انجمن مکانیک سنگ ایران نشریه علمی-پژوهشی مکانیک سنگ 2588-7432 9 4 2026 02 20 Hybrid Numerical Modeling of Blast Response in Steel–Soil Layered Media مدل‌سازی عددی ترکیبی پاسخ انفجار در محیط‌های لایه‌ای فولاد-خاک 1 17 244806 10.22034/IRSRM.2026.468758.0141 FA محمدحسین مختارزاده گروه مکانیک سنگ، دانشکده معدن و مواد، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران 0009-0003-2342-4498 احسان طاهری گروه مکانیک سنگ، دانشکده معدن و مواد، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران 0000-0002-7291-697X Journal Article 2026 01 18 Accurate prediction of blast-induced damage in layered geotechnical systems is essential for the resilient design of underground protective structures. However, the complex physics of explosion—involving extreme deformation, multi-material interaction, and high strain rates—poses significant challenges for both experimental replication and single-method numerical modeling. To address this gap, the present study develops a hybrid computational framework coupling Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH), the Discrete Element Method (DEM), and the Finite Element Method (FEM) to simulate damage in a steel–soil layered configuration subjected to explosive loading. The proposed model assigns each constituent material its most suitable numerical approach: SPH handles the TNT explosive charge, capturing large deformation and fragmentation without mesh distortion; DEM models the granular soil layer, accounting for particle-scale interactions and contact failure; FEM discretizes the steel sheet, enabling precise stress–strain evaluation. The Johnson–Cook constitutive model is employed as the damage criterion for the steel layer, incorporating strain hardening, strain rate sensitivity, and thermal softening effects. For the soil, contact failure is defined to govern particle debonding and detachment. The thermodynamic behavior of the detonation products is described by the Jones–Wilkins–Lee (JWL) equation of state. The paper details the fundamental principles, coupling algorithms, and interface conditions among the three methods. Simulation results demonstrate that the integrated SPH-DEM-FEM approach effectively reproduces key damage patterns, including steel perforation, soil cratering, and layer delamination. This validated multiphysics model provides researchers with a powerful numerical tool to explore various blast scenarios, charge geometries, and layer properties, thereby advancing the understanding of explosion–structure interaction in layered media. پیش‌بینی دقیق آسیب ناشی از انفجار در سیستم‌های ژئوتکنیکی لایه‌ای، برای طراحی مقاوم سازه‌های حفاظتی زیرزمینی ضروری است. با این حال، فیزیک پیچیدهٔ انفجار – شامل تغییرشکل‌های بسیار زیاد، اندرکنش چندماده‌ای، و نرخ‌های کرنش بالا – چالش‌های قابل‌توجهی را هم برای بازتولید تجربی و هم برای مدل‌سازی عددی تک‌روشی ایجاد می‌کند. برای پر کردن این خلأ، مطالعهٔ حاضر یک چارچوب محاسباتی ترکیبی را توسعه می‌دهد که روش‌های هیدرودینامیک ذرات هموار (SPH)، روش المان گسسته (DEM) و روش المان محدود (FEM) را برای شبیه‌سازی آسیب در یک پیکربندی لایه‌ای فولاد-خاک تحت بارگذاری انفجاری، تلفیق می‌کند. مدل پیشنهادی، مناسب‌ترین روش عددی را به هر مادهٔ تشکیل‌دهنده اختصاص می‌دهد: SPH مادهٔ منفجره TNT را مدل می‌کند و تغییرشکل بزرگ و خردشدگی را بدون اعوجاج شبکه ثبت می‌نماید؛ DEM لایهٔ خاک دانه‌ای را مدل کرده و اندرکنش‌های مقیاس ذره و گسیختگی تماسی را محاسبه می‌کند؛ FEM ورق فولادی را گسسته‌سازی نموده و ارزیابی دقیق تنش-کرنش را امکان‌پذیر می‌سازد. مدل رفتاری جانسون-کوک به عنوان معیار آسیب برای لایهٔ فولادی به کار رفته است که اثرات سخت‌شدگی کرنشی، حساسیت به نرخ کرنش و نرم‌شدگی حرارتی را دربر می‌گیرد. برای خاک، گسیختگی تماسی برای کنترل جداشدگی و جدا شدن ذرات تعریف شده است. رفتار ترمودینامیکی محصولات انفجار توسط معادلهٔ حالت جونز-ویلکینز-لی (JWL) توصیف می‌گردد. مقاله اصول بنیادین، الگوریتم‌های تلفیق و شرایط مشترک بین سه روش را به تفصیل بیان می‌کند. نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهد که رویکرد یکپارچه SPH-DEM-FEM به طور مؤثر الگوهای کلیدی آسیب از جمله سوراخ‌شدگی فولاد، ایجاد دهانهٔ برخوردی (گودال) در خاک و لایه‌لایه‌شدگی را بازتولید می‌کند. این مدل فیزیک‌چندگانهٔ اعتبارسنجی‌شده، ابزار عددی قدرتمندی در اختیار پژوهشگران قرار می‌دهد تا سناریوهای مختلف انفجار، هندسه‌های مادهٔ منفجره و ویژگی‌های لایه‌ها را بررسی کنند و بدین ترتیب درک اندرکنش انفجار-سازه در محیط‌های لایه‌ای را پیش می‌برد. https://www.irsrmjournal.ir/article_244806_6ac7b8781ff5e9e7f0e7a6592015e3f5.pdf