战斗部仿真：基于LS-DYNA钢筋混凝土结构抗冲击数值模拟

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作者优秀: 优秀教师/意见领袖/博士学历/特邀专家/独家讲师
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导读：大家好，我是仿真秀专栏作者战斗部仿真——陈兴，就职于中国船舶集团重庆前卫科技集团有限公司，担任高效毁伤与防护技术室主任，兵器与科学技术专业硕士研究生企业导师，共发表SCI、EI等学术论文11篇，出版专著1部。主要从事高效毁伤与防护技术，爆炸与冲击动力学领域的研究工作，擅长LS-DYNA和AUTODYN数值仿真。欢迎在文章后方留言与我技术交流或通过仿真秀联系我。

由我与刘安阳、何兴友、范书源、李志文和江海洋合作编著，经北京理工大学出版的专业图书《爆炸与冲击数值模拟技术》即将上市。这是一本理工科院校、科研院所和工业部门的弹药工程专业本科生、研究生和科研工程人员学习弹药终点效应数值模拟技术的教材和参考书。全书共六部分，采用30余个案例，详细介绍了冲击动力学中的爆破效应、侵彻效应、聚能效应和破甲效应等科学问题。

为了帮助更多人掌握和理解爆炸与冲击数值模拟技术，我制作这本书书的配套教学视频。当前独家原创首发仿真秀官网和APP，它基于ANSYS16.0软件平台，详细介绍了如何运用LS-DYNA和AUTODYN解决冲击动力学中的实际工程问题。计划为订阅用户提供VIP群答疑服务，后续可以根据用户需求持续加餐内容等，详情见下文。

一、写在文前

随着城市化进程的加快和恐怖主义活动的威胁，钢筋混凝土结构作为城市基础设施的主要组成部分，其安全性受到了前所未有的关注。在极端事件如爆炸、高速撞击等情况下，这些结构可能会遭受剧烈的冲击荷载，导致局部损伤甚至整体倒塌，造成巨大的生命和财产损失，如图 1‑1所示。因此，评估和提高钢筋混凝土结构的抗冲击性能已成为工程界亟需解决的问题。

传统的实验方法在研究钢筋混凝土结构抗冲击性能时存在成本高昂、耗时且危险性大等局限性。数值模拟作为一种有效的补充手段，能够在相对安全的环境中复现冲击荷载下的结构响应，提供了一种经济、快速且可控的研究方法。通过数值模拟，研究者能够在不同的设计参数和荷载条件下，预测结构的动态响应和破坏模式，从而为结构设计和加固提供理论依据。此外，数值模拟技术的进步使得对钢筋混凝土结构在冲击荷载下的非线性动态行为进行模拟成为可能。这不仅有助于深入理解材料和结构层面的复杂相互作用，也为开发新的结构抗冲击设计方法提供了技术支撑。

图1‑1 建筑物倒塌案例

二、钢筋混凝土建模方法

LS_DYNA软件支持以下三种钢筋混凝土模型。

1、整体式模型（简称PLAIN模型）

整体式模型忽略钢筋，将钢筋均匀地分散在混凝土中，等效近似为一种强度增强的混凝土材料，这种均质化模型容易快速建模，计算效率高，缺点是无法真实反映钢筋的编排形式等对混凝土强度的影响。

2、组合式模型

这种模型可在一种单元内分别考虑混凝土和钢筋，两种材料之间假定为无滑移粘接，变形协调一致，通过体积加权计算钢筋混凝土材料模型的等效参数。组合式模型是对整体式模型的改进，但同样作为等效模型，组合式模型也无法真实反映钢筋的编排形式等对混凝土强度的影响。计算结果后处理时无法查看钢筋和混凝土的相互位置关系、配筋率以及钢筋变形破坏情况。

3、分离式模型

分离式模型将钢筋和混凝土模型分别用不同的单元来描述。根据钢筋和混凝土是否共节点又可分为：

（1）共节点分离式模型（简称MERGE模型）

这种方式下钢筋和混凝土之间完全粘接，钢筋和混凝土必须同时采用拉格朗日或ALE类型。采用拉格朗日单元的共节点分离模型计算效率相对较高，缺点是建模复杂，混凝土网格受到钢筋编排的制约。

（2）不共节点分离式模型

不共节点分离式模型的优点是钢筋和混凝土分别划分网格，相同位置处节点并不相同，网格可以重叠，模型建立更方便，通过相关约束关键字约束钢筋和混凝土之间的耦合关系。在ls_dyna中可采用*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID（简称CLIS）、*CONSTRAINED_BEAM_IN_SOLID（简称CBIS）、*DEFINE_BEAM_SOLID_COUPLING（简称DBSC）关键字实现。这几种关键字均将钢筋约束耦合在混凝土中来模拟钢筋和混凝土的相互作用，在约束耦合关系中钢筋为从面，混凝土为主面。

三、案例展示

1、钢筋混凝土板侵彻计算

数值计算参考文献《侵爆战斗部对钢筋混凝土靶的侵彻能力计算方法》中的侵爆战斗部对钢筋混凝土结构的侵彻试验[1]，战斗部壳体和混凝土板结构分别如图 3‑1、图 3‑2所示。计算中战斗部壳体采用刚体材料本构，引信及装药采用质量体进行配重处理，建立的数值计算模型如图 3‑3所示。钢筋采用1D Beam单元算法，混凝土采用3D Solid164实体单元，混凝土采用RHT本构，两者之间采用CLIS进行耦合。

侵爆战斗部侵彻过程中混凝土损伤和钢筋变形结果分别如图 3‑4、图 3‑5所示，数值计算结果显示侵彻后混凝土穿孔近似为圆形，战斗部的贯穿造成靶板前后表面大面积混凝土崩落，钢筋产生了较大弯曲变形并断裂，与试验结果相吻合，如图 3‑6所示。

图 3‑1 弹体结构

图 3‑2 钢筋混凝土靶板的结构尺寸

图3‑3 钢筋混凝土侵彻模型

图3‑4 战斗部侵彻过程混凝土的损伤发展

图3‑5 战斗部侵彻过程钢筋变形

图3‑6 试验靶板损伤情况

2、钢筋混凝土梁爆炸计算

数值计算参考文献《温压炸药近爆作用下RC梁破坏特征和毁伤规律试验研究》中的RC梁抗爆试验参数建立[2]，RC梁尺寸结构及抗爆试验如图 3‑7所示。需要特别指出数值计算模型只参考文献中的部分配筋参数，未按照真实试验数据进行建立，请读者知悉。建立的LS_DYNA数值模拟软件建立RC梁抗爆数值计算模型，运用*LOAD_BLAST空爆工程算法进行爆炸载荷加载，数值计算模型如图 3‑8所示。钢筋采用1D Beam单元算法，混凝土采用3D Solid164实体单元，混凝土采用RHT本构，两者之间采用CLIS进行耦合。

爆炸载荷冲击下钢筋混凝土结构的损伤破坏过程如图 3‑9所示，与试验结果吻合较好（如图 3‑10所示）。图 3‑11和图 3‑12分别显示钢筋结构的变形响应和混凝土的损伤过程。

图3‑7 RC梁抗爆试验

图3‑8 RC梁抗爆数值计算模型

图3‑9 钢筋混凝土结构损伤破坏过程

图3‑10 钢筋混凝土结构破坏结构

图3‑11 爆炸载荷下钢筋变形响应

图3‑12 爆炸载荷下混凝土损伤

3、建筑物连续倒塌计算

爆炸载荷作用下建筑物发生连续性倒塌是公共安全及结构抗爆领域的研究热点，与静力学不同处在于结构连续倒塌是指建筑结构在偶然荷载作用下发生局部破坏，且破坏沿构件传递，并引发连锁反应，最终造成与初始破坏不成比例的大范围倒塌[3]。可见，建筑物结构的连续性倒塌属于关键结构失效引起的动力效应。

以生产生活中较为常见的高层烟囱爆炸拆除为例，利用LS-DYAN数值模拟软件计算烟囱的连续倒塌过程，采用*LOAD_BLAST空爆工程算法进行爆炸载荷加载，爆炸点位于烟囱底部位置。钢筋采用1DBeam单元算法，混凝土采用3DSolid164实体单元，混凝土采用RHT本构，两者之间采用CLIS进行耦合。本案例未参考实际情况，只是现象的展示。