基于ANSYS/LS-DYNA 的钢板炸点痕迹量化特征研究
2020-11-17贺矗
贺 矗
（中国刑事警察学院，辽宁 沈阳110854）
1 研究背景
爆炸现场中最主要的爆炸痕迹区域即为炸点，它是由于爆炸源猛炸作用而形成的，是介质和现场物体被破坏最明显的部位，是爆炸现场中最明显、最具特征的一种爆炸痕迹，其它一些爆炸痕迹以及爆炸残留物、遗留物、抛出物等，都是以炸点为中心呈辐射状分布的，其分布状态受爆源的原始位置和结构影响。因此，确定了炸点，就确定了爆源的位置，进而以炸点为中心，寻找和勘验其它爆炸痕迹；同时，也只有确定了炸点，才能判断炸点类型，获得有关爆炸犯罪的各种信息［1］。本文以钢板为研究对象，通过ANSYS/LS-DYNA 软件来模拟爆炸过程，分析炸点痕迹量化特征，具有极其重要的意义。
2 钢板炸点痕迹数值模拟研究
2.1 模型构建
2.1.1 定义材料参数
（1）TNT：本次模拟中采用散装TNT，密度约为1g/cm3。本文模拟中TNT 炸药采用MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN 关键字进行定义，用JWL（Jone-Wilkins-lee）状态方程描述［2］。
（2）本文采用理想空气模型，空气密度为(1.29×10-3)g/cm3。理想多方气体状态方程是状态方程的一种较为简单的形式，常用于空气运动的模拟。空气状态方程采用MAT_NULL 模型，采用EOS_LINEAR_POLYNOMIAL 状态方程来描述［3］。
（3）由于钢板的屈服应力与应变率成正比，而应变率效应是爆炸冲击载荷下金属介质变化的显著特征，因此钢板的材料强度表征采用JOHNSON_COOK 方程。状态方程使用GRU⁃NEISEN来描述。
2.1.2 建模
为了真实模拟爆炸作用下的钢板破坏情况，模型构建中除了炸药——钢板模型外，加入了空气域，同时为减少运算量和后处理时间，简化模型并构建四分之一模型。空气和炸药采用欧拉算法，钢板采用拉格朗日算法，关键字为*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOL⁃ID。红色部分为爆炸位置，直接设置在钢板中心上方。钢板为黑色，尺寸为50cm×50cm×0.5cm。在钢板的末端设置5cm 的约束，以固定钢板。如图1所示。
图1 构建模型示意图
2.1.3 划分网格
Euler算法具有流动性等多种属性，符合炸药和空气等单元，因此Euler采用网格建模，同时结合多物质流固耦合ALE算法，钢板采用La⁃grange 算法，通过定义CONSTRAINED—LA⁃GRANGE 附SOLID 关键字来实现炸药爆炸产生的冲击波对钢板的冲击作用。炸药和钢板单元采用均匀网格，空气单元采用渐变式网格［4-5］，如图2所示。
图2 划分网格
2.2 数值模拟结果
以实际实验结果为基础进行规律性研究，数值模拟研究选择的TNT 炸药量分别为100g、200g、300g、400g、500g、600g、700g、800g、900g、 1000g、 1100g、 1200g、 1300g、 1400g。通过数值模拟计算炸药量在大于1300g 时有可能会使钢板被炸穿。因此选择100g 到1200g 炸药量下钢板炸点深度的特征量化值的模拟数据作为标准进行规律性研究（见表1）。
表1 钢板接触爆炸数值模拟结果
3 钢板炸点痕迹量化特征规律性研究
本文通过回归、方差及误差等分析得出相关规律关系式的系数值，最后拟合成关系式。由上述分析结果可以得出，TNT 接触钢板爆炸且炸药量在100g 到1200g 之间时，炸药量与钢板上炸点痕迹量化特征的关系式如下：
式中：W——装药量，单位为g；
H——炸点直径，单位为cm；
d——炸点直径，单位为cm；
其中相关系数R=0.998433，超过0.9，说明此关系式装药量与炸点的直径和深度的关联性极高。
4 钢板炸点痕迹量化特征规律应用研究
将钢板接触爆炸实验测得的炸点痕迹量化特征值（深度和直径）代入公式（1），随后将公式所推算出的炸药量与实际炸药量进行对比（见表2）。
表2 钢板接触爆炸的实际药量与公式（1）推算药量对比
上述公式得到的炸药量推算的相对误差在20%左右。在爆炸现场分析领域，该数值可以被接受。形成误差的主要原因包括爆炸实验误差、数值模拟误差及拟合误差。
由于数值模拟研究的限制，使得爆炸实验与数值模拟研究中的装药形状不同，那么其炸点痕迹也就有所区别。再者因为数值模拟是以理想状态下的金属材料为标准进行规律研究，而由于相同系列不同型号金属介质的机械参数也会有略微差别，那么理想状态下金属介质的相关参数相对于实际上也会出现些许误差，所以由此进行的数值模拟也会带来一定的误差。
而由于国内外对钢板介质在爆炸作用下的炸点痕迹量化特征推算炸药量公式的研究相对较少且误差较大。因此本文所得到炸药量在100g 到1200g 之间的钢板介质炸点痕迹量化特征推算炸药量的公式，可以根据爆炸案件现场实际情况需要被应用于案件现场分析中，作为侦查实战的基础。
5 总结
利用ANSYS/LS-DYNA 对金属介质在爆炸作用下进行数值仿真模拟，对不同爆炸条件下钢板炸点痕迹量化特征的规律进行了研究，得出了炸药量与炸点痕迹量化特征的关系式，并通过与爆炸实验结果的比对，说明了该方法的可行性。这对爆炸案件的现场重建、炸药量的估算等公安实践工作提供参考依据与技术支持。
