超高速碰撞下相变效应的交错网格物质点法研究

超高速碰撞下的结构毁伤过程常伴随材料相变、断裂失效及碎片云的产生与演化,其所具有的压力强间断、材料非线性等几何大变形等问题给数值模拟带来了困难。交错网格物质点法SGMP通过背景网格格心积分消除了物质点法MPM跨网格误差,是模拟固体冲击爆炸等极端大变形与材料破坏问题的一种有效数值分析方法。本文将含金属相变的GRAY状态方程及含非线性内聚力断裂的Johnson-Cook修正金属模型引入SGMP中,模拟超高速碰撞单层、多层靶板问题。结果表明,SGMP和修正金属模型可以很好地模拟超高速碰撞问题中的碎片云形貌特征和相变效应。     

物质点法的理论和应用

物质点法采用质点离散材料区域, 用背景网格计算空间导数和求解动量方程,避免了网格畸变和对流项处理, 兼具拉格朗日和欧拉算法的优势, 非常适合模拟涉及材料特大变形和断裂破碎的问题. 本文详细论述了物质点法在基本理论、算法和软件开发方面的进展, 包括广义插值物质点法、接触算法、自适应算法、并行算法、与其他算法的杂交和耦合等. 系统地总结了物质点法在超高速碰撞、冲击侵彻、爆炸、动态断裂、流固耦合、多尺度分析、颗粒材料流动和岩土失效等一系列涉及材料特大变形问题中的应用,展示了其相对于传统数值计算方法的优势.     

使用新型物态方程的超高速碰撞物质点法模拟

为更准确地对超高速碰撞进行数值模拟、获得与实验结果相似度更高的碎片云形态，利用分子动力学方法求解材料的冷能、冷压，并结合Grover定标律方程，建立了一种表达形式简洁、可处理相变影响的新型物态方程，并代入自编柱坐标物质点法计算程序，使用新型物态方程计算所得的碎片云与使用Mie-Grüneisen、Tillotson等传统物态方程的计算结果相比，在尺寸、形态方面均能够与实验结果更好地吻合，证明了新型物态方程的有效性。     

层裂问题的交错网格物质点法研究

交错网格物质点法(Staggered Grid Material Point Method, SGMP)有效地消除了物质点法(Material Point Method, MPM)的跨网格数值误差,是模拟冲击爆炸等涉及大变形与材料破坏问题的一种有效数值分析方法.为了研究层裂问题,论文将质点失效模型引入交错网格物质点法中,对Hopkinson杆碰撞、飞片撞击靶板碰撞和混凝土受爆炸载荷冲击等层裂问题进行了数值模拟研究,结果表明SGMP可以很好地模拟层裂问题.     

超高速碰撞效应的数值模拟

本文简要介绍和总结了有关超高速碰撞效应数值模拟研究的现状,讨论了数值格式和处理以及物理模型两个方面所取得的进展和存在的问题。      

极端变形问题的物质点法研究进展

物质点法采用了拉格朗日和欧拉双重描述,将物体离散为一组在固定于空间的网格(欧拉描述)中运动的质点(拉格朗日描述),有效地综合了拉格朗日法和欧拉法的优点,是分析冲击爆炸等极端变形问题的一种有效方法. 本文系统总结了本课题组近年来针对冲击、爆炸和流固耦合等极端变形问题在物质点法算法方面的研究进展,并简要介绍了开发的三维显式并行物质点法数值仿真软件MPM3D及其在超高速碰撞、侵彻、爆炸、边坡失效、金属切削和流固耦合等问题中的应用.     

超高速碰撞产生的电磁辐射

超高速碰撞产生的电磁辐射是固体物质在强冲击作用下的重要物理响应,在深空探测、航天器对空间碎片的防护设计、武器毁伤评估应用广泛。本文中概述了超高速碰撞产生的电磁辐射现象,总结了不同碰撞条件下,超高速碰撞产生微波和闪光的时频特性;从超高速碰撞产生材料破碎和产生等离子体两个方面,分析了超高速碰撞产生微波的辐射模型;归纳了超高速碰撞下的发光机理,并阐述了超高速碰撞产生连续光谱和线谱的辐射模型,指出了超高速碰撞产生电磁辐射研究存在的不足与发展趋势。     

非均质固体炸药冲击起爆的物质点法

将点火增长方程引入到物质点法中,编制了相应的计算程序MPM-SDT,并求解了冲击起爆问题.通过与传统算法和实验结果的比较,验证了物质点法应用于冲击起爆问题的可行性.物质点法避免了Lagrange法的网格畸变缠结和Euler法的对流误差.最后,对钨、铜、钢等材料破片撞击屏蔽炸药问题进行了多组数值模拟.3种材料对屏蔽炸药的...     

光滑粒子模拟方法在超高速碰撞现象中的应用

简要介绍了基于黎曼解的光滑粒子法,并将改进的SPH方法应用于超高速碰撞,对二维轴对称条件下的弹丸超高速碰撞薄板问题进行了数值模拟,研究了靶板厚度、弹丸速度、弹丸形状等因素对形成碎片云的影响。通过与实验数据比较,该算法模拟的碎片云的形状及特征与实验相吻合,验证了光滑粒子法对冲击动力学问题数值模拟的有效性。     

高速碰撞数值计算中的SPH自适应粒子分布法

针对传统光滑粒子法在计算高速碰撞问题时会出现近邻粒子逸出核函数影响域而产生数值破坏这一缺陷,提出了一种根据粒子间距变化自动添加、合并粒子的SPH自适应粒子分布算法。采用该方法对Taylor碰撞和超高速碰撞问题进行了数值模拟,结果表明,该方法可以有效地消除计算中出现的数值破坏,提高计算精度。     

Coupling between finite element method and material point method for problems with extreme deformation

As a Lagrangian meshless method, the material point method (MPM) is suitable for dynamic problems with extreme deformation, but its efficiency and accuracy are not as good as that of the finite element method (FEM) for small deformation problems. Therefore, an algorithm for the coupling of FEM and MPM is proposed to take advantages of both methods. Furthermore, a conversion scheme of elements to particles is developed. Hence, the material domain is firstly discretized by finite elements, and then the distorted elements are automatically converted into MPM particles to avoid element entanglement. The interaction between finite elements and MPM particles is implemented based on the background grid in MPM framework. Numerical results are in good agreement with experimental data and the efficiency of this method is higher than that of both FEM and MPM.     

无网格MPM法三维前处理系统设计

无网格法在解决爆炸冲击、裂纹扩展、高速碰撞以及大变形等问题时,由于与网格无关,能够避免有限元法因网格畸变计算精度降低或计算终止的矛盾,是目前求解固体力学问题的有效方法之一,也是近年来研究的热点。前处理对于无网格法数值计算是非常重要的环节,基于面向对象程序设计思想,应用C 和OpenGL开发了三维图形交互方式的MPM法前处理系统,提出了应用递归四叉树法、扫描表示法和CSG法划分任意形状非等间距的MPM法质点单元,为建立通用的无网格前处理平台提出了有效的解决方案。     

流固耦合不可压物质点法及其在晃动问题中的应用

作为一种混合拉格朗日欧拉法,物质点法在流固耦合问题中具有重要的应用前景。对于自由液面的流动问题,基于物质点法框架已建立了弱可压物质点法和完全不可压物质点法,但在处理流固耦合问题时遇到了困难。弱可压物质点法由于采用可压缩状态方程,导致求解时间步长过小,压力振荡严重,产生了非物理的飞溅现象;完全不可压物质点法基于投影算法和不可压条件,消除了弱可压物质点法的压力振荡,提高了时间步长,但难以处理移动边界问题。基于变分形式的投影算法提出了一种新型流固耦合不可压物质点法,得到了体积加权的压力泊松方程PPE(Pressure Poisson Equation),解决了完全不可压物质点法无法处理不规则边界和移动边界的问题。采用流固耦合不可压物质点法研究了运动刚体容器中的液体晃动问题,并与已有实验和数值结果进行对比,验证了算法的正确性和精度。     

滑移爆轰问题无网格MPM法数值模拟

利用MPM(material point method)计算方法,以爆炸焊接作为实例,对炸药滑移爆轰过程和金属飞板与基板之间的碰撞变形进行了数值模拟.并将无网格MPM法的数值计算结果与近似解析公式的计算结果进行了比较,二者基本吻合,有力地证明了无网格MPM法在求解爆炸冲击问题中的有效性和健壮性.     

基于OpenMP的三维显式物质点法并行化研究

基于OpenMP技术开发了三维显式物质点并行程序MPM3DMP。为了避免节点更新阶段的数据竞争,采用区域分解法将背景网格分解为均匀的子域,每个线程负责一个子域的节点变量更新,然后将更新后的节点变量装配到整体。在质点更新阶段采用了循环分解方法进行并行。针对Taylor杆碰撞的三种计算模型,在双Intel Woodcrest 4核CPU服务器下进行了测试:粗模型在4核下加速比为3.82,在8核下为6.23,中模型在4核下加速比为3.79,在8核下加速比为6.23;细模型在4核下加速比为3.75,8核下加速比为6.26。因此,本文的并行程序具有较好的并行效率和可扩展性。