LS-DYNA中远场爆炸荷载的高效描述方法——CONWEP法
引言
在工程与科学领域，冲击爆炸问题的模拟一直是极具挑战性的科研方向，涉及爆炸力学、材料动态响应、结构破坏及安全防护等关键课题。LS-DYNA作为全球领先的显式动力学分析软件，以其强大的非线性求解能力、多物理场耦合功能和高效的并行计算技术，成为模拟冲击、爆炸及高速碰撞等瞬态问题的行业标准工具。
LS-DYNA中常用爆炸模拟方法
LS-DYNA中模拟爆炸类问题常用的方法可总结如下图所示：
图1 LS-DYNA中常用爆炸模拟方法
在爆炸冲击模拟领域，ALE（任意拉格朗日-欧拉）方法和SPH（光滑粒子流体动力学）方法是目前最常用的两种数值模拟方法。其中，ALE方法能够准确地描述炸药在不同介质（如空气、水或土壤）中的动态响应特性，其多物质耦合能力使其成为在模拟爆炸问题中最接近实际的数值方法。而SPH方法由于其无网格特性，操作相对简单，且与传统的有限元方法（FEM）耦合效果良好，因此在特定场景下受到研究者的广泛青睐。
然而，这两种方法均存在一定的局限性。对于ALE方法而言，其计算过程依赖于复杂的流固耦合算法，容易因数值耗散或边界“泄露”问题影响计算精度。此外，该方法在模拟大规模爆炸问题时，计算资源消耗极大，导致求解成本显著增加。相比之下，SPH方法虽然避免了网格畸变问题，但其无法准确地模拟炸药在空气或水等介质中的爆轰波传播过程，因此通常仅适用于接触式爆炸（即爆炸载荷直接作用于结构，而不通过空气或其他介质传递）。
常规炸药空爆方法(CONWEP法)
CONWEP法原理
常规炸药空爆CONWEP(Conventional Weapons Effects Program)是一种比较常用的爆炸冲击经验模型，可用于自由空气场爆炸和近距离爆炸计算，它最早由Kingery和Bulmash于1984年建立。1990年，美国军方基于该模型以及TM 5-855-1(军方技术手册-常规武器防爆设计基础，Restricted Access)中大量的爆炸试验数据，发展了一套常规武器效能评估程序,这套程序名为ConWep。
LS-DYNA软件内置了ConWep方法，该方法可通过关键字LOAD_BLAST_ENHANCED调用。该方法通过实验数据以及经验公式计算一定距离下爆炸产生的爆轰波到达目标面的时间以及物体表面所受的等效压力，具体过程如下图所示：
图2 ConWep法等效原理
ConWep法在二维或三维模型中均适用。值得注意的是，该方法无法描述遮挡类问题，如图2中第三种情况所示，目标物体被另一个物体遮挡，遮挡区域的计算无法通过ConWep法实现，若模型中存在遮挡类问题可通过ConWep法耦合ALE法解决。
ConWep法对爆炸过程入射压力与反射压力的描述通过弗里德兰德方程描述：
图3 弗里德兰德方程
对于反射压力的衰减问题，方程为：
而作用于物体表面的等效压力为入射压力与反射压力的函数：
式中θ角为爆轰点与目标物体表面单元中心位置的连线和单元法向的夹角如图4所示：
图4 θ角定义
图4中比例范围Z用以确定CONWEP法的适用范围，具体范围如图6所示：
图5 适用范围
图6分别确定了爆炸类型为空爆和地面爆炸的适用范围，爆炸类型的选择在下文中会具体介绍。若炸药当量与起爆位置选取不当在计算过程中会出现如下报错：
图6 LS-RUN报错内容
CONWEP法关键字设置流程
我们通过图7所示的一个简单案例讲解CONWP法关键字设置的流程以及各个参数的含义。
图7 远场爆炸案例
该案例中起爆点距离房屋10m，高于地面1.5m，爆炸当量为10kgTNT。在关键字设置方面，完整的CONWEP流程包含LOAD_BLAST_ENHANCED、LOAD_BLAST_SEGMENT_SET和SET_SEGMENT这三个关键字。
其中LOAD_BLAST_ENHANCED主要设置爆炸类型、起爆点位置、炸药当量等参数，具体参数的含义大家可通过关键字手册查看，关键字中炸药当量为等效TNT的质量，图8中画圈的位置为大家需要关注的参数，当CONWEP单位与计算模型的单位一致并且不考虑起爆与结束时间时，未画圈位置的关键字默认即可。
LOAD_BLAST_SEGMENT_SET关键字主要用于将炸药载荷施加到目标面上，具体而言就是引用LOAD_BLAST_ENHANCED对应的“bid”并通过选择“ssid”将其施加到SET_SEGMENT所确定的表面单元几何上。也可通过“alepid”将其施加到ALE流体域的表面上。
图8 关键字设置流程
CONWEP（Conventional Weapons Effects Program）方法作为一种高效的爆炸荷载模拟技术，在建筑结构及桥梁的防爆性能研究中具有重要应用价值。以LS-DYNA官方某桥梁抗爆研究为例（如图9所示），该案例采用CONWEP方法对桥梁关键区段施加远场爆炸荷载，成功模拟了爆炸冲击波作用下的结构动态响应及损伤演化过程。相较于传统的流固耦合方法（如ALE），CONWEP法通过简化爆炸荷载的施加方式，在保证计算精度的同时大幅提升了仿真效率，为大型土木结构的抗爆设计提供了可靠的数值分析手段。
图9 桥梁损伤研究
总结
本文系统阐述了CONWEP方法的理论基础、实施流程及关键参数设置要点，重点探讨了该方法的适用条件，旨在为工程人员提供明确的工况适用性判断依据。在后续研究中，笔者将深入解析不同类型爆轰的作用机理及其在LS-DYNA中的关键字实现方式，并通过对比分析不同爆轰类型下的压力时程曲线特征，为爆炸荷载的精确模拟提供进一步的技术指导。
