周文君 聂红鑫 王帅

摘要：

为提高工程爆破模拟前处理工作的效率、改善爆破设置方法，基于HyperMesh二次开发技术，结合爆破工程学专业知识，利用TCL/TK语言编写爆破前处理工作插件。该插件支持用户根据爆破工程实际情况设置炸药起爆位置、炸药种类和炸药当量，融合LSDYNA多物质流固耦合技术，使传递冲击波的介质与爆破物体间能够在单元非共节点状态下传力。该插件使用图形化界面进行多起爆点设置和起爆点参数修改，采用介质有限元网格自动划分技术优化HyperMesh的爆破边界条件设置。应用该插件优化HyperMesh工程爆破的前处理工作，既能保证结果的准确性，又能减少爆破前处理设置的复杂操作、提高工作效率。

关键词：

中图分类号：  O383.1; TB115.1

文献标志码：  B

Preprocessing optimization of engineering blasting simulation based on HyperMesh

ZHOU Wenjun， NIE Hongxin， WANG Shuai

（Civil Engineering college， Jilin University of Architecture and Technology， Changchun 130000， China）

Abstract：

To improve the efficiency of preprocessing of engineering blasting simulation and improve the blasting setting method， the plugin for blasting preprocessing is wrote by using TCL/TK language based on the secondary development technology of HyperMesh and combined with professional knowledge of blasting engineering. The plugin can support users to set the explosive initiation position， explosive type and explosive equivalent according to the actual situation of blasting engineering. Using LSDYNA multimaterial fluidstructure coupling technology， the force transfer between the shock wave transmission medium and the blasting object can be carried out in the non conode state of the element. The graphical interface is used to set multiple initiation points and modify parameters of initiation points. The blasting boundary condition setting in HyperMesh is optimized by using automatic mesh generation technology of medium finite element. The application of the plugin for the preprocessing optimization of HyperMesh engineering blasting can not only ensure the accuracy of the results， but also reduce the complicated operation of preprocessing settings and improve the working efficiency.

Key words：

HyperMesh; secondary development; fluidstructure coupling; multipoint detonation; explosive; boundary condition; finite element

0 引 言

近年來，意外爆炸事故频发。爆炸冲击波导致建筑物剧烈震荡，引起结构破坏，甚至造成建筑物整体倒塌，严重威胁人类的生命和财产安全。[1]在建筑安全领域，爆炸冲击载荷已成为重点关注的载荷形式之一，提升结构抗爆能力已成为工程技术人员急需攻克的难题之一。在隧道挖掘工程中，爆炸安全问题也非常重要。[2]隧道专家提出许多施工方法，适用于不同的工程地质条件，其中钻爆法是较为经济、合理、适用的隧道施工方法[3]，但爆炸载荷对周围的建筑物、临近的地下管道都会产生影响，这类问题不适合用试验方法进行研究。除此之外，水下爆炸问题，如潜水艇的研究和制造等均与工程爆破计算息息相关。

通用有限元前处理软件ANSYS和HyperMesh处理爆破问题时均具有一定的局限性，并且操作过程相当烦琐。作为一款功能强大的前处理软件，HyperMesh支持利用TCL/TK语言进行二次开发。[4]用户可以根据自己的需求利用TK创建特定界面、开发应用程序，使其满足多样化需求，提高工作效率。[57]

在爆炸分析中，爆破物体、冲击波传播介质、炸药三者组成一个系统。在系统中，各模块互联需要设置复杂的参数，因此有必要简化爆破系统的有限元模型和参数设置，优化建模方法。本文开发的插件封装LSDYNA求解爆破问题经常需要的材料模型、ALE属性和多物质流固耦合等关键字，并配备排队求解接口。

1 工程爆破前处理优化插件协同工作流程

工程爆破的前处理工作主要涉及炸药、介质和爆破物体的建模以及三者之间的关联设置，包括炸药和介质的属性分配、起爆点的相关设置等。在进行手动操作时，工程师需要调整的参数繁多，极易遗漏部分参量，导致计算错误。针对这类问题，本文设计HyperMesh的工程爆破前处理优化插件，其工作流程见图1。打开HyperMesh软件，利用HyperMesh的启动脚本功能找到主文件loophole.tcl，即可启动插件。

（1）单位制度设置。在爆破物体模型導入HyperMesh前，通过插件进行单位制度设置，包括kgmms、kgms、kgmmms、Tmmms、Tmms和多物质流固耦合设置。如果通用前处理软件不设置单位制度，那么炸药材料模型参数和流固耦合参数的单位转换就需要烦琐的手工操作。

（2）工作路径设置、爆破物体模型导入、k文件创建。工作路径设置为软件数据写出提供路径。爆破物体模型可以是已经分配材料模型的有限元模型，也可以在材料库里选择适合的材料模型。创建空的k文件为数据写出开辟存储空间。

（3）冲击波传播介质的类型选择和网格创建。

常规介质类型中的水和空气等材料模型和属性已经内置到插件中，用户只需要点选即可，不需要进行文献查找和单位转换等相关操作。

空气网格必须是六面体网格，利用HyperMesh工具先划分四边形平面网格，再通过网格拉伸或者网格映射等手段创建六面体单元，过程非常复杂。[810]使用优化插件，只需要输入介质空间尺寸和网格尺寸要求，即可自动生成所需要的网格。

（4）炸药的类型选择和网格创建。

常规炸药类型RDX、HMX和TNT等材料模型和属性已经内置到插件中，用户只需要点选即可，不需要进行文献查找和单位转换等相关操作。单独利用HyperMesh工具创建炸药网格时，往往把空气网格移动到炸药组件中，需要移动的网格对起爆点位置信息和炸药尺寸信息有一定的要求，因此选择需要移动的网格非常困难。使用爆破前处理插件，只需要输入炸药的位置和炸药尺寸信息即可自动生成炸药网格。

（5）起爆点设置。爆破可分为单点起爆爆破和多点起爆爆破，如：建筑结构构件爆破属于单点起爆爆破;隧道开挖一般会钻出几十甚至几百个药孔，属于多点起爆爆破。面对这样的大工程，使用HyperMesh完成非常困难，面临的问题也很多。使用优化插件可以图形化设置起爆点，结合起爆点参数检查功能，可以快速准确地完成起爆点设置。

（6）多物质流固耦合创建、边界条件设置。多物质流固耦合关键字已经内置到优化插件中，插件会根据单位制度自动分配。相比通过HyperMesh处理，插件可以节省主、从构件的设置操作，同时省去参数单位的转换。插件还提供更方便的介质无反射边界条件设置方法。

（7）将全部的设置数据导出，然后输入HyperMesh中，使各组件与相应属性匹配。

（8）提交计算。基于HyperMesh开发计算模型，其常规计算提交方法和批处理计算提交方法分别见图2和3。批处理提交方法可实现排队求解多个文件，大幅度提高求解效率。

2.1 开发目的

单独使用HyperMesh设置爆破计算模型虽然可以实现准确计算，但会出现冗余操作，可能导致设置失误。HyperMesh结合优化插件协同工作可以解决这些问题：（1）规避参数单位制度烦琐的手工转换;（2）优化传递冲击波介质网格建立方法;（3）优化炸药网格的定位和分配方法，特别在多点爆破的环境中优势更明显;（4）优化起爆点的设置方法，增加起爆点参数检查和修改功能;（5）开发介质、炸药材料库;（6）开发批处理计算求解接口。

2.2 合理规避手工转换参数单位

参数单位制度转换问题出现的原因是参与计算的材料参数往往是从科研文献中查找出来的，或是从某些算例中提取的参数，因此参数单位制度往往与模型的单位制度不匹配，需要研究者手工转换。多物质流固耦合计算设置也面临同样的问题，因此应用TCL类技术把不同单位制度下常用的爆炸波传递介质材料模型和炸药材料模型内置于插件中。单位制度自动转换逻辑结构见图4。

2.3 介质网格自动创建技术

在爆破分析中，介质包围在爆破物体四周，一般采用立方体网格，这样的网格形状只能用六面体划分。[11]如此特征明显的网格，可以利用二次开发技术自动处理，介质网格自动创建过程见图5。

第一步，给出介质区域定位节点和介质几何尺寸，应用HyperMesh中API组件的*solidblock创建介质网格的几何区域;第二步，给出单元尺寸，划分区域底面二维网格，生成拉伸路径节点;第三步，完成网格拉伸，生成六面体网格，清除几何、清除面网格并清空路径节点。

2.4 炸药网格的分配技术

在爆破分析中，炸药网格往往是根据起爆点位置把起爆点附近的网格导入到炸药组件中，定义为炸药网格。第一步，获取起爆点位置和炸药几何尺寸2组参数，完成炸药网格的自动分配;第二步，利用HyperMesh中API组件的*block包裹相关的单元;第三步，把包裹的单元移动到相应组件中。在多起爆点的爆破工况中，需要获取多组这样的参数，炸药网格分配过程见图6。

2.5 批处理计算求解技术

在爆破分析中，经常需要计算多种起爆点分布的爆破结果，对比不同分析结果得到最优方案。常规的方法是一次提交一个计算文件，过程非常烦琐。为提升效率、解放双手，优化插件特开发批处理接口。工程师可以通过一次操作把所有调试的模型都提交到求解器上，求解器按序列进行计算。批处理技术需要提供参数、求解文件路径、求解需要的CPU、读入文件的内存等，其代码逻辑结构见图7。

3 工程爆破前处理优化插件爆炸计算实例

3.1 实例概况

试件来源于军事科学院田志敏等[12]在外包钢板加固钢筋混凝土柱抗爆性能试验研究中的普通RC柱，柱截面尺寸为300 mm×300 mm，柱高为3 000 mm，保护层厚度为30 mm，混凝土强度等级为C40，纵筋等级为HRB400级，箍筋等级为HRB335级，配筋形式见图8。炸药当量为7.6 kg，爆心距RC柱跨中近炸药侧外表面0.6 m，RC柱两段固定。

3.2 2种前处理方法的几点比较

3.2.1 起爆点设置

优化插件起爆点设置窗口见图9。

应用工程爆破前处理优化插件设置起爆点，不用單独添加起爆点关键字;起爆点设置完成后，在相应起爆点处标注几何标识;在多点起爆工况中，利用起爆点几何标识可以轻而易举地分辨起爆位置是否已经完成设置。单纯利用HyperMesh进行起爆点设置，极容易使工作混淆，见图10。

3.2.2 多物质流固耦合设置

应用工程爆破前处理优化插件设置多物质流固耦合，*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID和*ALE_MULTIMATERIAL_GROUP关键字不用单独添加，插件可以自动生成;应用优化插件设置多物质流固耦合，不用单独进行主、从组件集合设置，插件可自动完成集合生成，见图11。

3.3 优化插件处理计算结果及其验证分析

应用基于HyperMesh开发的工程爆破模拟前处理插件对模型划分空气网格、分配炸药网格、设定起爆点、设置多物质流固耦合组件、施加无反射边界条件，并利用基于HyperMesh开发的LSDYNA接口提交模型进行求解，计算得到第0.8 ms时RC柱的节点位移云图，见图12。对比模拟结果与爆破试验结果，可验证基于HyperMesh开发的工程爆破模拟前处理插件处理模型的准确性。

3.3.1 破坏形态对比

RC柱的迎爆面部分混凝土单元被压碎;背爆面中部混凝土单元被拉伸破坏，裸露内部钢筋，柱两侧出现斜向分布的混凝土单元弯剪破坏。这些破坏形态与田志敏等[12]总结的C01构件整体破坏与局部破坏的耦合震踏破坏状态基本一致。

3.3.2 测量位移对比

（1）被爆面四分点处位移在起爆15.8 ms达到负向位移峰值13.40 mm，经过回落震荡，在大约80.0 ms时位移值趋于稳定，残余负向位移即位移终值为4.80 mm，试验与模拟结果对比见表1。位移的试验结果与模拟结果较一致。

（2）背爆面中点的钢筋变形约在60.0 ms时达到变形最大值9.26 mm，在80.0 ms后钢筋变形趋于平稳。参照文献[12]中C01、CS1和CS2构件背爆面中点位置钢筋应变时程曲线可知，RC柱爆破试验背爆面中点处钢筋变形约在65.0 ms时达到变形最大值8.00 mm，这与模拟结果非常接近，RC柱爆破模拟背爆面中点处钢筋变形时程曲线见图13。

4 结束语

基于HyperMesh的工程爆破前处理优化，开发爆破优化插件，可完成以下功能：（1）应用介质网格自动建模和炸药网格自动分配技术处理ALE网格;（2）将介质和炸药的材料模型实例化;（3）优化起爆点、多物质流固耦合和边界条件等设置方法;（4）优化模型文件与LSDYNA求解器的互通方法。

针对工程爆破的前处理优化方法，在保证求解准确的条件下，可缩减模型处理的时间成本，规范模型处理流程，保证模型参数设置的精准度，提高工作和求解效率。

参考文献：

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（编辑 武晓英）