基于LS-DYNA的框架结构爆炸冲击模拟

提到爆炸，大家很容易联想到硝烟弥漫的战场或是恐怖袭击，但在和平的中国，这些都远离我们，爆炸灾害往往是由于人们的生活生产造成，如天然气管道，大型储油罐，危险品储存仓库等设施发生爆炸。

2015年8月，我国天津滨海新区某仓库发生爆炸，总能量约为450吨TNT，造成数百人伤亡，近百幢建筑物受损，图1为爆炸现场视频，图2为损毁建筑现场照片。 ?

图1 天津滨海新区爆炸视频

图2 损毁建筑物

2020年6月，浙江温岭发生槽罐车爆炸，事故波及百余人，周围建筑物被严重损毁，图3为爆炸发 ? 生后现场照片。 ?

图3 温岭爆炸事故现场

以上两例向我们展示出，日常生产生活中的爆炸对公共安全的危害也是巨大的，特别是在人员建筑都十分密集的城市区域。因此，为保障人员财产在爆炸灾害来临时的安全，城市中建筑物抗爆性能的提升至关重要。再者，要提升建筑结构的抗爆性能，对其在爆炸冲击下的损伤规律研究又是基石，因此本文分享一些基于LS-DAYNA的建筑结构爆炸冲击模拟方法。

LS-DYNA是由J.O.Hallquist于1976年主持开发，早期主要应用于冲击荷载下结构应力分析，是显式动力学程序的先驱。近年，随着LS-DYNA不断发展，其应用范围得到极大扩展，同时可以求解传热、流体、声学、电磁、化学反应等，应用于包括汽车工业、航天工业、国防工业、建筑业等在内的众多行业。

图4 LS-DYNA多物理场耦合[1]

基于以上特点，LS-DYNA在爆炸冲击领域有着广泛的应用。在LS-DYNA中，爆炸源对建筑结构的爆炸冲击模拟主要分为3种：

1）等效动力时程荷载法（方法1）

2）*LOAD_BLAST_ENHANCED方法（方法2）

3）流固耦合方法（方法3）

下面对三种方法做简要介绍

方法1 等效动力时程荷载法

典型TNT空气爆炸冲击波时程如图5（a），曲线显示冲击波经过的空间点处，其压力值上升和下降都非常迅速，并且存在着负压阶段，曲线较为复杂。方法1就是从冲量等效的角度将复杂曲线等效为简单的三角脉冲荷载。对于建筑结构领域，该方法比较适用于构件级别的爆炸冲击分析，因为对于结构层面，一次爆炸发生，对于不同位置的构件，曲线（b）的差别往往是巨大的，处理起来非常繁琐。此外，该方法很难考虑结构构件对爆炸荷载的遮挡削弱作用。

(a) 自由场空气冲击波时程[1]

(b)三角动力荷载[2]

图5 爆炸冲击荷载等效

方法2 *LOAD_BLAST_ENHANCED方法

在LS-DYNA中，程序提供内置关键字*LOAD_BLAST_ENHANCED（由*LOAD_BLAST关键字改进而来，*LOAD_BLAST在程序中仍能使用）和*LOAD_BLAST_SEGMENT，二者联合使用可以根据TNT当量和目标位置距离自动将TNT转化为单元表面的动力荷载，进而模拟爆炸冲击作用。该方法与方法1类似，最终都是将TNT等效为单元表面的动力荷载，但是该方法对爆炸荷载的处理更加方便自动，此外，该方法也很难考虑结构构件对爆炸荷载的遮挡削弱。

方法3 流固耦合方法

如图6所示，在流固耦合方法中，炸药及空气被视为流体，目标结构为固体，流体与固体间采用耦合算法考虑相互作用，因此得名“流固耦合”。LS-DYNA 中采用CONSTRAINED LAGRANGE IN_SOLID 考虑流体固体间相互作用。该方法需要精细化地建立炸药和空气的有限元网格，能够对目标结构遭受爆炸冲击进行精细化模拟，同时该方法能够考虑结构构件对爆炸冲击波的遮挡削弱作用，但是该方法计算量巨大，因此在工程实际结构抗爆分析中往往结合“多尺度建模”方法更为实用，对于“多尺度建模”方法感兴趣的伙伴可以具体参见文献[3]。  

图6 混凝土墩柱抗爆流固耦合有限元模型

这里以方法2和方法3为例，对常见的框架结构遭受爆炸进行模拟展示。图7为一LS-DYNA框架结构有限元模型。X向跨度6000mm，梁截面为300mm×500mm，Y向跨度8000mm，梁截面为300mm×700mm，层高5000mm，柱截面为600mm×600mm。

(a)混凝土部分

(b)钢筋部分

图7 框架结构有限元模型

对于框架梁柱，采用精细化建模，梁柱混凝土部分采用SOLID单元，钢筋采用BEAM单元。SOLID单元与BEAM单元之间采用耦合算法考虑钢筋与混凝土的相互作用。混凝土采用LS-DYNA的* MAT_72R3材料，同时该材料能考虑混凝土的应变率效应[4]，模型中考虑SOLID单元的失效删除。钢筋采用* MAT_003材料，考虑钢材应变率效应[5]，模型中考虑BEAM单元的失效删除。

楼板采用分层SHELL单元，如图8所示，材料采用*MAT_172材料，考虑分层壳单元的失效删除。

图8分层壳模型

对于楼面附加质量（铺装层等），模型采用MASS单元进行考虑，而不是采用直接施加荷载的方式，主要是因为这部分质量对结构动力特性具有影响，采用直接施加荷载的方式无法考虑此部分影响。

 

模拟结果 -  方法2

建立好框架结构模型后，采用方法2引入TNT炸药，如图9所示。图中只是在LS-PREPOST显示了TNT的位置（不是TNT的有限元网格），mTNT= 400kg。在TNT引爆之前需要对结构进行重力初始加载，使得结构处于重力场中。TNT被引爆之后，计算持续8s，结构已经达到稳定状态。图10为结构遭受爆炸冲击的模拟结果。

图9 TNT位置（方法2）  

(a) 整体损伤图  

(b) 局部损伤图

图10 结构受爆炸冲击结果（方法2）

从方法2的模拟结果可以看出，破环最为严重的是TNT周围的梁柱，完全丧失了承载力，其它部位的柱也发生一定程度的损伤，仍然维持着部分的承载力，因此结构整体并未出现整体垮塌。

模拟结果 -  方法 3

采用方法3，在建立好的框架结构有限元模型基础上引入空气及TNT有限元网格，如图11(a)所示。在图11（b）中，TNT的质量与方法2同，mTNT= 400kg。在引爆TNT之前，结构已处于稳定重力场中，TNT被引爆之后，计算持续8s，结构发生倒塌。图12为爆炸冲击波压力云图，图13为结构遭受爆炸的模拟结果。

(a)空气有限元网格

(b)TNT有限元网格

图11 空气及TNT有限元网格  

图12 爆炸冲击波压力云图

(a) 整体损伤图  

(b) 局部损伤图

图13 结构受爆炸冲击结果（方法3）

对比方法2与方法3模拟得到的结果，几乎相同的条件，采用方法3模拟的框架破坏比方法2的模拟结果严重很多，框架发生了整体倒塌，这主要是因为流固耦合方法对结构构件的直接冲击比*LOAD_BLAST_ENHANCED方法更加强烈，并且流固耦合方法考虑地面的反射冲击波，会对结构构件产生二次冲击。

欢迎各位读者进行交流探讨！

参考文献

[1]辛春亮, 涂建, 王俊林, 等. 由浅到深精通LS-DYNA[M]. 北京: 中国水利水电出版社, 2019.

[2]张晓伟, 汪庆桃, 张庆明等. 爆炸冲击波作用下混凝土板的载荷等效方法[J]. 北京: 兵工学报, 2013.

[3]来少平, 吴晓涵. 基于多尺度模型的钢节点抗震性能分析[J]. 结构工程师, 2014, 30（2）: 62-66.

[4]Bischoff P H, Perry S H. Compressive behavior of concrete at high strain rate [J]. Materials and Structures, 1991, 24 (144):  425-450.

[5]Malvar L J, Ross C A. Review of strain rate effects for concrete in tension [J]. ACI Materials Journal, 1999, 96 (5):  614-616.