一种气泡帷幕对水下爆破水击波阻隔分析数值建模方法

本发明涉及爆破工程，具体涉及一种气泡帷幕对水下爆破水击波阻隔分析数值建模方法。

背景技术：

1、水下爆破方式广泛应用于水利水电工程，如水下岩坎、坞门、围堰等的爆破拆除；为保护水下爆破作业邻近区域的水生物、水下设备、水下构筑物等，气泡帷幕得到广泛应用，其意义与作用也得到了重视。为评估气泡帷幕的防护效果，物理模型试验、现场试验和数值仿真是使用最广泛的方法。

2、然而，物理模型试验和现场试验耗资巨大、效率低下，因而关于水下气泡帷幕的数值仿真方法得到了广大相关从业人员的青睐。

3、水下气泡帷幕由放置于水体底部的发生装置产生，气泡由底部向水面移动，在这一过程中，气泡逐渐增大，呈现出“由下至上，大尺寸气泡逐渐增多”这一特征；此外，气泡的分布范围亦表现出“距离水面越近，范围越大”特征，大体呈倒梯形。然而，当前相关领域的现有模拟技术尚有以下不足：一.商业有限元软件，如abaqus，仅能建立单个气泡、需要重复多次建立气泡帷幕模型，不能直接构建气泡帷幕模型，需大量的手动、反复操作才能建立能够完全反映上述气泡帷幕空间分布特征的数值模型；二.当前已发表的气泡帷幕数值模拟方法未考虑“气泡距离水面越近，尺寸越大”、“气泡帷幕大体呈倒梯形”的特征。

技术实现思路

1、本发明需要解决的技术问题是提供一种气泡帷幕对水下爆破水击波阻隔分析数值建模方法，以解决当前广泛使用的商业有限元软件不能直接建立反映随机气泡大小、气泡尺寸大致由下至上逐渐增大以及气泡分布范围由下至上逐渐扩大的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。

3、一种气泡帷幕对水下爆破水击波阻隔分析数值建模方法，基于程序和内嵌于有限元软件abaqus的可视化人机交互界面执行，包括以下步骤：

4、s1.用户输入建模所需的所有信息；

5、s2.依据用户输入的模型尺寸，创建整体模型并自动划分出炸药药包、水面空气层和水体；

6、s3.根据用户输入的信息，遵循“随机气泡大小”、“由下至上，大尺寸气泡逐渐增多”和“气泡帷幕呈倒梯形”原则，通过逐个循环的方式创建气泡帷幕；

7、s4.依据用户输入的材料参数，自动为炸药、空气、水体赋予材料属性；

8、s5.依据用户输入的网格信息，自动划分网格。

9、优选的，所述步骤s3具体包括以下步骤：

10、s31.依据用户输入的帷幕倒梯形边界尺寸，随机为一个气泡指定其竖向坐标y；

11、s32.根据竖向坐标y，计算气泡半径取值范围并随机生成其半径尺寸；

12、s33.根据竖向坐标y及用户输入的缩放系数sp，计算气泡水平坐标x取值范围并随机生成其水平坐标x；

13、s34.依据上述数据，创建一个气泡部件并放置于水平坐标x和竖向坐标y位置；

14、s35.循环执行步骤s31至s34，直至创建的气泡数量达到用户指定的数量。

15、优选的，所述步骤s34中单个气泡部件放置于水平坐标x和竖向坐标y位置与整体模型融合并保留二者的相交轮廓线。

16、优选的，所述步骤s31中根据用户输入的帷幕倒梯形边界尺寸确定帷幕倒梯形的步骤为：

17、a.根据用户指定帷幕倒梯形长边的左、右端点距整体模型左边界的距离，分别由lb和rb表示，从而确定倒梯形的最大宽度；

18、b.根据用户指定帷幕倒梯形的长、短边距整体模型下边界的距离，分别由tb和bb表示，从而确定倒梯形的高度；

19、c.帷幕倒梯形的短边尺寸由其长边尺寸根据用户指定的缩放系数sp通过比例缩放获得，短边的长度范围为[lb+sp*(1.0-bb/tb)*(rb-lb),rb-sp*(1.0-bb/tb)*(rb-lb)]。

20、优选的，每个所述气泡的的空间位置由水平坐标x和竖向坐标y控制，水平坐标x和竖向坐标y的取值范围为帷幕倒梯形范围；每个气泡的z向坐标相同，为一固定值；每个所述气泡的竖向坐标y服从[tb，bb]上的均匀分布，每个气泡的水平坐标x也服从均匀分布，并根据其竖向坐标y、缩放系数sp以及用户指定的lb和rb随机产生，随机取值范围为[lb+sp*(1.0-y/tb)*(rb-lb),rb-sp*(1.0-y/tb)*(rb-lb)]。

21、优选的，所述气泡为圆形且其半径服从均匀分布，气泡半径的上、下限，分别由lr和hr表示，气泡半径的随机取值范围为[lr+lr*(1.0-y/tb),hr-hr*(1.0-y/tb)]，该取值范围表示竖向坐标y越大，气泡半径的取值范围越大。

22、优选的，所述水体、炸药和空气均使用euler网格并属同一个euler域且可在该euler域内流动而网格不移动。

23、优选的，所述程序和可视化人机交互界面基于python语言编译和制作，可视化人机交互界面包含尺寸参数输入模块和材料参数输入模块。

24、由于采用了以上技术方案，本发明所取得技术进步如下。

25、本发明基于程序语言与可视化人机交互界面，使用参数化方式，实现了炸药药包、水面空气层、水体、气泡帷幕、材料属性赋予的全过程的自动化、参数化创建；实现了在一定范围内随机大小的气泡的批量、按指定数量生成；同时，通过建立气泡分布范围和尺寸大小与深度间的关系，亦实现了在帷幕倒梯形范围内按照气泡大小放置每个气泡，从而构建了能够完全反映随机气泡大小、气泡尺寸大致由下至上逐渐增大、气泡分布范围由下至上逐渐扩大特征的气泡帷幕。

26、本发明自动划分了水面空气层、炸药药包、水体以及气泡帷幕，为用户进行关于气泡帷幕对水下爆破水击波阻隔作用的分析研究提供了极大便利。本发明所涉及的程序运行完成后，模型可直接开始气泡帷幕阻波效果等计算分析。

技术特征：

1.一种气泡帷幕对水下爆破水击波阻隔分析数值建模方法，其特征在于：基于程序和内嵌于有限元软件abaqus的可视化人机交互界面执行，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种气泡帷幕对水下爆破水击波阻隔分析数值建模方法，其特征在于：所述步骤s3具体包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的一种气泡帷幕对水下爆破水击波阻隔分析数值建模方法，其特征在于：所述步骤s34中单个气泡部件放置于水平坐标x和竖向坐标y位置与整体模型融合并保留二者的相交轮廓线。

4.根据权利要求2所述的一种气泡帷幕对水下爆破水击波阻隔分析数值建模方法，其特征在于：所述步骤s31中根据用户输入的帷幕倒梯形边界尺寸确定帷幕倒梯形的步骤为：

5.根据权利要求4所述的一种气泡帷幕对水下爆破水击波阻隔分析数值建模方法，其特征在于：每个所述气泡的的空间位置由水平坐标x和竖向坐标y控制，水平坐标x和竖向坐标y的取值范围为帷幕倒梯形范围；每个气泡的z向坐标相同，为一固定值；每个所述气泡的竖向坐标y服从[tb，bb]上的均匀分布，每个气泡的水平坐标x也服从均匀分布，并根据其竖向坐标y、缩放系数sp以及用户指定的lb和rb随机产生，随机取值范围为[lb+sp*(1.0-y/tb)*(rb-lb),rb-sp*(1.0-y/tb)*(rb-lb)]。

6.根据权利要求4所述的一种气泡帷幕对水下爆破水击波阻隔分析数值建模方法，其特征在于：所述气泡为圆形且其半径服从均匀分布，气泡半径的上、下限，分别由lr和hr表示，气泡半径的随机取值范围为[lr+lr*(1.0-y/tb),hr-hr*(1.0-y/tb)]，该取值范围表示竖向坐标y越大，气泡半径的取值范围越大。

7.根据权利要求1所述的一种气泡帷幕对水下爆破水击波阻隔分析数值建模方法，其特征在于：所述水体、炸药和空气均使用euler网格并属同一个euler域且可在该euler域内流动而网格不移动。

8.根据权利要求1所述的一种气泡帷幕对水下爆破水击波阻隔分析数值建模方法，其特征在于：所述程序和可视化人机交互界面基于python语言编译和制作，可视化人机交互界面包含尺寸参数输入模块和材料参数输入模块。

技术总结
本发明公开了一种气泡帷幕对水下爆破水击波阻隔分析数值建模方法，基于程序和内嵌于有限元软件ABAQUS的可视化人机交互界面执行，包括以下步骤：S1.用户输入建模所需的所有信息；S2.依据用户输入的模型尺寸，创建整体模型并自动划分出炸药药包、水面空气层和水体；S3.根据用户输入的信息，遵循“随机气泡大小”、“由下至上，大尺寸气泡逐渐增多”和“气泡帷幕呈倒梯形”原则，通过逐个循环的方式创建气泡帷幕；S4.依据用户输入的材料参数，自动为炸药、空气、水体赋予材料属性；S5.依据用户输入的网格信息，自动划分网格。本发明可构建能够完全反映随机气泡大小、气泡尺寸大致由下至上逐渐增大、气泡分布范围由下至上逐渐扩大特征的气泡帷幕。

技术研发人员：姚二雷,朱莅,黎卫超,饶宇,杨招伟,马晨阳,吴新霞,赵根,刘志芳,王秀杰,袁俊,张继楷
受保护的技术使用者：长江水利委员会长江科学院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16