Методики моделирования взрывов в ANSYS LS-DYNA

1. Методики моделирования взрывов
в ANSYS LS-DYNA
Новожилов Юрий Владиславович
Руководитель направления HPC
yury.novozhilov@cadfem-cis.ru

2. 2XIV Международная Конференция пользователей CADFEM/ANSYS, 2017
Тони Старк занимает добычей открытым методом

3. 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. 4
Эмпирика и феноменология
XIV Международная Конференция пользователей CADFEM/ANSYS, 2017

5. 5XIV Международная Конференция пользователей CADFEM/ANSYS, 2017
Учет воздействия на преграду

6. 6XIV Международная Конференция пользователей CADFEM/ANSYS, 2017
Детонация сферического заряда воздухе
Препятствие
-20
-10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0 0.2 0.4 0.6 0.8
Давление,МПа
Время, мс
Кривая Фридлендера
P 𝑡 = 𝑃𝑠 𝑒
−
𝑡
𝑡∗
1 −
𝑡
𝑡∗

7. 7
Генератор нагрузки от ударной волны
*LOAD_BLAST_ENHANCED (LBE)
Определение поверхности мишени
*LOAD_BLAST_SEGMENT_SET
Запись специфических результатов
*DATABASE_BINARY_BLSTFOR
XIV Международная Конференция пользователей CADFEM/ANSYS, 2017
Эмпирические нагрузки
Давление на
поверхность мишени

8. 8
𝑍 – коэффициент пропорциональности ВВ
𝑊 – масса в тротиловом эквиваленте
𝑅 – расстояние от центра заряда
XIV Международная Конференция пользователей CADFEM/ANSYS, 2017
Сферический заряд в воздухе
𝑍 =
𝑅
3
𝑊
Классификация Z, кг/м1/3
Дальнее поле >4 – ~40
Среднее поле 0.4 – 4
Ближнее поле ~0.053 – 0.4
Контактный взрыв ~0.053
*Hilding D. Methods for modelling Air blast on structures in LS-DYNA. 2016.
Препятствие
𝑊
𝑅

9. 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
XIV Международная Конференция пользователей CADFEM/ANSYS, 2017
Эмпирические и феноменологические модели

10. Эмпирика и феноменология
XIV Международная Конференция пользователей CADFEM/ANSYS, 2017

11. Промышленные ВВ
XIV Международная Конференция пользователей CADFEM/ANSYS, 2017

12. 12
Сложная геометрия модели
Контакт ВВ и препятствия
XIV Международная Конференция пользователей CADFEM/ANSYS, 2017
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.

13. 13XIV Международная Конференция пользователей CADFEM/ANSYS, 2017
Особенности постановки задачи
Эйлеров домен (серый)
Деформируемое тело
(красный)
Свободная поверхность
жидкости (синий)
Область расположения
заряда
Области заполненные
воздухом

14. 14XIV Международная Конференция пользователей CADFEM/ANSYS, 2017
Подводный взрыв вблизи стальной пластины

15. 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
XIV Международная Конференция пользователей CADFEM/ANSYS, 2017
Термодинамические уравнения состояния

16. 16XIV Международная Конференция пользователей CADFEM/ANSYS, 2017
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
Среднее
0.4-4
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. 17
Геометрия заряда: *DEFINE_PBLAST_GEOMETRY
Геометрия расчетного домена: *DEFINE_PBLAST_AIRGEO
Настройка PBM решателя: *PARTICLE_BLAST
XIV Международная Конференция пользователей CADFEM/ANSYS, 2017
Моделирование воздействия в постановке Particle Blast

18. 18
Лагранжев домен
Уравнение состояние JWL
Упрощает постановки задачи
Сопряжение с FEM и DEM решателем
Снижение ресурсоемкости задачи в десятки раз
XIV Международная Конференция пользователей CADFEM/ANSYS, 2017
Моделирование воздействия в постановке Particle Blast

19. 19
Промышленные ВВ
Известное уравнение состояния
XIV Международная Конференция пользователей CADFEM/ANSYS, 2017

20. 20
Что делать, если
уравнения состояния нет?
XIV Международная Конференция пользователей CADFEM/ANSYS, 2017

21. 21XIV Международная Конференция пользователей CADFEM/ANSYS, 2017
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. 22
Объем камеры 4 м3
Газовая смесь:
• 10% метана
• 90% воздуха
Химия процесса:
• 20 компонентов
• 52 реакции
• Учет влияния давления
XIV Международная Конференция пользователей CADFEM/ANSYS, 2017
Взрыв метана
Kyoung su Im, Grant Cook, Jr., Zeng-Chan Zhang and Sang-Gab Lee; FSI with Detailed Chemistry and their Applications in LS-DYNA
CESE Compressible Solver, 11-th European LS-DYNA Conference 2017

23. 23XIV Международная Конференция пользователей CADFEM/ANSYS, 2017
Результаты расчета
Kyoung su Im, Grant Cook, Jr., Zeng-Chan Zhang and Sang-Gab Lee; FSI with Detailed Chemistry and their Applications in LS-DYNA
CESE Compressible Solver, 11-th European LS-DYNA Conference 2017
Давление
Угол открытия двери камеры
Эксперимент 13⁰
Расчет 12.8⁰
Погрешность 1.5%

24. 24
Водородный взрыв возможен при сбое в работе системы охлаждения
XIV Международная Конференция пользователей CADFEM/ANSYS, 2017
Взрыв водорода
2H2+O2
H2 + воздух Воздух
𝑍𝑟 + 2𝐻2 𝑂 → 𝑍𝑟𝑂2 + 2𝐻2
Kyoung su Im, Grant Cook, Jr., Zeng-Chan Zhang and Sang-Gab Lee; FSI with Detailed Chemistry and their Applications in LS-DYNA
CESE Compressible Solver, 11-th European LS-DYNA Conference 2017

25. 25
Вызыв может повлечь за собой большие разрушения оболочки реактора
XIV Международная Конференция пользователей CADFEM/ANSYS, 2017
Взрыв водорода
Kyoung su Im, Grant Cook, Jr., Zeng-Chan Zhang and Sang-Gab Lee; FSI with Detailed Chemistry and their Applications in LS-DYNA
CESE Compressible Solver, 11-th European LS-DYNA Conference 2017

26. 26
Что мы имеем в итоге
XIV Международная Конференция пользователей CADFEM/ANSYS, 2017

27. 27XIV Международная Конференция пользователей CADFEM/ANSYS, 2017
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. 28
Готов помочь в любом случае
XIV Международная Конференция пользователей CADFEM/ANSYS, 2017

29. Спасибо за внимание!
Новожилов Юрий Владиславович
Руководитель направления HPC
yury.novozhilov@cadfem-cis.ru