1 　前　言

LS - DYNA 程序系列于1976 年由美国劳伦斯·利弗莫尔国家研究所的J . O.Hallquist 博士主持开发并完成,起初目的是为武器设计提供分析工具。后经1979 ,1981 ,1982 ,1986 ,1987 ,1988 年版本的功能扩充和改进,该程序已成为著名的非线性动力分析软件,在武器结构设计、制造业、军用和民用建筑业等有着广泛的应用。

LS - DYNA 程序是功能齐全的几何非线性(大位移、大转动和大应变) 、材料非线性(140 多种材料动态模型) 和接触非线性(30 多种接触类型) 程序。它以Lagrange 算法为主,兼有AL E 和Euler 算法;以显示求解为主,兼有隐式求解功能;以结构分析为主,兼有热分析、流体- 结构耦合功能;以非线性动力分析为主,兼有静力分析功能(如动力分析前的预应力计算和薄板冲压成型后的回弹计算) ;军用和民用相结合的通用结构分析非线性有限元程序[1 ] 。它能十分准确地分析工程结构承受快速冲击荷载(如爆炸荷载) 的动态受力,与其它软件相比,此功能独特。因此,LS - DYNA 在工程结构抗爆特性研究、抗爆设计以及爆破拆除有着非常重要的用途。

2 　LS - DYNA 爆炸分析的两种方法

2. 1 　Lagrange 方法

采用Lagrange 方法来描述炸药材料及与它发生相互作用的物质材料,如钢筋混凝土、岩石爆炸分析,此算法优点在于可以得到清晰的物质界面。炸药和结构之间的相互作用通过定义接触关系来实现,一般采用滑动接触来处理接触关系(二维3CONTACT- 2D- SL IDING, 三维3 CONTACTSLIDING- ONL Y) 。该方法的不足就是炸药单元在爆炸过程中会发生严重的畸变,有时影响求解的进程。

2. 2 　多物质流固耦合方法

采用流固耦合算法来描述爆炸过程。此时,对炸药及其它流体材料(如空气、水) 采用Eulerian 算法,对其它的固体结构采用Lagrange 算法,然后通过流固耦合方式来处理相互作用( 3 CON2STRAINED - LAGRANGE- IN - SOL ID) 。该方法的优点是炸药和流体材料在Euler 单元中流动,不存在单元的畸变问题,并且通过流固耦合方式来处理相互作用,能方便地建立模型(流固分开建立) ,缺点是在后处理过程中,很难得到清晰的物质界面。

3 　LS - DYNA 在工程结构抗爆特性研究中的应用

3. 1 　炸药的爆炸特性

(1) 反应的放热性　放热是炸药爆炸的能源,爆炸反应是在炸药自身提供能量的条件下自动进行的。

(2) 过程的高速度　炸药爆炸反应大约是在微秒数量级时间范围完成的,虽然炸药的能量贮藏量并不比一般燃料大,但由于反应过程的高速度,炸药爆炸所达到的能量密度是一般化学反应无法比拟的。

(3) 反应过程生成高压气体　爆炸瞬间炸药容积不变地转变为气体产物,其密度要比正常条件下气体的密度大几百倍到几千倍,也就是说,正常情况下,这样多体积的气体被强烈压缩在炸药爆炸前所占据的体积内,从而造成1010 Pa 以上的高压。这么高压力的气体产物必然急剧地向外膨胀,把炸药的潜能转化成气体运动的动能,对周围介质强烈冲击36做功。

3. 2 　混凝土结构和钢结构在爆炸荷载作用下的特性

3. 2. 1 　材料高应变率

爆炸冲击荷载的显著特征是载荷强度高和作用时间短。结构在很短时间内受到很大的作用力,产生很大的变形,处于高应变率状态。一般来说,常规静态试验中材料的应变率为10 - 3 s - 1数量级,爆炸冲击试验中材料应变率可高达104 s - 1以上数量级。随着应变率的提高,材料力学性质将会发生显著的变化,通常表现为材料强度极限提高,延展性降低,滞后现象严重[2 ] 。

31212 　材料动态本构关系及流固耦合

混凝土和钢结构在爆炸这种高强度冲击荷载作用下,它产生的局部应力远远高于材料强度极限,局部材料往往显示出流体性质(即由固体转变为流体) ,其本构关系由一般的固体力学的应力—应变关系转变为用高压状态方程来描述材料性质。因此,材料本构关系是动态变化的[3 ] 。

由于承受爆炸荷载作用的结构局部材料呈现流体,而远离爆炸荷载作用点的材料仍然为固体(与一般静力作用相当) ,作为工程结构的整体分析,需要将局部流体材料和其它固体材料耦合起来,称为流固耦合。

31213 　LS - DYNA 在处理高速度、瞬间的爆炸荷

载及流固耦合的优越性一般来说,工程结构在爆炸荷载作用下,往往呈现出高频非线性动力以及流体—固体耦合共同承受荷载的性质。LS - DYNA 可以很容易地实现上述性质,在计算爆炸荷载也十分准确。因此,在工程结构抗爆特性的研究中,它是一个很好的工具,并提供可靠的理论依据。