Методики моделирования взрывов в ANSYS LS-DYNA

Методики моделирования взрывов

в ANSYS LS-DYNA

Новожилов Юрий Владиславович

Руководитель направления HPC

[email protected]

2XIV Международная Конференция пользователей CADFEM/ANSYS, 2017

Тони Старк занимает добычей открытым методом

3

Взрыв — это процесс, в котором за короткое время в ограниченном

объёме выделяется большое количество энергии и образуются

газообразные продукты взрыва, способные совершить значительную

механическую работу или вызвать разрушения в месте взрыва

XIV Международная Конференция пользователей CADFEM/ANSYS, 2017

Объект моделирования

Детона́цияДефлагра́ция

4

Эмпирика и феноменология



Учет воздействия на преграду


Детонация сферического заряда воздухе

Препятс

тви

е

-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 0.2 0.4 0.6 0.8

Дав

лен

ие,

МП

а

Время, мс

Кривая Фридлендера

P 𝑡 = 𝑃𝑠𝑒−

𝑡𝑡∗ 1 −

𝑡

𝑡∗

7

Генератор нагрузки от ударной волны

*LOAD_BLAST_ENHANCED (LBE)

Определение поверхности мишени

*LOAD_BLAST_SEGMENT_SET

Запись специфических результатов

*DATABASE_BINARY_BLSTFOR


Эмпирические нагрузки

Давление на

поверхность мишени

8

𝑍 – коэффициент пропорциональности ВВ

𝑊 – масса в тротиловом эквиваленте

𝑅 – расстояние от центра заряда


Сферический заряд в воздухе

𝑍 =𝑅

3𝑊

Классификация Z, кг/м1/3

Дальнее поле >4 – ~40Среднее поле 0.4 – 4Ближнее поле ~0.053 – 0.4Контактный взрыв ~0.053

*Hilding D. Methods for modelling Air blast on structures in LS-DYNA. 2016.

Препятс

тви

е

𝑊

𝑅

9

«На земле»

*LOAD_BLAST(_ENHANCED) – воздействие ударной волны

промышленного ВВ в воздухе

«Под землей»

*INITIA_IMPULSE_MINE – подрыв на мине

«В воде»

*LOAD_SSA (submarine shock analysis) – воздействие ударной волны на

погруженный объект

«В воздухе»

*LOAD_BRODE – атмосферные взрывы мощных боеприпасов


Эмпирические и феноменологические модели

Эмпирика и феноменология


Промышленные ВВ


12

Сложная геометрия модели

Контакт ВВ и препятствия


Подрыв образца горной породы при помощи C4

Yi C. Improved blasting results with precise initiation – Numerical simulation of small-scale tests and full-scale bench blasting. 2013.


Особенности постановки задачи

Эйлеров домен (серый)

Деформируемое тело (красный)

Свободная поверхность жидкости (синий)

Область расположения заряда

Области заполненные воздухом


Подводный взрыв вблизи стальной пластины

15

EOS – (Equation Of State, уравнение состояния) задает связь между

внутренней энергией (𝐸) и давлением (𝑝).

Sack “Tuesday” High Explosives, 1973

Jones-Wilkins-Lee (JWL) High Explosive, 1981-

- учет горения за детонационной волной

- возможность учета горения металлических капель за детонационной

волной

Jones-Wilkins-Lee-Baker (JWLB) High Explosive, 1991

- повышенная точность и робастность по сравнению с JWL

- улучшенный учет пересжатой детонации


Термодинамические уравнения состояния


Чем моделировать ВВ

Поле

взрыва

(Z, кг/м1/3)

Arbitrary

Lagrange-Euler

(S-)ALE

Smooth Particle

Hydrodynamics

SPH

Particle Blast

Method

PBM

Дальнее>4-40 Да1

Среднее0.4-4 Да и Да1 Может быть

Ближнее~0.053-0.4 Да Да Да

Контакт

~0.053(1)Да Да Да

Hilding D. Methods for modelling Air blast on structures in LS-DYNA. 2016.

(1) – в связке с *LOAD_BLAST_ENHANCED

17

Геометрия заряда: *DEFINE_PBLAST_GEOMETRY

Геометрия расчетного домена: *DEFINE_PBLAST_AIRGEO

Настройка PBM решателя: *PARTICLE_BLAST


Моделирование воздействия в постановке Particle Blast

18

Лагранжев домен

Уравнение состояние JWL

Упрощает постановки задачи

Сопряжение с FEM и DEM решателем

Снижение ресурсоемкости задачи в десятки раз


Моделирование воздействия в постановке Particle Blast

19

Промышленные ВВ

Известное уравнение состояния


20

Что делать, если

уравнения состояния нет?



Что делать если

Что делать, если уравнения состояния нет?

Химический решатель

Механический

pешатель

FEM

Гидродинамический

решатель

CE/SE

Перемещения и скорости

Давления и силы EOS

Модель детонации Зельдовича, Неймана и Дёринга

*CHEMISTRY_CONTROL_ZND

Учет горения за детонационной волной

*CHEMISTRY_CONTROL_TBX

22

Объем камеры 4 м3

Газовая смесь:

• 10% метана

• 90% воздуха

Химия процесса:

• 20 компонентов

• 52 реакции

• Учет влияния давления


Взрыв метана

Kyoung su Im, Grant Cook, Jr., Zeng-Chan Zhang and Sang-Gab Lee; FSI with Detailed Chemistry and their Applications in LS-DYNACESE Compressible Solver, 11-th European LS-DYNA Conference 2017


Результаты расчета


Давление

Угол открытия двери камеры

Эксперимент 13⁰

Расчет 12.8⁰

Погрешность 1.5%

24

Водородный взрыв возможен при сбое в работе системы охлаждения


Взрыв водорода

2H2+O2

H2 + воздух Воздух

𝑍𝑟 + 2𝐻2𝑂 → 𝑍𝑟𝑂2 + 2𝐻2


25

Вызыв может повлечь за собой большие разрушения оболочки реактора


Взрыв водорода


26

Что мы имеем в итоге



Три класса задач

• Готовый генератор давления

Быстрая оценка воздействия на конструкцию

• Решатель ALE/SPH/PBM

• *MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN

• *EOS_JWLB

Взрыв промышленного ВВ, сложная геометрия

• Решатель CE/SE CFD + Chemistry

• *CHEMISTRY_CONTROL_ZND

• *CHEMISTRY_CONTROL_TBX

Взрыв газовой смеси, нет готового уравнения состояния

28

Готов помочь в любом случае


Спасибо за внимание!

Новожилов Юрий Владиславович

Руководитель направления HPC

[email protected]

Engineering

Методики моделирования взрывов в ANSYS LS-DYNA