CN105956353A - 一种水下爆破减震孔布设模拟方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供的水下爆破减震孔布设模拟方法及装置，属于水下爆破工程领域。该水下爆破减震孔布设模拟方法及装置在通过炮孔及减震孔的初始布设参数、材料模型及状态方程建立有限元分析模型并计算出相应的模拟结果后，每一次更改减震孔初始布设参数中的一个，获得新的有限元分析模型，通过比较不同的模拟结果，得出所更改的减震孔布设参数的较优值，对提高水下爆破施工效率、降低施工成本、确保紧邻建(构)筑物安全使用具有重要的促进意义，对进一步补充、丰富水下爆破基本理论，具有积极的推进作用。

Description

一种水下爆破减震孔布设模拟方法及装置

技术领域

本发明涉及水下爆破工程领域，具体而言，涉及一种水下爆破减震孔布设模拟方法及装置。

背景技术

在紧邻建(构)筑物环境下进行水下爆破，确定合理的减震方案是控制技术的核心工作，目前国内的研究成果或工程实践均仅停留在水下爆破减震孔的设计方法，而对减震孔的不同布设参数下的减震机理及减震效果进行数值仿真模拟研究能够有效的完善水下爆破基本理论，是目前亟待研究的课题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种水下爆破减震孔布设模拟方法及装置。

第一方面，本发明实施例提供的一种水下爆破减震孔布设模拟方法，包括：获得建立实体模型所需的初始布设参数和所述实体模型包括的材料属性；

根据所述材料属性获得对应的材料模型和状态方程；根据所述材料模型和所述状态方程以及所述初始布设参数建立实体模型；对所述实体模型进行网格划分，生成对应的有限元分析模型；

采用连续介质力学运动描述方法对所述有限元分析模型进行计算，得到水下爆破减震孔布设的模拟结果，所述模拟结果包括减震保 护对象所受到的等效应力模拟数据、水击波压力模拟数据以及位移距离模拟数据。

优选地，所述初始布设参数包括炮孔初始布设参数和减震孔初始布设参数，所述减震孔初始布设参数包括减震孔距炮孔的距离、减震孔填充介质以及减震孔的直径，所述方法还包括：更改所述减震孔初始布设参数中的一个，得到新的有限元分析模型；

对新得到的有限元分析模型采用同一连续介质力学运动描述方法进行计算，得到新的模拟结果；根据新的模拟结果，确定所更改参数的优选值。

优选地，所述方法在对所述有限元分析模型进行计算之前还包括：设定所述有限元分析模型的边界条件为无反射边界。

优选地，所述方法在对所述有限元分析模型进行计算之前还包括：对计算所述有限元分析模型的分析选项进行设置，所述分析选项包括求解时间和时间步，所述求解时间为对所述有限元分析模型预设的计算时间，所述时间步为每一次对所述实体模型进行初始化求解使其计算收敛。

优选地，所述方法在所述对所述实体模型进行网格划分，生成对应的有限元分析模型的步骤之后还包括：检测生成的有限元分析模型中网格单元是否满足预设的计算精度的要求；若否，则调整网格大小，对所述实体模型重新进行网格划分。

第二方面，本发明另一实施例提供的一种水下爆破减震孔布设模拟装置，包括：第一获得模块，用于获得建立实体模型所需的初始布设参数和所述实体模型包括的材料属性；

第二获得模块，用于根据所述材料属性获得对应的材料模型和状态方程；

实体模型建立模块，用于根据所述材料模型、所述状态方程以及所述初始布设参数建立实体模型；

网格划分模块，用于对所述实体模型进行网格划分，生成对应的有限元分析模型；

计算模块，用于采用连续介质力学运动描述方法对所述有限元分析模型进行计算，得到水下爆破减震孔布设的模拟结果，所述模拟结果包括减震保护对象所受到的等效应力模拟数据、水击波压力模拟数据以及位移距离模拟数据。

优选地，所述初始布设参数包括炮孔初始布设参数和减震孔初始布设参数，所述减震孔初始布设参数包括减震孔距炮孔的距离、减震孔填充介质以及减震孔的直径，所述装置还包括：参数更改模块，用于更改所述减震孔初始布设参数中的一个，得到新的有限元分析模型；所述计算模块，还用于对新得到的有限元分析模型采用同一连续介质力学运动描述方法进行计算，得到新的模拟结果；参数优选值确定模块，用于根据新的模拟结果，确定所更改参数的优选值。

优选地，所述装置还包括边界条件设定模块，用于设定所述有限元分析模型的边界条件为无反射边界。

优选地，所述装置还包括：分析选项设置模块，用于对计算所述有限元分析模型的分析选项进行设置，所述分析选项包括求解时间和时间步，所述求解时间为对所述有限元分析模型预设的计算时间，所述时间步为每一次对所述实体模型进行初始化求解使其计算收敛。

优选地，所述装置还包括：检测模块，用于检测生成的有限元分析模型中网格单元是否满足预设的计算精度的要求；所述网格划分模块，还用于在划分的网格单元不满则预设的计算精度时，对所述实体模型重新进行网格划分。

与现有技术相比，本发明提供的水下爆破减震孔布设模拟方法及装置，在通过炮孔及减震孔的初始布设参数、材料模型及状态方程建立有限元分析模型并计算出相应的模拟结果后，每一次更改减震孔初始布设参数中的一个，获得新的有限元分析模型，通过比较不同的模拟结果，得出所更改的减震孔布设参数的较优值，对提高水下爆破施工效率、降低施工成本、确保紧邻建(构)筑物安全使用具有重要的促进意义，对进一步补充、丰富水下爆破基本理论，具有积极的推进作用。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1为本发明较佳实施例提供的应用水下爆破减震孔布设模拟装置的本地终端的结构框图；

图2为本发明第一实施例提供的一种水下爆破减震孔布设模拟方法的流程图；

图3为本发明第二实施例提供的另一种水下爆破减震孔布设模拟方法的流程图；

图4为本发明第三实施例提供的另一种水下爆破减震孔布设模拟方法的流程图；

图5为本发明第四实施例提供的一种水下爆破减震孔布设模拟装置的功能模块框图。

主要元件符号说明

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图1所示，是本发明较佳实施例提供的本地终端100的方框示意图，所述本地终端100包括水下爆破减震孔布设模拟装置101、存储器102、存储控制器103以及处理器104。其中，存储器102、存储控制器103以及处理器104各元件相互之间直接或间接地电性连接，以实现数据的传输或交互。例如，这些元件相互之间可通过一条或多条通讯总线或信号线实现电性连接。所述水下爆破减震孔布设模 拟装置101包括至少一个可以软件或固件(firmware)的形式存储于所述存储器102中的软件功能模块。所述处理器104用于执行存储器102中存储的可执行模块，例如水下爆破减震孔布设模拟装置101包括的软件功能模块或计算机程序。

存储器102可包括高速随机存储器，还可包括非易失性存储器，如一个或者多个磁性存储装置、闪存、或者其他非易失性固态存储器。处理器104以及其他可能的组件对存储器102的访问可在存储控制器103的控制下进行。

处理器104可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。上述的处理器可以是通用处理器，包括中央处理器、网络处理器等；还可以是数字信号处理器、专用集成电路、现成可编程门阵列或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件，可以实现或者执行本发明实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器104也可以是任何常规的处理器等。

请参阅图2，是本发明第一实施例提供的水下爆破减震孔布设模拟方法流程图，所应说明的是，本发明所述的水下爆破减震孔布设模拟方法并不以图2以及以下所述的具体顺序为限制。下面将对图2所示的具体流程进行详细阐述。

步骤S110，获得建立实体模型所需的初始布设参数和所述实体模型包括的材料属性。

本较佳实施例中，初始布设参数包括炮孔的初始布设参数和减震孔的初始布设参数，其中炮孔的初始布设参数包括但不限于，炮孔直径、炮孔间距、炸药装药直径及装药高度等；减震孔的初始布设参数包括但不限于，减震孔设置的组数及组距、每一组减震孔设置的排数 及排距、减震孔距爆源的距离、减震孔填充介质以及减震孔的尺寸等；实体模型所包括材料属性由具体模拟的工程所包括的材料决定。

步骤S111，根据所述材料属性获得对应的材料模型和状态方程。

步骤S112，根据所述材料模型、所述状态方程以及所述初始布设参数建立实体模型。

步骤S113，对所述实体模型进行网格划分，生成对应的有限元分析模型。

定义单元类型后，应用该单元类型对建立的实体模型进行网格划分，生成有限元分析模型。现有的网格划分方法有多种，如自由网格划分、映射网格划分及混合网格划分等，本实施例中优选地，采用映射网格划分方法对建立的实体模型进行划分，因为映射网格划分方法划分后生成的有限元分析模型中，网格单元更加的规整，利于获得较优的模拟结果，提高模拟结果的计算精度，且可以根据操作者的意愿生成确定数目的网格单元，加快后期的计算速度，另外，映射网格划分方法可以避免产生一些特别畸形的网格单元，这也是其主要优势之一。

步骤S114，采用连续介质力学运动描述方法对所述有限元分析模型进行计算，得到水下爆破减震孔布设的模拟结果，所述模拟结果包括减震保护对象所受到的等效应力模拟数据、水击波压力模拟数据以及位移距离模拟数据。

连续介质力学的运动描述方法包括三个经典算法：拉格朗日算法、欧拉算法以及任意拉格朗日欧拉算法，这三个算法均可以对水下爆破减震孔布设模拟的有限元分析模型进行计算得到相应的模拟结果。下面对三个算法做简要的介绍：

拉格朗日算法中，炸药单元与结构单元之间可以通过共用节点方式建立联系，具体方法是将炸药与结构采用8节点实体单元模型，炸药与结构单元之间有相同的节点。也可以通过接触定义二者之间的荷载传递，与共节点方法不同之处在于，炸药单元与被爆炸结构单元之间网格是独立的，通过接触来定义彼此之间的关系，具体的接触方式有侵彻接触、滑动接触与面面接触。通过定义接触模拟爆炸的主要问题在于，计算时会由于接触的计算而导致不收敛，计算过程突然中断而不进行任何的错误及警告提示。

欧拉算法中，网格被固定在空间是不变形的，物质通过网格流进流出，物质的大变形不影响时间步长的计算。欧拉算法不需要定义各部分材料之间的复杂接触关系，且计算稳定性好。其特点是，网格数目巨大、求解时间长、网格中物质流动界面不清晰，但是计算稳定性好。

对于ALE(Arbitrary Lagrange-Euler，任意拉格朗日欧拉)算法，其特点是它采用的网格是每一步或每隔若干步，根据物质区域的边界构造一个合适的网格，以避免在严重扭曲的网格上进行计算。该算法提供了输运和耦合算法来保证得到一个准确、稳定、守恒和收敛的结果。

本实施例中，通过比较三种算法的优缺点，优选任意拉格朗日欧拉算法对水下爆破减震孔布设模拟的有限元分析模型进行计算。

下面，本实施例将以具体的科研项目“重庆万州长江公路大桥防撞设施水下基坑及基槽开挖”为工程依托，采用显式动力分析有限元软件ANSYS/LS-DYNA，对具体的模拟方法做进一步的阐述，如下所示：

计算模型在考虑实际情况的基础上，结合数值模拟技术的特点，将岩体设置在水下30米处，岩层厚度8米，水上空气层10米；炮孔 深度6米，炮孔底部预留2米岩体，炮孔直径设为100毫米，炸药的装药直径为70毫米，装药高度5米，炮孔与炸药间采用水耦合，炮孔间距2.5米；减震孔设置两组，组距5.5米，每一组设置两排，排距为1.5米，每一排设置5个减震孔，孔距300毫米，减震孔距离爆源和长江大桥桥墩的距离分别15米和46米，减震孔采用水填充，减震孔的直径为120毫米。

炸药采用TNT材料模型，并以JWL状态方程描述炸药爆轰产生的压力，压力与体积变形之间的关系为：

$p(V,E)=A(1-\frac{\mathrm{\ω}}{R_{1}V})e^{-R_{1}V}+B(1-\frac{\mathrm{\ω}}{R_{2}V})e^{-R_{2}V}+\frac{\mathrm{\ω}E}{V}$

式中：p为压力，A、B、R₁、R₂和ω为JWL状态方程的五个参数，V为相对体积，E为单位体积内能。

炸药选用防水性能好、爆能较高、运输使用安全系数较大的2#岩石乳化炸药，该炸药的材料参数及JWL状态方程参数如表1所示：

表1

水对水在冲击波下的压力、密度关系采用Mie-Gruneisen状态方程描述：

$p=\frac{{\mathrm{\ρ}}_0{c}^2\mathrm{\μ}\[1+(1-\frac{{\mathrm{\γ}}_0}{2})\mathrm{\μ}-\frac{a}{2}{\mathrm{\μ}}^2\]}{{\[1-(S_1-1)\mathrm{\μ}-S_2\frac{{\mathrm{\μ}}^2}{1+\mathrm{\μ}}-S_3\frac{{\mathrm{\μ}}^3}{{(1+\mathrm{\μ})}^2}\]}^2}+({\mathrm{\γ}}_0+\mathrm{\α}\mathrm{\μ})E$

式中:p为压力，E为单位体积的比内能，ρ₀为介质的初始密度，μ＝1/(1-V)，V为相对体积，c为介质中声速，γ₀为Gruneisen参数，S₁、 S₂、S₃为冲击波波速-波后质点粒子速度曲线斜率的系数，α为Mie-Gruneisen系数修正项。

水的材料参数及状态方程参数如表2所示：

密度/g.cm-3	C	S1	S2	S3	a	E
							1.0	0.1647	2.56	1.986	1.2268	0.5	0

表2

其中，C为冲击波波速-波后质点粒子速度曲线的截距。

空气材料状态方程如下所示：

p＝C₀+C₁μ+C₂μ²+C₃μ³+(C₄+C₅μ+C₆μ²)E

式中：C₀～C₆为状态方程系数，μ为比体积，空气材料的参数及状态方程参数如表3所示：

表3

本实施例中，岩体采用塑性随动模型，即LS-DYNA提供的MAT_PLASTIC_KINEMATIC模型，此模型不仅考虑了岩石介质的弹塑性特性，而其能够对材料的强化效应(随动强化与各向同性强化)和应变率变化效应加以描述，同时还带有失效应变。应变率用Cowper-Symonds模型来考虑，屈服应力σ_y与应变率ε之间的关系如下所示：

${\mathrm{\σ}}_y=\[1+{\left(\frac{\mathrm{\ϵ}}{C}\right)}^{\frac{1}{P}}\]\[{\mathrm{\σ}}_0+\mathrm{\β}\frac{E_0{E}_{tan}}{E_0-E_{tan}}{\mathrm{\ϵ}}_p^e\]$

式中：σ₀为岩体的初始屈服应力，ε为加载应变率，C、P为Cowper-Symonds应变率参数，E₀为杨氏模量，E_tan为切线模量，β为各向同性硬化和随动硬化贡献的硬化参数且0≤β≤1，为有效塑性应变。

由于水下爆破岩体为中风化砂岩，经室内物理学实验，得到中风化砂岩岩体物理力学参数如表4所示：

表4

工程重点减震保护对象为万州公路长江大桥，其材料属性为钢筋混凝土，材料的物理力学参数如表5所示：

表5

对于表5中的参数需要说明的是，由于钢筋混凝土中钢筋含量较少，因此，取混凝土的弹性模量代替钢筋混凝土的弹性模量，取混凝土的剪切模量代替钢筋混凝土的剪切模量。

基于上述的初始布设参数、材料模型以及状态方程，建立针对上述工程的减震孔布设模拟的四孔水下爆破三维实体模型，并利用Solid64单元类型对实体模型进行映射网格划分，得到相应的有限元分析模型，最后采用ALE算法进行计算，得到减震模拟结果，具体地，当时间t＝1999.9μs时，长江大桥桥墩处的冯·米塞斯应力，即Mises应力达到最大值2.2144e^-4MPa，其中MPa表示压强的单位兆帕，当时间达到t＝19000μs后，桥墩处的Mises应力逐渐变小趋于常数，其中 μs表示时间单位微秒；当时间t＝1999.9μs时，桥墩处受到的水击波压力达到最大值，为0.523MPa，在t＝1999.9μs～4499.4μs时间段内，桥墩处所受的水击波压力值相对其他时间段有一定程度的波动，在该时间段后，桥墩处所受的水击波压力值逐渐减小，可推测该时间段是爆破冲击波传播到桥墩处的时间段，在t＝19000μs后，桥墩处所受水击波压力逐渐减小并趋于常数，表明在该时刻后，桥墩处不再受到因为爆破而产生的水击波压力；桥墩处的位移模拟数据为，在t＝1499.7μs～1999.9μs时间段，桥墩受到爆破冲击波的作用并发生微小位移，并在t＝1999.9μs时刻位移达到最大值1.431e^-3cm，cm表示距离单位厘米。

为了更好的分析减震模拟结果，优选地，还可以在桥墩处自上至下取三个特征单元，作为当前活动单元，以分析它们的压力和位移随时间变化特征，这里不再赘述。

请参阅图3，是本发明第二实施例提供的水下爆破减震孔布设模拟方法流程图，所应说明的是，本发明所述的水下爆破减震孔布设模拟方法并不以图3以及以下所述的具体顺序为限制。下面将对图3所示的具体流程进行详细阐述。

步骤S210，获得建立实体模型所需的初始布设参数和所述实体模型包括的材料属性。

步骤S211，根据所述材料属性获得对应的材料模型和状态方程。

步骤S212，根据所述材料模型、所述状态方程以及所述初始布设参数建立实体模型。

步骤S213，对所述实体模型进行网格划分，生成对应的有限元分析模型。

步骤S214，检测生成的有限元分析模型中网格单元是否满足预设的计算精度的要求，若否，则返回步骤S213，即对所述实体模型重新进行网格划分。

本实施例中，采用映射网格划分方法对所建立的实体模型进行网格划分后并得到相应的有限元分析模型后，需要判断生成的有限元分析模型中，网格单元数目、单元类型等是否满足预设的计算精度要求，比如，在单个网格单元所预设的求解时间相同的条件下，网格单元数目越多求解时间越长，计算精度也越高，反之，网格单元数目越少求解时间越短，但是计算精度也越差。一般，在网格单元数目达到某一数值或者某一范围内后，再继续增加网格单元的数目，计算精度便不会出现明显提升，在真实的模拟过程中，可多次试验得到较优的网格单元数目值，以使得在保证计算精度的前提下，尽可能的缩短计算时间。

步骤S215，设定所述有限元分析模型的边界条件为无反射边界。

无反射边界又称透射边界或是无反应边界，主要应用于无限体或半无限体中，为了减小研究对象的尺寸而采用的边界条件。无反射边界根据虚功原理将边界上的分布阻尼转化成等效节点力加到边界上，即列出所有组成无反射边界的单元，在所有无反射边界的单元上加上粘性正应力和剪应力。

步骤S216，对计算所述有限元分析模型的分析选项进行设置，所述分析选项包括求解时间和时间步，所述求解时间为对所述有限元分析模型预设的计算时间，所述时间步为每一次对所述实体模型进行初始化求解使其计算收敛。

步骤S217，采用连续介质力学运动描述方法对所述有限元分析模型进行计算，得到水下爆破减震孔布设的模拟结果，所述模拟结果 包括减震保护对象所受到的等效应力模拟数据、水击波压力模拟数据以及位移距离模拟数据。

本较佳实施例提供的水下爆破减震孔布设模拟方法同样可以科研项目“重庆万州长江公路大桥防撞设施水下基坑及基槽开挖”为具体工程依托，采用显式动力分析有限元软件ANSYS/LS-DYNA，对该工程中减震孔的布设参数做具体的模拟，以得到相应的模拟结果，本实施例在第一实施例提供的方法的基础上，在对有限元分析模型进行计算之间，还包括了设定无反射边界条件的步骤、检测网格单元是否满足预设计算精度要求的步骤以及分析选项设置步骤，本实施例中未提到的具体操作过程可参见第一实施例的描述，这里不再赘述。

请参阅图4，是本发明第三实施例提供的水下爆破减震孔布设模拟方法的流程图，其与第一实施例和第二实施例不同的是，本实施例提供的水下爆破减震孔布设模拟方法还包括：

步骤S310，该步骤在步骤S114或步骤S217后执行，该步骤S310为更改减震孔初始布设参数中的一个，得到新的有限元分析模型。

减震孔初始布设参数包括多个，本实施例中则主要是以减震孔距炮孔的距离、减震孔填充介质以及减震孔的直径三个参数为例做相应的阐述。在第一实施例或第二实施例所提供的水下爆破减震孔布设模拟方法的基础上，每一次只更改减震孔距炮孔的距离、减震孔填充介质或减震孔的直径中的一个参数，而保持其余所有参数不变，建立对应的新的实体模型，同样地对新的实体模型进行网格划分得到新的有限元分析模型。

步骤S311，对新得到的有限元分析模型采用同一连续介质力学运动描述方法进行计算，得到新的模拟结果。

以及步骤S312，根据新的模拟结果，确定所更改参数的优选值。

通过计算更改上述的减震孔距炮孔的距离、减震孔填充介质或减震孔的直径中的一个参数所得到的新的有限元分析模型，得到新的模拟结果，对比当前的模拟结果与之前的有限元分析模型的模拟结果，确定设置哪一个参数能够使减震效果更佳，从而使减震保护对象避免受到损害。

下面将在第一实施例中所述的以科研项目“重庆万州长江公路大桥防撞设施水下基坑及基槽开挖”为工程依托的具体实施方式的基础上，对本实施例提供的水下爆破减震孔布设模拟方法做详细的阐述。

首先，在保持其余初始布设参数不变的条件下，依次建立减震孔距爆源的距离为30米、40米以及49米的计算模型，并采用ALE算法对新得到的三个新的有限元分析模型进行计算，得到对应的模拟结果，具体地，结合第一实施例中的结果可得：

表6

如表6所示，在水下爆破中，减震孔距爆源距离的不同影响了爆击波的传递，从而改变了桥墩所受到的Mises应力、水击波压力以及位移。当减震孔距爆源15米时，桥墩处所受到的Mises应力最大值、水击波压力最大值以及位移最大值分别为2.2144e^-4MPa、3.315MPa、1.431e^-3cm。当时间达到t＝19000μs后，桥梁处的位移逐渐稳定，表明水下爆破使得桥墩发生的微小位移；当减震孔位置距离爆源30米时，桥墩处所受到的Mises应力最大值、水击波压力最大值以及位移最大 值分别为4.5234e^-4MPa、1.421MPa、3.99e^-3cm，当时间达到t＝19000μs后，桥墩处的Mises应力、水击波压力逐渐减小趋于稳定常数，表明此时刻后桥墩不再受到爆破产生的水击波压力的影响；当减震孔的位置距离爆源40米时，桥墩处所受到的Mises应力最大值、水击波压力最大值以及位移最大值分别为3.2743e^-4MPa、1.963MPa、5.86e^-3cm；当减震孔的位置距离爆源49米时，桥墩处所受到的Mises应力最大值、水击波压力最大值以及位移最大值分别为5.5423e^-4MPa、0.523MPa、6.65e^-3cm。

通过所上述模拟结果的研究可得出结论：其一，无论减震孔的位置距离爆源的参数如何布设，桥墩所受到的冲击波压力在其首次达到峰值后，将随着时间的增长而不断衰减直至归零，而桥墩的位移将随之间的增长而加剧，不断累积直至达到稳定值；其二，当减震孔距爆源40米时，桥墩处受到的冲击波压力与位移均大于减震孔距爆源30米时的竖直，这表明水下爆破中减震孔的减震效果不是随着减震孔与爆源的距离增大而持续减弱，中间可能存在着波动；其三，从整体数据看，随着减震孔与爆源距离的增大，桥墩处受到的Mises应力与位移逐渐增大，这表明减震孔与爆源距离越大，减震效果越差；最后，综合上述的结果，在现有建立的计算模型的基础上，可以得出将减震孔与爆源之间的距离设为15米，能够达到较优的减震效果。

其次，在第一实施例中所举出的具体实施方式的基础上，保持其余参数不变的情况下，将减震孔的填充介质改为空气，建立相应的新的计算模型，同样采用ALE算法对新的计算模型进行求解，得到新的模拟结果。

具体地，当减震孔采用水介质填充时，Mises应力最大值、位移最大值以及水击波压力最大值分别为2.151×10^-3MPa、3.354cm、5.790×10^-3MPa；当减震孔采用空气介质填充时，Mises应力最大值、位移最大值以及水击波压力最大值分别为2.153×10^-3MPa、5.107mm、 4.796×10^-3MPa，mm表示距离单位毫米。通过上述模拟结果可知，在其他因素条件相同时，减震孔采用空气介质填充相比采用水介质填充能够更大程度的破坏岩层的整体性，从而在一定程度上更容易的隔断地震波的传播，减震爆破引起的振动，因此该工程采用空气介质填充减震孔。

最后，同样采用单一控制变量法，对减震孔的几何尺寸进行模拟以得到优选值，依次建立直径为110毫米、100毫米、90毫米以及80毫米的计算模型，利用ALE算法对新得到的模型进行计算，得到相应的模拟结果，具体地：

表7

通过上述模拟数值结果，并结合工程实际情况，可得出如下结论：其一，在各模型的等效应力分析中，减震孔直径为80毫米时的Mises应力值是最大的，对桥墩的剪切破坏影响最大，减震孔直径大于110毫米时，Mises应力值较小；其二，减震孔直径越大，其可压缩性越大，减震孔产生位移也越大，由于减震孔中填充的介质具有缓冲作用，总体位移随着减震孔尺寸增大稍有减小且效果不明显；其三，在爆破产生的冲击波对桥墩影响中，减震孔几何尺寸过小对桥墩的减震效果达不到要求，减震孔尺寸达到一定数值后，再继续增大减震孔尺寸，减震效果没有明显提升，且不符合经济要求；最后，综合各方面因素，减震孔的直径优选值为110毫米。

需要说明的是，本实施例给出的减震孔布设参数优选值是在建立的各个计算模型基础上得到的，若采用不同的参数进行模拟，自然是得到不同的优选值，甚至是在计算模型足够多时，能够获得最优值，本领域技术人员可根据具体情况进行相应的优选建模。

请参阅图5，是本发明第四实施例提供的一种水下爆破减震孔布设模拟装置101。下面将对图5所示的具体功能模块进行阐述。

第一获得模块401，用于获得建立实体模型所需的初始布设参数和所述实体模型包括的材料属性。具体地，该第一获得模块401可用于执行步骤S110和步骤S210，具体的操作方法可参照上述对步骤S110和步骤S210的详细描述。

第二获得模块402，用于根据所述材料属性获得对应的材料模型和状态方程。具体地，该第二获得模块402可用于执行步骤S111和步骤S211，具体的操作方法可参照上述对步骤S111和步骤S211的详细描述。

实体模型建立模块403，用于根据所述材料模型、所述状态方程中以及所述初始布设参数建立实体模型。具体地，该实体模型建立模块403可用于执行步骤S112和步骤S212，具体的操作方法可参照上述对步骤S112和步骤S212的详细描述。

网格划分模块404，用于对所述实体模型进行网格划分，生成对应的有限元分析模型；还用于再划分后得到的网格单元不符合预设计算精度要求时，对实体模型重新进行网格划分。具体地，该网格划分模块404可用于执行步骤S113和步骤S213，具体的操作方法可参照上述对步骤S113和步骤S213的详细描述。

参数更改模块405，用于更改所述减震孔初始布设参数中的一个，得到新的有限元分析模型。具体地，该参数更改模块405可用于执行步骤S310，具体的操作方法可参照上述对步骤S310的详细描述。

边界条件设定模块406，用于设定所述有限元分析模型的边界条件为无反射边界。具体地，该边界条件设定模块406可用于执行步骤S215，具体的操作方法可参照上述对步骤S215的详细描述。

分析选项设置模块407，用于对计算所述有限元分析模型的分析选项进行设置，所述分析选项包括求解时间和时间步。具体地，该分析选项设置模块407可用于执行步骤S216，具体的操作方法可参照上述对步骤S216的详细描述。

计算模块408，用于采用连续介质力学运动描述方法对所述有限元分析模型进行计算，得到水下爆破减震孔布设的模拟结果；还用于更改减震孔布设参数中的一个后，对新得到的计算模型进行求解。具体地，该计算模块408可用于执行步骤S114、步骤S217以及步骤S311，具体的操作方法可参照上述对步骤S114、步骤S217以及步骤S311的详细描述。

检测模块409，用于检测生成的有限元分析模型中网格单元是否满足预设的计算精度的要求。具体地，该检测模块409可用于执行步骤S214，具体的操作方法可参照上述对步骤S214的详细描述。

参数优选值确定模块410，用于根据新的模拟结果，确定所更改参数的优选值。具体地，该参数优选值确定模块410可用于执行步骤S312，具体的操作方法可参照上述对步骤S312的详细描述。

综上所述，本发明提供的水下爆破减震孔布设模拟方法及装置，在通过炮孔及减震孔的初始布设参数、材料模型及状态方程建立有限元分析模型并计算出相应的模拟结果后，每一次更改减震孔初始布设 参数中的一个，获得新的有限元分析模型，通过比较不同计算模型所得出的模拟结果，得出所更改的减震孔布设参数的较优值，对提高水下爆破施工效率、降低施工成本、确保紧邻建(构)筑物安全使用具有重要的促进意义，对进一步补充、丰富水下爆破基本理论，具有积极的推进作用。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。

所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实 施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器、随机存取存储器、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种水下爆破减震孔布设模拟方法，其特征在于，所述方法包括：

获得建立实体模型所需的初始布设参数和所述实体模型包括的材料属性；

根据所述材料属性获得对应的材料模型和状态方程；

根据所述材料模型、所述状态方程以及所述初始布设参数建立实体模型；

对所述实体模型进行网格划分，生成对应的有限元分析模型；

采用连续介质力学运动描述方法对所述有限元分析模型进行计算，得到水下爆破减震孔布设的模拟结果，所述模拟结果包括减震保护对象所受到的等效应力模拟数据、水击波压力模拟数据以及位移距离模拟数据。

2.根据权利要求1所述的水下爆破减震孔布设模拟方法，其特征在于，所述初始布设参数包括炮孔初始布设参数和减震孔初始布设参数，所述减震孔初始布设参数包括减震孔距炮孔的距离、减震孔填充介质以及减震孔的直径，所述方法还包括：

更改所述减震孔初始布设参数中的一个，得到新的有限元分析模型；

对新得到的有限元分析模型采用同一连续介质力学运动描述方法进行计算，得到新的模拟结果；

根据新的模拟结果，确定所更改参数的优选值。

3.根据权利要求1所述的水下爆破减震孔布设模拟方法，其特征在于，对所述有限元分析模型进行计算之前还包括：

设定所述有限元分析模型的边界条件为无反射边界。

4.根据权利要求1所述的水下爆破减震孔布设模拟方法，其特征在于，对所述有限元分析模型进行计算之前还包括：

对计算所述有限元分析模型的分析选项进行设置，所述分析选项包括求解时间和时间步，所述求解时间为对所述有限元分析模型预设的计算时间，所述时间步为每一次对所述实体模型进行初始化求解使其计算收敛。

5.根据权利要求1所述的水下爆破减震孔布设模拟方法，其特征在于，所述对所述实体模型进行网格划分，生成对应的有限元分析模型的步骤之后还包括：

检测生成的有限元分析模型中网格单元是否满足预设的计算精度的要求；

若否，则调整网格大小，对所述实体模型重新进行网格划分。

6.一种水下爆破减震孔布设模拟装置，其特征在于，所述装置包括：

第一获得模块，用于获得建立实体模型所需的初始布设参数和所述实体模型包括的材料属性；

第二获得模块，用于根据所述材料属性获得对应的材料模型和状态方程；

实体模型建立模块，用于根据所述材料模型和所述状态方程以及所述初始布设参数建立实体模型；

网格划分模块，用于对所述实体模型进行网格划分，生成对应的有限元分析模型；

计算模块，用于采用连续介质力学运动描述方法对所述有限元分析模型进行计算，得到水下爆破减震孔布设的模拟结果，所述模拟结果包括减震保护对象所受到的等效应力模拟数据、水击波压力模拟数据以及位移距离模拟数据。

7.根据权利要求6所述的水下爆破减震孔布设模拟装置，其特征在于，所述初始布设参数包括炮孔初始布设参数和减震孔初始布设参数，所述减震孔初始布设参数包括减震孔距炮孔的距离、减震孔填充介质以及减震孔的直径，所述装置还包括：

参数更改模块，用于更改所述减震孔初始布设参数中的一个，得到新的有限元分析模型；

所述计算模块，还用于对新得到的有限元分析模型采用同一连续介质力学运动描述方法进行计算，得到新的模拟结果；

参数优选值确定模块，用于根据新的模拟结果，确定所更改参数的优选值。

8.根据权利要求6所述的水下爆破减震孔布设模拟装置，其特征在于，所述装置还包括：

边界条件设定模块，用于设定所述有限元分析模型的边界条件为无反射边界。

9.根据权利要求6所述的水下爆破减震孔布设模拟装置，其特征在于，所述装置还包括：

分析选项设置模块，用于对计算所述有限元分析模型的分析选项进行设置，所述分析选项包括求解时间和时间步，所述求解时间为对所述有限元分析模型预设的计算时间，所述时间步为每一次对所述实体模型进行初始化求解使其计算收敛。

10.根据权利要求6所述的水下爆破减震孔布设模拟装置，其特征在于，所述装置还包括：

检测模块，用于检测生成的有限元分析模型中网格单元是否满足预设的计算精度的要求；

所述网格划分模块，还用于在划分的网格单元不满则预设的计算精度时，对所述实体模型重新进行网格划分。