Symulacja detonacji ładunku wybuchowego w Abaqus/Explicit z użyciem modelu CONWEP

Przykład dla kadłuba typu V-hull

Ładunki wybuchowe i ich oddziaływanie na konstrukcje to temat, który zawsze wywołuje dreszczyk emocji — zarówno w świecie inżynierii obronnej, jak i w analizach bezpieczeństwa. Oczywiście w rzeczywistości testy takie są kosztowne, niebezpieczne i trudne do zorganizowania. Dlatego możliwość przeprowadzenia realistycznej symulacji w środowisku numerycznym, takim jak Abaqus/Explicit, jest nieoceniona.

W tym artykule pokażę, jak przeprowadziłem symulację detonacji ładunku wybuchowego z wykorzystaniem modelu CONWEP (Conventional Weapons Effects Program) dla konstrukcji typu V-hull — charakterystycznej formy dna pojazdów opancerzonych, zaprojektowanej tak, aby rozpraszać energię fali uderzeniowej.

Rys. 1 Schematyczne zobrazowanie scenariusza symulacji

1. Wprowadzenie — po co w ogóle CONWEP?

Model CONWEP w Abaqus/Explicit to gotowe narzędzie do modelowania oddziaływania fali wybuchowej w oparciu o empiryczne dane opracowane przez US Army. Największy plus? Nie muszę ręcznie modelować procesu detonacji i propagacji fali w powietrzu — Abaqus robi to za mnie, bazując na odległości od ładunku, jego masie równoważnej TNT i ustawieniach kierunku rozchodzenia się fali.

Dla konstrukcji typu V-hull ma to szczególne znaczenie, bo kluczowe jest uchwycenie tego, jak fala odbija się i rozprasza na powierzchni skośnych płyt.

2. Geometria i przygotowanie modelu

Do symulacji przygotowałem uproszczony model ¼ kadłuba w kształcie litery „V” z zastosowaniem symetrii w płaszczyznach XY i YZ.

Charakterystyka kadłuba:

Typ: V-hull (ramiona nachylone pod kątem 55°),

Szerokość całkowita: 2 m,

Długość dolnej krawędzi: 230 mm,

Konstrukcja warstwowa typu „sandwich”:

dwie stalowe płyty o grubości 6 mm,

rdzeń o wysokości 50 mm (materiał o niższej gęstości) i grubości 0.8mm.

a) Ładunek:

Ekwiwalent TNT: 5 kg,

Lokalizacja: bezpośrednio pod środkiem kadłuba,

Odległość (standoff) od dolnej powierzchni płyty do środka ładunku: 300mm

Rys. 2 Wymiary geometrii wraz z umieszczeniem źródła wybuchu RP-1

3. Materiał

Do symulacji wybrałem stal AL-6XN (UNS N08367), czyli superaustenityczną stal nierdzewną, która w realnych konstrukcjach świetnie łączy odporność na korozję z dużą ciągliwością.

W modelu numerycznym założyłem zachowanie sprężysto–plastyczne z możliwością dużych odkształceń (NLGEOM=ON). To istotne, bo przy wybuchach konstrukcja pracuje daleko poza zakresem liniowej sprężystości, a deformacje lokalne potrafią być naprawdę znaczne.

4. Warunki brzegowe – uwzględnienie symetrii

Symulacja uprosciłem dzięki wykorzystaniu symetrii w płaszczyznach XY i YZ. Oznacza to, że modelowałem jedynie ćwiartkę kadłuba, a Abaqus odtwarzał pozostałe fragmenty matematycznie.

Krawędzie zewnętrzne kadłuba zostały unieruchomione we wszystkich stopniach swobody, a temperatura początkowa wynosiła 303 K.

Uwaga praktyczna: takie podejście ma sens tylko wtedy, gdy ładunek jest umieszczony idealnie centralnie i konstrukcja jest w pełni symetryczna. W przypadku przesuniętego wybuchu lub asymetrycznej geometrii — trzeba modelować całość.

Rys. 3 Warunki brzegowe

5. Definicja kontaktów

W modelu zastosowałem dwa rodzaje kontaktów:

Tie constraint — połączenie płyt stalowych z rdzeniem konstrukcji, eliminujące jakiekolwiek względne przemieszczenia (traktujemy je jak zespolone na stałe),

General Contact — z tarciem μ = 0,35, co odpowiada typowej wartości dla kontaktu stal–stal.

Takie ustawienie pozwala realistycznie uchwycić interakcje pomiędzy elementami, które w rzeczywistości mogą się ślizgać lub blokować.

6. Modelowanie wybuchu w Abaqus — rola CONWEP

CONWEP (Conventional Weapons Effects Program) to narzędzie, które pozwala w prosty sposób zaaplikować na konstrukcję obciążenie od wybuchu TNT. Zamiast modelować propagację fali w powietrzu, definiujemy tylko parametry ładunku i jego położenie, a Abaqus automatycznie generuje przebieg ciśnienia działającego na powierzchnię.

W mojej analizie procedura wyglądała tak:

a. Krok analizy: Dynamic, Explicit

b. Tworzenie fali uderzeniowej:

Interaction Module → Create Interaction → Incident Wave

Typ: Air Blast (CONWEP)

Masa ładunku: 0,005 t (5 kg TNT)

Konwersja jednostek do SI (kg, m, s, Pa) — absolutny must-have, bo błędy jednostek w wybuchach kończą się… spektakularnie.

Rys. 4 Edit Interaction Property

c. Źródła detonacji ustawione centralnie, z regionem oddziaływania obejmującym dolną część kadłuba.

Rys. 5 definicja źródła wybuchu oraz regionu jego oddziaływania

6. Siatka elementów:

C3D8R — redukowane elementy objętościowe heksaedryczne dla płyt,
S4R — elementy powłokowe dla rdzenia konstrukcji.

Rys. 6 Widok poglądowy siatki oraz Mesh Statics

7. Wyniki — czyli to pokazała symulacja

Symulacja potwierdziła, że geometria V-hull efektywnie odchyla falę uderzeniową na boki, zmniejszając bezpośrednie oddziaływanie ciśnienia na wnętrze kadłuba. Największe odkształcenia pojawiły się w strefie centralnej płyty, tuż nad ładunkiem.

a. Poszczególne wykresy konturowe:

naprężenie S, Misses:

Rys. 7 Wykres konturowy naprężenia S, Misses

Equivalent Plastic Strain (PEEQ)

W moim przypadku największe wartości odkształceń plastycznych pojawiły się w obrębie zastosowanego wzmocnienia w centralnej części kadłuba, szczególnie w strefach przejścia do zgięcia, co wskazuje na koncentrację odkształceń w tych miejscach.

Rys. 8 Wykres konturowy PEEQ

Wykresy przemieszczeń:

Rys. 9 Wykres konturowy przemieszczeń U,Magnitude

Rys. 10 Wykres przemieszczeń U2 dla węzła umieszczonego w punkcie centralnym modelu dla płyty bezpośrednio nad źródłem wybuchu oraz płyty wewnętrznej.

Analiza bilansu energii – co można z niego odczytać?

Na wykresie widać, że tuż po detonacji ALLWK (czerwona) gwałtownie rośnie do ok. 26 MJ, co odpowiada energii dostarczonej przez falę uderzeniową, a następnie stabilizuje się. ALLPD (niebieska) narasta wolniej, osiągając ok. 17 MJ – to energia zużyta na trwałe odkształcenia, które dominują w absorpcji obciążenia. ALLSE (fioletowa) sięga ok. 3 MJ i maleje, gdy energia sprężysta jest uwalniana. Bilans pokazuje, że większość energii została rozproszona w procesach plastycznych, co potwierdza skuteczność układu V-hull. W idealnym scenariuszu większość energii wybuchu powinna zostać rozproszona w trwałych odkształceniach konstrukcji, a nie wracać w formie sprężystych odbić, które mogłyby zwiększyć obciążenie wewnątrz pojazdu.

Rys. 11 Wykres Energii ALLWK, ALLPD, ALLSE

Wnioski

Model CONWEP w Abaqus/Explicit okazał się bardzo efektywnym narzędziem do symulacji oddziaływania wybuchów w powietrzu na konstrukcje mechaniczne. Jego największe zalety to prosta definicja obciążenia bez konieczności modelowania gazów wybuchowych, wysoka wydajność obliczeniowa oraz możliwość łatwego testowania różnych wariantów geometrycznych i materiałowych. W analizowanym przypadku geometria V-hull z konstrukcją typu sandwich znacząco ograniczyła energię przekazywaną do wnętrza pojazdu, co potwierdzają wyniki bilansu energii – dominacja odkształceń plastycznych nad sprężystymi odbiciami skutecznie zmniejsza ryzyko niebezpiecznych przyspieszeń wewnątrz. Symulacja dostarczyła solidnej bazy do dalszych, bardziej zaawansowanych analiz, a jednocześnie pokazała, że już w prostym ujęciu CONWEP pozwala uzyskać wartościowe, wiarygodne wnioski w bardzo krótkim czasie.

Dlaczego warto korzystać z modelu CONWEP w Abaqus/Explicit

Umożliwia wierne odwzorowanie obciążenia falą uderzeniową na podstawie zweryfikowanych danych eksperymentalnych dla TNT.

Minimalizuje złożoność modelu, eliminując potrzebę symulacji propagacji fali w ośrodku gazowym.

Pozwala na szybkie wariantowanie scenariuszy obciążeniowych i geometrii konstrukcji.

Zachowuje wysoką zgodność wyników z obserwacjami w warunkach testów poligonowych.

Ułatwia analizę bilansów energii i ocenę skuteczności rozwiązań konstrukcyjnych już na etapie wstępnego projektowania.

http://www.dpstoday.pl/wp-content/uploads/2025/10/Animacja-przemieszczenia-U-Magnitude.mp4

http://www.dpstoday.pl/wp-content/uploads/2025/10/Animacja-rozkladu-naprezen-SMisses.mp4

Animacja rozkładu naprężenia S,Misses oraz przemieszczenia U, Magnitude w modelu

Post: Symulacja detonacji ładunku wybuchowego w Abaqus/Explicit z użyciem modelu CONWEP