流固耦合案例：使用LS-Dyna进行爆破仿真分析

8月前浏览32159

本文摘要（由AI生成）：

本文主要介绍了爆炸问题的仿真分析在爆炸力学研究中的重要性，以及LS-DYNA程序在爆炸问题仿真分析中的应用。通过LS-DYNA程序，采用Lagrange算法和ALE方法，结合多物质流固耦合方法，可以成功模拟爆炸过程，解决单元畸变问题。还介绍了流固耦合方法在爆炸问题仿真分析中的应用，并给出了一个带包壳的炸药在空气中爆炸的案例详解。详细解析了一个带包壳的炸药在空气中爆炸的案例，包括网格模型、材料定义、属性设置、载荷添加、边界条件、接触定义、多物质运动、输出关键字定义以及求解结果展示等步骤。通过此案例，读者可以深入了解爆炸仿真分析的过程和方法。

写在前面：

爆炸是一种极为迅速的物理或化学的能量释放过程。在此过程中，空间内的物质以极快的速度把其内部所含有的能量释放出来，转变成机械功、光和热等能量形态。所以一旦失控，发生爆炸事故，就会产生巨大的破坏作用，爆炸发生破坏作用的根本原因是构成爆炸的体系内存有高压气体或在爆炸瞬间生成的高温高压气体。爆炸体系和它周围的介质之间发生急剧的压力突变是爆炸的最重要特征，这种压力差的急剧变化是产生爆炸破坏作用的直接原因。
——科普中国科学百科词条

学术背景：

早在2008，军械工程学院的米双山就基于流固耦合方法采用LS-DYNA进行了爆炸仿真分析。随着研究不断进步，人们陆续将流固耦合运用至相关领域。郭君等人提出了基于场分离的水下爆炸流固耦合计算方法。刘东岳等人将固耦合应用至舰艇舰艇抗水下爆炸的实践中。

爆炸问题的仿真分析在爆炸力学研究中正在发挥着日益重要的作用，LS-DYNA程序作为分析非线性冲击动力问题的有效工具，可用来成功地模拟各种介质中的爆炸过程及各类工程爆破过程。

利用LS-DYNA分析爆炸问题，可采用Lagrange算法，但是在大变形数值计算中，常会出现单元畸变现象。特别是当划分单元的形状不规则时，这种现象尤为突出。对于轴对称爆炸问题，可以考虑采用SHELL单元轴对称算法公式（即ANSYS/LS-DYNA中2D-SOLID162单元轴对称选项），结合自适应网格划分技术进行分析。

也可采用ALE方法及多物质流固耦合方法分析爆炸问题，对空气、土壤、水以及破坏后的岩石采用ALE网格，对其他的固体结构采用Lagrange网格。利用这一方法，由于材料物质在网格中可以流动，因此不存在单元畸变问题。在LS-PREPOST后处理程序中，可通过显示网格中各种物质占有的体积分数来得到不同物质之间的界面。可观察到土体中爆炸地表的鼓包现象等（见后面的分析实例）。

LS-DYNA程序提供了用于模拟炸药作用的数值模型，即高能炸药材料模型结合一个描述爆生气体压力-体积关系的状态方程模型。

炸药材料模型采用如下的关键字来定义：

*MAT_HIGH EXPLOSIVE BURN

用于设置炸药起爆的位置及起爆时刻的关键字段如下：

*INITIAL DETONATION

LS-DYNA程序描述高能炸药爆轰产物压力-体积关系采用JWL状态方程（*EOS_JWL）：