CN107944164A - 一种爆破冲击和瞬态卸荷的荷载数值分离方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种爆破冲击和瞬态卸荷的荷载数值分离方法及系统，包括：建立杆件模型对应的有限元模型。根据材料力学参数信息、第一边界条件和初始压力值，计算有限元模型的节点位移数据。根据材料力学参数信息、节点位移数据和第二边界条件，对有限元模型进行应力初始化。对处于应力初始化状态下的有限元模型分别进行爆破冲击卸载模拟计算得到第一动态应变数据以及进行瞬态卸荷卸载模拟计算得到第二动态应变数据。将第一动态应变数据减去第二动态应变数据，得到爆破冲击单独作用下的第三动态应变数据。本发明采用有限元分析软件作为基础平台，可以有效模拟爆破冲击与瞬态卸荷过程中岩体动态应变规律，并成功分离初始应力下爆破冲击与瞬态卸荷。

Description

一种爆破冲击和瞬态卸荷的荷载数值分离方法及系统

技术领域

本发明涉及体工程技术领域，特别涉及一种爆破冲击和瞬态卸荷的荷载 数值分离方法及系统。

背景技术

西部地区地质、地形条件复杂，而各类水利水电、铁路桥隧工程往往涉 及到高地应力条件下大规模的坝基、高边坡和地下洞室群的岩体爆破开挖工 作。根据以往小湾、溪洛渡、拉西瓦等大型水电项目的经验，这类工程往往 面临严峻的大型岩体卸载松弛及变形控制难题。同时，在矿山岩体开挖、核 废料深部处置等工程中也极易由开挖扰动引起地质灾害。根据大量的观测资 料，这类问题往往是爆破冲击荷载与瞬态卸荷荷载耦合作用产生的。因此， 分析爆破开挖荷载的组成，研究爆破冲击荷载与地应力瞬态卸荷荷载的分离 与耦合模式等问题具有重要的理论意义和广阔的工程应用价值。

发明内容

本发明提供了一种爆破冲击和瞬态卸荷的荷载数值分离方法及系统，解 决了以上所述的技术问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种爆破冲击和瞬态卸荷的 荷载数值分离方法，包括：

步骤1、获取杆件模型的材料力学参数信息，并建立所述杆件模型对应 的有限元模型；

步骤2、根据所述材料力学参数信息、预施加给所述杆件模型的第一边 界条件和初始压力值，计算所述有限元模型的节点位移数据；

步骤3、根据所述材料力学参数信息、节点位移数据和预施加给所述杆 件模型的第二边界条件，对所述有限元模型进行应力初始化；

步骤4、对处于所述应力初始化状态下的所述有限元模型分别进行爆破 冲击卸载模拟计算得到第一动态应变数据以及进行瞬态卸荷卸载模拟计算 得到第二动态应变数据；

步骤5、根据所述第一动态应变数据和所述第二动态应变数据，得到爆 破冲击单独作用下的第三动态应变数据，完成荷载分离。

本发明的有益效果是：该方法采用有限元分析软件作为基础平台，可以 有效模拟爆破冲击与瞬态卸荷过程中岩体动态应变规律，并成功分离初始应 力下爆破冲击与瞬态卸荷，为深入研究岩体爆破开挖过程中荷载分离与耦合 机制以及岩体松动机理提供理论基础。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述材料力学参数信息包括：弹性模量，泊松比，密度，以及 抗压强度。

进一步，所述爆破冲击卸载模拟为炸药和岩石组合模型模拟，所述瞬态 卸荷卸载为滑块上下飞出模型模拟。

进一步，在所述步骤3之前，所述方法还包括：

步骤6、将所述节点位移数据保存至动力松弛文件drelax中，删除所述 第一边界条件，并获取预施加给所述杆件模型的第二边界条件，其中，所述 第二边界条件为无反射边界条件。

则所述步骤3还包括：

从所述动力松弛文件drelax中获取所述节点位移数据。

进一步，所述步骤2包括：

根据所述材料力学参数信息、预施加给所述杆件模型的第一边界条件和 初始压力值，通过隐式算法计算所述有限元模型的节点位移数据；

则所述步骤3包括：

根据所述材料力学参数信息、节点位移数据和预施加给所述杆件模型的 第二边界条件，通过显式算法对所述有限元模型进行应力初始化。

本发明的进一步有益效果：该方法以有限元分析软件为基础平台，综合 运用隐式、显式分析方法，模拟初始应力直接瞬态卸荷过程和初始应力爆破 卸荷过程，通过分析计算结果中模型的动态应力应变数据，以直接卸荷的计 算结果为基础，从爆破卸荷的计算结果中分离出爆破冲击卸载单独作用下模 型的应力应变规律。

为了解决本发明的技术问题，还提供了一种爆破冲击和瞬态卸荷的荷载 分离系统，包括；

有限元模型建立模块，用于获取杆件模型的材料力学参数信息，并建立 所述杆件模型对应的有限元模型；

计算模块，用于根据所述有限元模型建立模块获取的所述材料力学参数 信息、预施加给所述杆件模型的第一边界条件和初始压力值，计算所述有限 元模型建立模块建立的所述有限元模型的节点位移数据；

应力初始化模块，用于根据所述有限元模型建立模块获取的所述材料力 学参数信息、所述计算模块计算的节点位移数据和预施加给所述杆件模型的 第二边界条件，对所述有限元模型建立模块建立的所述有限元模型进行应力 初始化；

卸载模拟模块，用于对所述应力初始化模块进行应力初始化的所述有限 元模型分别进行爆破冲击卸载模拟计算得到第一动态应变数据以及进行瞬 态卸荷卸载模拟计算得到第二动态应变数据；

数据处理模块，用于将所述第一动态应变数据减去所述第二动态应变数 据，得到爆破冲击单独作用下的第三动态应变数据。

进一步，所述材料力学参数信息包括：弹性模量，泊松比，密度，以及 抗压强度。

进一步，所述爆破冲击卸载模拟为炸药和岩石组合模型模拟，所述瞬态 卸荷卸载为滑块上下飞出模型模拟。

进一步，所述系统还包括：

边界条件变更模块，用于将所述节点位移数据保存至动力松弛文件 drelax中，删除所述第一边界条件，并获取预施加给所述杆件模型的第二边 界条件，其中，所述第二边界条件为无反射边界条件；

则应力初始化模块还用于：从所述动力松弛文件drelax中获取所述节 点位移数据。

进一步，所述计算模块具体用于：

根据所述材料力学参数信息、预施加给所述杆件模型的第一边界条件和 初始压力值，通过隐式算法计算所述有限元模型的节点位移数据；

则所述应力初始化模块具体用于：

根据所述材料力学参数信息、节点位移数据和预施加给所述杆件模型的 第二边界条件，通过显式算法对所述有限元模型进行应力初始化。

本发明附加的方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的 描述中变得明显，或通过本发明实践了解到。

附图说明

图1为本发明一个实施例提供的一种爆破冲击和瞬态卸荷的荷载数值分 离方法的示意性流程图；

图2为本发明另一实施例提供的一种爆破冲击和瞬态卸荷的荷载数值分 离方法的示意性流程图；

图3为本发明另一实施例提供的一种爆破冲击和瞬态卸荷的荷载数值分 离方法的示意性流程图；

图4为本发明另一实施例提供的一种爆破冲击和瞬态卸荷的荷载数值分 离方法的示意性流程图；

图5为本发明另一实施例提供的一种爆破冲击和瞬态卸荷的荷载数值分 离方法中初始应力下卸荷的示意性一维结构图；

图6为本发明另一实施例提供的一种爆破冲击和瞬态卸荷的荷载分离方 法中杆件模型瞬态卸载对应的应变时程曲线图；

图7为本发明另一实施例提供的一种爆破冲击和瞬态卸荷的荷载分离方 法中杆件模型爆破冲击卸载对应的应变时程曲线图；

图8为本发明另一实施例提供的一种爆破冲击和瞬态卸荷的荷载分离方 法中岩石杆件爆破冲击卸载单独作用时的应变时程曲线图；

图9为本发明一个实施例提供的一种爆破冲击和瞬态卸荷的荷载数值分 离系统的示意性结构图；

图10为本发明另一个实施例提供的一种爆破冲击和瞬态卸荷的荷载数 值分离系统的示意性结构图。

附图中，各标号所代表的元件列表如下：

1、杆件模型。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本 发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例一

一种爆破冲击和瞬态卸荷的荷载数值分离方法100，如图1所示，包括：

步骤110、获取杆件模型的材料力学参数信息，并建立杆件模型对应的 有限元模型。

步骤120、根据材料力学参数信息、预施加给杆件模型的第一边界条件 和初始压力值，计算有限元模型的节点位移数据。

步骤130、根据材料力学参数信息、节点位移数据和预施加给杆件模型 的第二边界条件，对有限元模型进行应力初始化。

步骤140、对处于应力初始化状态下的有限元模型分别进行爆破冲击卸 载模拟计算得到第一动态应变数据以及进行瞬态卸荷卸载模拟计算得到第 二动态应变数据。

步骤150、根据第一动态应变数据和第二动态应变数据，得到爆破冲击 单独作用下的第三动态应变数据，完成荷载分离。

关于爆破冲击卸载和直接瞬态卸载，现有的研究资料绝大多数是基于工 程实测数据的识别与分析或者理论推导，并且这些研究资料都没有涉及到爆 破冲击荷载与瞬态卸荷分离的问题，并且，目前也没有相应的比较成熟的方 法来研究爆破冲击荷载与瞬态卸荷分离的问题。为了解决这个问题，以大型 通用有限元软件ANSYS/LS-DYNA为基础平台，模拟初始应力条件下岩体 爆破开挖卸载过程，通过分析计算数据，分离爆破冲击荷载与初始应力瞬态 卸荷荷载。

采用有限元分析软件作为基础平台，可以有效模拟爆破冲击与瞬态卸荷 过程中岩体动态应变规律，并成功分离初始应力下爆破冲击与瞬态卸荷，为 深入研究岩体爆破开挖过程中荷载分离与耦合机制以及岩体松动机理提供 理论基础。

需要说明的是，步骤150中，爆破冲击单独作用下的第三动态应变数据 可以是通过第一动态应变数据减去第二动态应变数据得到。

实施例二

在实施例一的基础上，材料力学参数信息包括：弹性模量，泊松比，密 度，以及抗压强度。

实施例三

在实施例一或实施例二的基础上，爆破冲击卸载模拟为炸药和岩石组合 模型模拟，瞬态卸荷卸载为滑块上下飞出模型模拟。

实施例四

在实施例一至实施例三中任一实施例的基础上，如图2所示，在步骤130 之前，方法100还包括：

步骤160、将节点位移数据保存至动力松弛文件drelax中，删除第一边 界条件，并获取预施加给杆件模型的第二边界条件，其中，第二边界条件为 无反射边界条件。

则步骤130还包括：

从动力松弛文件drelax中获取节点位移数据。

实施例五

在实施例一至实施例四中任一实施例的基础上，如图3所示，步骤120 包括：

根据材料力学参数信息、预施加给杆件模型的第一边界条件和初始压力 值，通过隐式算法计算有限元模型的节点位移数据。

则步骤130包括：

根据材料力学参数信息、节点位移数据和预施加给杆件模型的第二边界 条件，通过显式算法对有限元模型进行应力初始化。

例如，如图4所示，一种爆破冲击和瞬态卸荷的荷载数值分离方法，包 括：

步骤一、根据实验测得所研究混凝土模型的弹性模量E＝3GPa，密度 ρ＝2700Kg/m³，泊松比ν＝0.2。

步骤二、简化物理模型，如图5所示(图中水平箭头代表初始压力)， 将初始应力条件下爆破开挖过程简化成一维杆件模型1，杆件一端固定一端 自由，自由端受到初始压力作用，杆件长1.5m，直径0.05m。在 ANSYS/LS-DYNA前处理器中，构建一维杆件的有限元模型。

步骤三、施加边界条件和初始条件，在杆件自由端施加初始压力，初始 压力为P0＝5MPa。在ANSYS中运用隐式求解器进行初始压力下的预载分析。

步骤四：将隐式求解器计算得到的节点位移数据写入到动力松弛文件 drelax中。

步骤五、删除初始压力计算中的边界条件，在杆件固定端添加瞬态卸载 模拟中所需的无反射边界条件。

步骤六、进入LS-DYNA显式求解器，读入动力松弛文件drelax中的节 点位移数据，对模型进行应力初始化。

步骤七、进行瞬态卸载模拟计算。

步骤七中瞬态卸载模拟计算包括瞬态卸荷卸载模拟和爆破冲击卸载模 拟过程。所述瞬态卸荷卸载模拟过程通过滑块飞出的方式模拟，在杆件自由 端建立滑块，通过滑块对杆件施加初始压力，通过定义滑块速度曲线，令滑 块在0.005s时刻以100m/s的速度向杆件上下两侧飞出，从而实现瞬态卸荷 卸载过程的模拟。爆破冲击卸载模拟过程运用LS-DYNA材料模型库中的炸 药和岩石组合模型模拟爆破过程，在杆件自由端建立岩石块模型，岩石块中 装有炸药材料，设置炸药在0.005s起爆，并炸碎岩石块，从而实现爆破冲击 卸载过程的数值模拟。

步骤八、输出步骤七计算得到的瞬态卸荷卸载模型的应力时程数据(如 图6所示，其中，σ代表应力(Pa)，t代表时间(s))和爆破卸荷模型的 应力时程数据(如图7所示，其中，σ代表应力(Pa)，t代表时间(s))， 将数据导入到数据处理软件，如EXCEL中，以瞬态卸荷卸载模拟计算的应 力数据为基础，从爆破冲击卸载模拟计算的应力数据中减去瞬态卸荷卸载模 拟计算的应力数据，从而分离爆破冲击卸载单独作用下岩石杆件上的应力时 程曲线(如图8所示，其中，σ代表应力(Pa)，t代表时间(s))。

该方法以有限元分析软件为基础平台，综合运用隐式、显式分析方法， 模拟初始应力直接瞬态卸荷过程和初始应力爆破冲击卸载过程，通过分析计 算结果中模型的动态应力应变数据，以直接卸荷的计算结果为基础，从爆破 卸荷的计算结果中分离出爆破冲击卸载单独作用下模型的应力应变规律。

实施例六

一种爆破冲击和瞬态卸荷的荷载分离系统200，如图9所示，包括；

有限元模型建立模块，用于获取杆件模型的材料力学参数信息，并建立 杆件模型对应的有限元模型。

计算模块，用于根据有限元模型建立模块获取的材料力学参数信息、预 施加给杆件模型的第一边界条件和初始压力值，计算有限元模型建立模块建 立的有限元模型的节点位移数据。

应力初始化模块，用于根据有限元模型建立模块获取的材料力学参数信 息、计算模块计算的节点位移数据和预施加给杆件模型的第二边界条件，对 有限元模型建立模块建立的有限元模型进行应力初始化。

卸载模拟模块，用于对应力初始化模块进行应力初始化的有限元模型分 别进行爆破冲击卸载模拟计算得到第一动态应变数据以及进行瞬态卸荷卸 载模拟计算得到第二动态应变数据。

数据处理模块，用于将第一动态应变数据减去第二动态应变数据，得到 爆破冲击单独作用下的第三动态应变数据

实施例七。

在实施例六的基础上，材料力学参数信息包括：弹性模量，泊松比，密 度，以及抗压强度。

实施例八

在实施例六或实施例七的基础上，爆破冲击卸载模拟为炸药和岩石组合 模型模拟，瞬态卸荷卸载为滑块上下飞出模型模拟。

实施例九

在实施例六至实施例八中任一实施例的基础上，如图10所示，系统200 还包括：

边界条件变更模块，用于将节点位移数据保存至动力松弛文件drelax中， 删除第一边界条件，并获取预施加给杆件模型的第二边界条件，其中，第二 边界条件为无反射边界条件。

则应力初始化模块还用于：从动力松弛文件drelax中获取节点位移数据。

实施例十

在实施例六至实施例八中任一实施例的基础上，计算模块具体用于：

根据材料力学参数信息、预施加给杆件模型的第一边界条件和初始压力 值，通过隐式算法计算有限元模型的节点位移数据。

则应力初始化模块具体用于：根据材料力学参数信息、节点位移数据和 预施加给杆件模型的第二边界条件，通过显式算法对有限元模型进行应力初 始化。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明 的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发 明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种爆破冲击和瞬态卸荷的荷载数值分离方法，其特征在于，包括：

步骤1、获取杆件模型的材料力学参数信息，并建立所述杆件模型对应的有限元模型；

步骤2、根据所述材料力学参数信息、预施加给所述杆件模型的第一边界条件和初始压力值，计算所述有限元模型的节点位移数据；

步骤3、根据所述材料力学参数信息、节点位移数据和预施加给所述杆件模型的第二边界条件，对所述有限元模型进行应力初始化；

步骤4、对处于所述应力初始化状态下的所述有限元模型分别进行爆破冲击卸载模拟计算得到第一动态应变数据以及进行瞬态卸荷卸载模拟计算得到第二动态应变数据；

步骤5、根据所述第一动态应变数据和所述第二动态应变数据，得到爆破冲击单独作用下的第三动态应变数据，完成荷载分离。

2.根据权利要求1所述的一种爆破冲击和瞬态卸荷的荷载数值分离方法，其特征在于，所述材料力学参数信息包括：弹性模量，泊松比，密度，以及抗压强度。

3.根据权利要求1所述的一种爆破冲击和瞬态卸荷的荷载数值分离方法，其特征在于，所述爆破冲击卸载模拟为炸药和岩石组合模型模拟，所述瞬态卸荷卸载为滑块上下飞出模型模拟。

4.根据权利要求1所述的一种爆破冲击和瞬态卸荷的荷载数值分离方法，其特征在于，在所述步骤3之前，所述方法还包括：

步骤6、将所述节点位移数据保存至动力松弛文件drelax中，删除所述第一边界条件，并获取预施加给所述杆件模型的第二边界条件，其中，所述第二边界条件为无反射边界条件。

则所述步骤3还包括：

从所述动力松弛文件drelax中获取所述节点位移数据。

5.根据权利要求1至4任一项所述的一种爆破冲击和瞬态卸荷的荷载数值分离方法，其特征在于，所述步骤2包括：

根据所述材料力学参数信息、预施加给所述杆件模型的第一边界条件和初始压力值，通过隐式算法计算所述有限元模型的节点位移数据；

则所述步骤3包括：

根据所述材料力学参数信息、节点位移数据和预施加给所述杆件模型的第二边界条件，通过显式算法对所述有限元模型进行应力初始化。

6.一种爆破冲击和瞬态卸荷的荷载数值分离系统，其特征在于，包括：

有限元模型建立模块，用于获取杆件模型的材料力学参数信息，并建立所述杆件模型对应的有限元模型；

计算模块，用于根据所述有限元模型建立模块获取的所述材料力学参数信息、预施加给所述杆件模型的第一边界条件和初始压力值，计算所述有限元模型建立模块建立的所述有限元模型的节点位移数据；

应力初始化模块，用于根据所述有限元模型建立模块获取的所述材料力学参数信息、所述计算模块计算的节点位移数据和预施加给所述杆件模型的第二边界条件，对所述有限元模型建立模块建立的所述有限元模型进行应力初始化；

卸载模拟模块，用于对所述应力初始化模块进行应力初始化的所述有限元模型分别进行爆破冲击卸载模拟计算得到第一动态应变数据以及进行瞬态卸荷卸载模拟计算得到第二动态应变数据；

数据处理模块，用于根据所述第一动态应变数据和所述第二动态应变数据，得到爆破冲击单独作用下的第三动态应变数据。

7.根据权利要求6所述的一种爆破冲击和瞬态卸荷的荷载数值分离系统，其特征在于，所述材料力学参数信息包括：弹性模量，泊松比，密度，以及抗压强度。

8.根据权利要求6所述的一种爆破冲击和瞬态卸荷的荷载数值分离系统，其特征在于，所述爆破冲击卸载模拟为炸药和岩石组合模型模拟，所述瞬态卸荷卸载为滑块上下飞出模型模拟。

9.根据权利要求6所述的一种爆破冲击和瞬态卸荷的荷载数值分离系统，其特征在于，所述系统还包括：

边界条件变更模块，用于将所述节点位移数据保存至动力松弛文件drelax中，删除所述第一边界条件，并获取预施加给所述杆件模型的第二边界条件，其中，所述第二边界条件为无反射边界条件；

则应力初始化模块还用于：从所述动力松弛文件drelax中获取所述节点位移数据。

10.根据权利要求6至9任一项所述的一种爆破冲击和瞬态卸荷的荷载数值分离系统，其特征在于，所述计算模块具体用于：

根据所述材料力学参数信息、预施加给所述杆件模型的第一边界条件和初始压力值，通过隐式算法计算所述有限元模型的节点位移数据；

则所述应力初始化模块具体用于：

根据所述材料力学参数信息、节点位移数据和预施加给所述杆件模型的第二边界条件，通过显式算法对所述有限元模型进行应力初始化。