混凝土爆炸破坏模拟

本文采用WorkBench的autodyn模块对混凝土爆炸破坏进行了模拟仿真。

本文主要参考** ANSYS Autodyn 简介II Explosive Demolition of Concrete **

目标和过程

对混凝土板的爆炸破坏进行模拟。

• 打开AUTODYN
• 设置为二维轴对称模拟
• 对混凝土采用Lagrange建模
• 对爆炸物采用Euler建模
• 添加Euler/Lagrange相互作用
• 计算

第一步：打开AUTODYN

按照类似如下路径，双击autodyn.exe打开软件。

第二步：新建工程

• 通过File->New或者快捷键新建一个新工程。
• 指定一个文件夹作为该工程文件存放地。
• 标识(Ident)设置为explosive_demolition。
• 标题设置为Explosive Demolition of a Concrete Slab。
• 对称选择2D，Axial(轴对称)。
• 单位采用默认的 mm ms g。

第三步：从数据库提取材料模型

选中Materials，点击Load，并选择一下材料模型。

• AIR
• CONC-35MPA
• TNT

Tips： 按住Ctrl可以同时选择多个模型

第四步：改进混凝土模型

通过增加拉伸断裂与裂纹软化改善混凝土模型

• 选择CONC-35MPA
• 点击Modify
• 在拉伸断裂选项中选择Principal Stress，输入“5.0e3”作为拉伸破坏主应力
• 打开裂纹软化选项Crack Softening并输入“100.0”做为断裂能量

第五步：创建空气初始条件

• 在左侧导航栏选择Init. Cond.
• 在对话面板上点击New
• 设置初始条件名为Atmos
• 选中Include Material,并选择材料为AIR
• 设置内能为2.068e5,这将初始化空气的压力为1个大气压

第六步：定义流出边界条件

• 在左侧导航栏上点击Navigation Bar
• 单击New来定义一个边界条件
• 输入名称为Outflow
• 选择Flow_out和Flowout (Euler)
• 对首选材料(Preferred Material)选择ALL EQUAL（对于运输，HE和Air具有相同的优先权）

第七步：创建Structure部件

• 在左侧导航栏上点击Parts
• 点击New
• 设置部件名称为Structure
• 选中Lagrange求解器
• 点击Next

第八步：定义Structure部件的几何尺寸

• 选择Box（默认）
• 设置矩形原点为(0.0,0.0)，宽和高分别为(500.0,1000.0)
• 进入下一步

第九步：指定Structure部件的网格并填充

• 将I和J，即X和Y方向的网格数设置为50和100
• 进入下一步

• 不要选中Fill with Initial Condition Set
• 选择材料为CONC-35MPA
  
• 完成

目前生成的模型如下

第十步：为爆炸物创建Euler部件

• 在导航栏上点击Parts
• 点击New创建新部件
• 定义名称为Blast
• 选择Euler, 2D MultiMaterial求解器
• 点击Next，进入下一步

第十一步：设置Blast部件的几何尺寸

• 选择Box(默认)
• 设置矩形的原点为(-800.0,0.0)，宽和高为(1400,1000)
• 点击Next，进入下一步

第十二步：划分网格并填充Blast

• 设置I和J方向的网格数分别为140和100
• 进入下一步

• 选中Fill with InitialCondition Set，使用唯一的Atmos填充

这会将Blast部件全部填充为1个大气压的空气，TNT部分将在随后加入。

第十三步 为Blast部件填充TNT

• 选中Blast部件
• 点击Fill
• 点击Ellipse来填充一个圆形区域
• 将椭圆的中心设置为(-200,0)，x和y半径设置为200
• 选择TNT材料
• 完成

第十四步：检查模型

• 在左侧导航栏点击Plots
• 选择Fill type为Material Location
• 点击箭头，选中Smooth multi-materials
• 如果想查看网格，选中右侧的Grid选项。

目前模型如图所示。

请注意，欧拉爆炸部分与拉格朗日结构部分重叠。这是在整个动态分析中允许有效的欧拉-拉格朗日耦合所必需的。

第十五步：应用流出边界条件

• 选择Parts，选中Blast
• 选择Boundary
• 点击I Line，输入I=1,J=1-101，完成
• 点击I Line，输入I=141,J=1-101，完成
• 点击J Line，输入I=1-141,J=101，完成

第十六步：设置Lagrange-Lagrange接触

• 点击Interaction
• 默认为Lagrange/Lagrange接触
• 选中External Gap
• 点击Calculate，AUTODYN计算得到建议的间隙尺寸为1.0mm(单元尺寸的1/10)
• 其它选项保持默认值

第十七步：设置Euler-Lagrange耦合

• 点击Interaction
• 选择Euler/Lagrange
• 选择Automatic(polygon free)作为耦合类型

第十八步：设置起爆点

• 点击Detonation
• 单击Point
• 设置起爆点的位置为(-200,0)
• 完成
• 选中Plot detonation points来观察起爆点位置

第十九步：设置求解和输出控制项

• 选择Controls
• 设置Cycle limit为足够大的值，End time为0.3
• 选择Output

• 设置输出间隔为0.01ms

• 选择Plots，选中Rotate和180 deg，将模型映射到三维

第二十步：计算模型并观察结果

• 保存模型
• 点击Run，开始计算

计算结果如下图所示。

本文计算步骤经过验证，并保存有相关文件，如有需要，请通过Email联系。** 并非全部文件都可提供，敬请谅解**。

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