAL_DETONATION控制起爆点与起爆时间。
Part 3：空间网格（VOID）Section = *SECTION_SOLID_ALE 12 （中心单点积分的带空白材料的单物质ALE单元）Material = *MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURNEos = *EOS_JWL*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:* Error: nvoid= 0 is not compatible with solidformulation 12 for material 2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，History Var# 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＞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)465411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 空穴的大小时间图11不同计算方法511单元等效应变对比l.E+068. E+056. E+054. E+052. E+050. E+00 l.E-04 2. E-04 3. E-04 4. E-04 5. E-04 6. E-04 7. E-04 8. E-04 9. E-04協母«»尺<』990. E+00时间图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节点位移对比时间图14不同计算方法895节点位移对比4. E-012. E-013. E-013. E-010. E+00 2. E-04 4. E—04 6. E~04 & E-04一^共用节点 -B-侵彻接触滑动接触面面接触 TK—流固耦合图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. 根据上述分析，本文认为：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。
IS-OYMATime - 0.M0B0?)4♦X.侵彻接触共用节点MOBOa/a滑动接触流固耦合。