组合式爆炸容器冲击载荷及其动力响应的数值模拟

　　组合式爆炸容器冲击载荷及其动力响应问题是一个极其复杂的动力学问题。对这一问题一般很难给出解析解，物理实验也难以得到问题的全貌，而通过数值模拟方法可以弥补物理实验的不足，得到有参考价值的结果，从而以较低的费用为爆炸容器动力学研究和工程设计提供依据。对此，国内外学者进行了许多探索和研究。例如，假定容器壳体为刚性固壁，应用TVD、END、NND 等差分格式解算流场的空气动力学Euler方程，确定作用于爆炸容器内壁上的载荷[1]; 将计算载荷代入容器壳体的弹塑性动力学方程，通过数值计算得出容器壳体的结构响应; 或者运用ADINA 有限元程序模拟容器的弹塑性结构响应^[2] 。近年来国内外学者还利用DYNA3D、PATRAN等大型有限元程序对容器壳体的作用载荷及其动力响应进行了计算分析，并得到了一些有意义的结论^[3][4] 。但是，其中大多局限于球形或圆柱形容器等简单结构，对于椭球封头与圆柱筒组合结构爆炸容器等复杂结构的研究还不多见。

　　本文采用ANSYS/LS-DYNA 有限元程序^[5] ，通过容器壳体与分布载荷(流场)耦合方法，对某实际的椭球封头圆柱形爆炸容器原形[6]进行了冲击载荷与壳体的动力学响应数值计算模拟，并与实测结果进行了对比，并分析其载荷与响应的分布变化规律，力求对爆炸容器冲击载荷及其动力响应问题给出全面的描述，为进一步的爆炸容器动力学研究和工程设计提供参考依据。

　　一、ANSYS/LS-DYNA 程序的运用简介

　　ANSYS/LS-DYNA 是一个显式非线性动力分析通用有限元程序，可以求解各种二维和三维非弹性结构的高速碰撞、爆炸和模压等大变形动力响应。它既有强大的非线性动力分析功能，又有完善的前后处理功能来建立有限元模型与观察计算结果。使用过程如下：

　　(1)ANYSYS 前处理：定义容器壳体材料参数(E、ν、ρ等)、实体建模、网格划分、定义边界条件及约束条件(包括容器壳体、炸药以及空气)等，产生 jobname.log 文件;

　　(2)求解：启动ANSYS/LS-DYNA 程序运行jobname.log文件;暂停运行，修改输入数据文件jobname.k，定义高能炸药能量：炸药密度、爆速、爆压等，爆轰过程用JWL 方程描述，同时定义空气介质的各项参数，空气选用理想气体状态方程描述。重启动ANSYS/LS-DYNA 程序进行求解，产生结果文件(d3plot、d3thdt);

　　(3)进入LSPOST 后处理观察结果并读取数据。

　　二、计算实例

　　本文的计算研究对象为某实际的椭球封头圆柱形爆炸容器，设计内径为2.182m，壁厚65mm，圆柱形筒体高为3m，椭球封头为1:2的标准等厚椭球壳。钢制容器壳体的弹性模量E=207GPa，泊松比v=0.3，密度ρ1=7.85g/cm3，不考虑应变率影响。空气介质的密度ρ2=0.00123 g/cm3。炸药选用圆柱形等径高铸状纯TNT，密度ρ3=1.63，爆速D=6930m/s，爆压P=21GPa。爆轰过程用JWL 方程描述：