▇  目的

爆炸在瞬间释放的大量的化学能量，利用可控爆炸使金属加工成一定的形状。本文将分享使用 Altair Radioss™ 构建模拟球体爆炸液压成形的模型和方法。

▇  应用：天然气库存

▇  文献

• Z. Tiesheng, L. Zensheng, G. Changli, T. Zhang, Explosive forming of spherical metal vessels without dies, J. Mater. Process. Technol. 31 (1992) 135–145.

• Z.R. Wang ∗, G. Liu, S.J. Yuan, B.G. Teng, Z.B. He, Progress in shell hydroforming, J. Mater. Process. Technol.

▇  物理描述

1. 轧制两个或更多的锥形

2. 它们被焊接成一个球形的容器

3. 容器里装满了水，在容器中心引爆球形炸药

4. 在水中产生球形脉冲波会影响容器的表面

5. 爆炸和水膨胀推动壳体的形状从而形成非常接近被限制的目标球体形状

▇  预期仿真结果

▇  模型概述

• 使用 Altair Radioss™ 2020.1 版本

• 模型单位制：g, mm, ms, Mpa

• 水和爆炸物使用六面体实体网格划分，平均尺寸为 10 mm

• 容器使用壳单元划分网格。壳网格和实体网格交界处使用共节点（当然这里也可以不使用共节点的网格，而是使用 TYPE1 接触）

• 网格划分参照下表：

▇  罐体建模

（点击图片可查看高清大图）

▇  容器建模 – 空气压力

（点击图片可查看高清大图）

▇  流体建模 – TNT 爆炸物

炸药为TNT。TNT 使用 Radioss 中的 /MAT/JWL 材料卡片描述 JWL 状态方程：

▇  流体建模 – 水

• 水使用 Stiffened-Gas 状态方程模型

• 这个状态方程 （EoS） 是科尔（Cole）于1948年为水下爆炸的水的建模提出的，它也可用于任何流体动力学模拟：

• 这个 EOS 在 Radioss  中是使用卡片 /MAT/HYDRO & /EOS/STIFF-GAS

▇  流体建模 – 空气

空气可被视为理想气体，使用下面的状态方程：

▇  流体建模 – 多物理材料

• 由于有 3 种不同的材料，因此必须使用多物理材料模型。在 Radioss 中，有几种多材料模型，这里选择最新的多物理材料模型 LAW151

• 使用 /ALE/MAT 启动 ALE 网格控制

下面是典型的空气和水的多物理材料示例：

▇  压力场分析 – 在 HyperView 中显示结果

/H3D/ELEM/P

▇  硬化评估（使用塑性应变）

/H3D/SHELL/EPSP/NPT=ALL

▇  现象解释

• 引爆后，球形冲击波在水中传播

• 在 0.7ms，冲击波冲击容器并反射

• 爆炸产生和水的膨胀进而推动容器表面的变形

• 在 10ms，容器最终形状成形，容器的形状接近限制的目标球体并稳定下来

• 在 10ms 之后，引爆气泡脉动

这个模型使用 Radioss 2020.1 版本，96 cpus，机器性能为：

• Intel(R) Xeon(R) CPU E5-2680 v3 @ 2.50GHz (x86_64), 2501 MHz, 129092 MB RAM, 7999 MB swap

▇  累计 CPU 时间汇总：

▇  数值计算循环总数：23936

▇  计算运行时信息汇总：

▇  估计加速比：95.35