SPH方法在宽速域岩石侵彻问题中的应用

采用光滑粒子流体动力学(SPH)方法对花岗岩靶板受碰撞侵彻的大应变、高应变率变形问题进行了数值模拟。为了描述弹目材料的非线性变形及破坏特性,对花岗岩靶板引入了Holmquist-Johnson-Cook(HJC)本构模型及损伤模型,对弹体引入含损伤的Johnson-Cook(J-C)本构方程和Grüneisen状态方程,靶板与弹体均离散成拉格朗日粒子。通过自编程序仿真计算0～4 m/s的着靶速度下花岗岩靶板的三维侵彻过程,对比分析了钢珠在不同弹体条件下的侵彻结果,在固体侵彻、半流体侵彻和流体侵彻的区域内拟合了侵彻深度随着靶速度的变化曲线。数值计算结果显示,侵彻深度随着靶速度的增加在固体侵彻区间(v01421 m/s)呈现递增趋势,在半流体侵彻区间(1421 m/s?v0?1700 m/s)呈现递减趋势,在流体侵彻区间(v0 1700 m/s)呈现递增趋势并逐渐趋于平滑,达到峰值。     

大孔径双向聚能射孔弹的研究

 设计了一种双锥药型罩与双向装药结构相结合的聚能射孔弹模型,通过数值模拟方法研究其射流成型机理,并计算其射流参数。结果显示：双锥药型罩的小锥角部分形成聚能射流,大锥角部分形成翻转弹丸,射流头部和弹丸的速度分别为6 250 m/s和1 620.9 m/s,弹丸长度和平均直径分别为26.1 mm和8.6 mm。结合数值模拟结果,对射流侵彻公式进行了修正,并利用修正公式预测该射孔弹侵彻钢靶的深度,计算结果为69.6 mm。最后,按照该模型进行侵彻实验,实验回收弹丸的长度和平均直径分别为28.1 mm和8.8 mm,侵彻钢靶的深度和孔径分别为70 mm和17 mm。实验表明：数值模拟与理论计算方法相结合是可行的,能够有效地计算射孔弹的射流参数并预测其侵彻深度;该射孔弹侵彻性能优越。     

运动状态下聚能战斗部侵彻披挂反应装甲靶板的数值模拟

运用LS-DYNA有限元程序模拟了不同横向飞行速度(150、200、300、400、500m/s)和侵彻角度(30°、45°、60°)情况下聚能战斗部对披挂反应装甲后效靶板的侵彻过程,讨论了射流所受干扰情况及其对后效靶板的侵彻结果。研究结果表明:当侵彻角度一定时,射流对靶板表面的切割长度随速度的增大而增大,且在侵彻角度为30°时增大速率最快;但射流侵彻深度随速度的增大而减小,且在侵彻角度为60°时减小速率最慢。当飞行速度一定时,射流对靶板表面的切割长度和侵彻深度均随侵彻角度的增大而减小,且表面切割长度降幅随速度的增大呈先增大后减小的趋势,在速度为300m/s时,降幅最大,为59.6%;而侵彻深度降幅随速度的增大呈先减小后增大的趋势,在速度为350m/s时,降幅最小,为39.3%。最后通过理论方法分析了数值模拟结果,论证了数值模拟方法的正确性。     

分段杆弹侵彻效率的数值模拟（英文）

为研究分段杆弹的侵彻效率,对不同结构的钨合金分段及连续杆弹侵彻半无限厚4340钢靶进行了数值模拟,撞击速度范围为1 500~3 500m/s。数值模拟的侵彻深度及弹坑形状与冲击实验一致,验证了数值模拟的有效性。基于AUTODYN软件的数值模拟结果表明,在一定条件下,分段杆弹的侵彻效率高于连续杆弹,这是因为分段杆弹的侵彻效率取决于s/d(分弹体的间隔与直径之比)和撞击速度。分段杆弹的最佳s/d由弹体结构和撞击速度决定。计算结果揭示了分段、连续杆弹以及分段杆弹高速、低速侵彻靶体得到的弹坑的差异。     

基于ANSYS/LS-DYNA高速冲击仿真

高速弹头的侵彻问题是军工防护等领域研究的一个重要课题。采用有限元仿真软件ANSYS/LS-DYNA为平台对高速弹头侵彻靶板的过程进行了数值模拟。选取Johnson-Cook本构模型来描述侵彻过程,得到了速度为1300m/s的子弹侵彻6mm靶板的的速度、加速度、能量变化曲线和Von-Mises应力云图,从而直观的显示靶板的变形情况和动态响应,有助于分析高速弹头的撞击过程。验证了ANSYS/LS-DYNA有限元仿真在分析侵彻问题中的可行性和优越性,对改进弹头和防护材料设计具有重要意义。并为防护材料设计进行高速冲击实验的研究提供了新的途径和思路。     

基于ANSYS/LS-DYNA高速弹头冲击仿真

高速弹头的侵彻问题是军工防护等领域研究的一个重要课题;采用有限元仿真软件ANSYS/LS-DYNA为平台对高速弹头侵彻靶板的过程进行了数值模拟;选取Johnson-Cook本构模型来描述侵彻过程,得到了速度为1 300 m/s的子弹侵彻6 mm靶板的速度、加速度、能量变化曲线和VonMises应力云图,从而直观地显示靶板的变形情况和动态响应,有助于分析高速弹头的撞击过程;验证了ANSYS/LS-DYNA有限元仿真在分析侵彻问题中的可行性和优越性,对改进弹头和防护材料设计具有重要意义;并为防护材料设计进行高速冲击实验的研究提供了新的途径和思路。     

钨合金杆侵彻半无限厚铝合金靶的数值研究

 使用LS-DYNA程序对钨合金杆侵彻半无限厚铝合金靶问题进行了数值模拟研究,参考文献中的实验数据,分别建立了在低着速与高着速情况下所适用的计算模型,标定了材料参数,计算了撞击速度从200 m/s到2 500 m/s范围内的侵彻情况,计算结果与实验数据符合较好。同时研究了影响长杆侵彻效能的主要因素,结果表明,在高着速的情况下,杆的头部形状对侵彻深度的影响很小,以杆长无量纲化的侵彻深度（P/L₀）随长径比（L₀/d）的增大而降低。     

冲击下材料质量混合的实验研究及离散元模拟

 利用化爆驱动飞片对铅-锡和铜-铝的颗粒混合物进行冲击加载。回收样品的金相分析发现,在锡颗粒边界有明显的铅锡质量混合带,带宽约60~80 μm。利用扫描电镜对混合带进行点扫描,得到带内铅和锡质量分布。计算出的铅锡动态扩散系数为D=0.9 cm²/s,远高于准静态。利用离散元方法进行了数值模拟,定性的显示了高速冲击下材料细观混合的过程和机理。     

激光辐照受拉铝板破坏行为的时空多尺度数值模拟

推导耦合过渡区内参变量信息交换的元/网格动量传递多尺度算法,建立离散元与有限元耦合时空多尺度计算模型,并应用于激光辐照下受拉铝板破坏行为的数值模拟中.通过对比有限元计算模型、空间多尺度计算模型与时空多尺度计算模型在激光辐照下受拉铝板破坏算例的模拟结果,验证离散元与有限元耦合时空多尺度计算模型的准确性和数值计算高效率优势.使用该多尺度计算模型从宏观和细观尺度对铝板破坏行为进行数值模拟,模拟结果与实验结果基本一致.     

双硬度靶对球形弹丸的防护性能

以钢/铝双硬度爆炸焊接复合靶为研究对象,采用系列弹道实验和数值模拟方法,研究了其在球形弹丸垂直侵彻作用下的抗侵彻性能。侵彻实验利用直径为14.5mm的滑膛枪发射直径为6mm的钢质球形弹丸;采用LS-DYNA3D非线性有限元程序和有限元-光滑粒子流体动力学(FE-SPH)耦合法,进行数值模拟。基于实验和数值模拟结果,分析了不同靶板的毁伤机理和破坏模式,以及靶板厚度、强度等因素对复合靶抗侵彻性能的影响。结果表明:在球形弹丸的垂直侵彻作用下,钢面板发生剪切冲塞破坏,铝背板发生延性扩孔破坏;对于双层靶而言,钢面板与铝背板的厚度比约为2/3时,复合靶的抗侵彻性能最差;数值计算结果与实验结果吻合良好,表明FE-SPH耦合算法可较好地预测双层复合靶板的抗侵彻性能。     

半导体激光器列阵的有限元分析

本文利用有限元法对四种半导体激光器列阵进行了分析,得到了超模的近场强度分布,为实现最低阶超模的均匀强度分布提供了一些可能的结构.     

From fracture to fragmentation: Discrete element modeling

Discrete element modelling (DEM) is one of the most efficient computational approaches to the fracture processes of heterogeneous materials on mesoscopic scales. From the dynamics of single crack propagation through the statistics of crack ensembles to the rapid fragmentation of materials DEM had a substantial contribution to our understanding over the past decades. Recently, the combination of DEM with other simulation techniques like Finite Element Modelling further extended the field of applicability. In this paper we briefly review the motivations and basic idea behind the DEM approach to cohesive particulate matter and then we give an overview of on-going developments and applications of the method focusing on two fields where recent success has been achieved. We discuss current challenges of this rapidly evolving field and outline possible future perspectives and debates.     

应用有限元和边界元法计算方坯软接触结晶器的电磁场

给出了用有限元和边界元相结合的方法计算方坯软接触结晶器内钢液电磁场分布的全过程,并对4面体单元基础上的Whitney边元素,H-Φ方程及边界积分方程的离散方法作了重点解释.采用有限元和边界元相结合的方法来计算电磁场的分布可以大大减少计算工作量和计算时间.自行开发了三维电磁场计算程序,将数值模拟结果与物理实际进行了比较.     

随机填充增殖剂球床内载气流动特性数值模拟

固态氚增殖包层是聚变堆及聚变-裂变混合堆产氚包层的重要候选结构之一,其球床通道内载气流动特性将影响氚提取效率。利用离散元方法(DEM)生成随机填充增殖剂球床,通过径向孔隙率分布验证其合理性,计算流体力学(CFD)模拟计算其通道内气体流场特征。模拟得到:球床内吹扫氦气流速随孔隙率波动并随入口流速增大而均匀增大,通道内氦气流向及流速变化显著,Blake-Kozeny方程可良好预测该随机填充球床通道压降。     

Spectral and perturbation analysis for ultrasonic guided waves

The influence of damage on waves propagating in complex geometry waveguides is investigated through a numerical model formulated by combining the Spectral Finite Element Method and Perturbation Techniques. The resulting numerical tool allows efficient computation of the wave propagation response and the analysis of the effects of damages of various extent and location. The dynamic behavior of the damaged waveguides is described through a general higher order model which couples different waves thus allowing the prediction of mode conversion phenomena. Arbitrary cross-section can be considered through Finite Element (FE) discretization according to well-established Semi-Analytical Finite Element (SAFE) procedures. Two types of damages which allow the application of perturbation theory are considered: a small localized reduction of the thickness and a reduction of material stiffness and density. A validation by comparison with a Finite Element Model as well as numerical examples are presented to illustrate the model capabilities.     

高频腔本征值问题的三维数值模拟

 运用有限积分法软件MAFIA和有限元软件ANSYS对两类高频腔的本征值问题进行数值模拟，将模拟结果与部分实验数据进行验证，得到了比较一致的结果，其平均计算精度在5%以内，证实了两种电磁软件都可用于高频腔本征值问题的数值模拟，在计算精度上为满足工程设计需要做了一些研究。另外将两种模拟软件在计算时间上作了对比。     

流化床内单个颗粒传热特性的模拟

单个颗粒的传热过程对于燃煤流化床锅炉中煤的着火和随后的燃烧过程具有重要的影响。本文建立了一个基于Euler-Lagrange方法的数学模型对其进行了数值研究。该模型对流体相的运动和传热规律以Euler。方法描述,对固体颗粒相则以近年来发展起来的离散单元方法(DEM)在颗粒层次上进行描述。研究结果表明颗粒与床层之间有很高的传热系数。另外,对单个颗粒温度变化过程的模拟研究表明,颗粒经过较短的时间便能接近床层的温度,且不同颗粒具有类似的温度变化特性。     

曲边六面体矢量单元的改进与应用

改进了曲边六面体矢量单元的矢量基函数.简要回顾了原六面体矢量单元的定义之后,介绍了新的矢量基函数的构造方法,矢量基函数间的正交性因此有所改善,并有利于处理有限元Dirichlet边界条件.结合完全匹配层,将新单元应用于三维电磁散射问题,并进行了数值计算.     

Recent advances in the simulation of particle-laden flows

A substantial number of algorithms exists for the simulation of moving particles suspended in fluids. However, finding the best method to address a particular physical problem is often highly non-trivial and depends on the properties of the particles and the involved fluid(s) together. In this report, we provide a short overview on a number of existing simulation methods and provide two state of the art examples in more detail. In both cases, the particles are described using a Discrete Element Method (DEM). The DEM solver is usually coupled to a fluid-solver, which can be classified as grid-based or mesh-free (one example for each is given). Fluid solvers feature different resolutions relative to the particle size and separation. First, a multicomponent lattice Boltzmann algorithm (mesh-based and with rather fine resolution) is presented to study the behavior of particle stabilized fluid interfaces and second, a Smoothed Particle Hydrodynamics implementation (mesh-free, meso-scale resolution, similar to the particle size) is introduced to highlight a new player in the field, which is expected to be particularly suited for flows including free surfaces.     

An adaptive generalized finite element method applied to free vibration analysis of straight bars and trusses

In this paper, a first application of an adaptive Generalized Finite Element Method to free longitudinal vibration analysis of straight bars and trusses is presented. The Generalized Finite Element Method is developed by enriching the standard Finite Element Method space, whose basis performs a partition of unity, with knowledge about the differential equation being solved. The enrichment functions used are dependent on the geometric and mechanical properties of the element. The proposed approach converges very fast and is able to approximate the frequency related to any vibration mode. The variational problem of free vibration is formulated and the main aspects of the adaptive Generalized Finite Element Method are presented and discussed. The efficiency and convergence of the proposed method in vibration analysis of uniform and non-uniform straight bars are checked. The application of this technique in a truss is also presented. The frequencies obtained by the adaptive Generalized Finite Element Method are compared with those obtained by the analytical solution, the Composite Element Method and the h-version of Finite Element Method.