基于LS-DYNA的高速破片水中运动特性流固耦合数值模拟

基于大型有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA,建立三维长方体高速破片在水介质中运动的有限元动力分析模型,采用ALE方法对破片在水下运动过程进行流固耦合数值模拟,获得了破片的速度衰减曲线。研究了速度衰减规律、破片墩粗变形规律以及冲击波传播过程。得到高速破片的侵彻能力随速度的变化规律:当初速度大于910~1 115m/s时破片头部将产生显著变形,并大大影响其侵彻阻力;当破片速度较小时,水中侵彻距离随破片初速的增大而增大,当破片速度达到某临界值以后,侵彻距离将随初始速度的增大而逐渐减小。     

流固耦合破坏分析的多分辨率PD-SPH方法

流固耦合破坏是一类涉及结构变形与破坏以及复杂自由表面现象的强非线性力学问题. 结合近场动力学(peridynamics, PD)与光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics, SPH)各自的优势并考虑其计算效率问题, 提出一种适用于分析流?固耦合破坏问题的多分辨率PD-SPH混合方法. 分别采用SPH和PD方法以不同的空间和时间分辨率对流体和结构进行离散与求解, 利用具有与流体粒子相同光滑长度的虚粒子处理流?固界面, 以高精度满足界面边界条件. 通过两个经典算例: 液柱静压力下弹性板的变形和溃坝流体冲击弹性闸门的变形问题, 表明提出的多分辨率PD-SPH方法兼具较高的计算精度和计算效率; 对含裂缝的Koyna重力坝水力劈裂问题进行模拟计算, 所得裂缝扩展路径与文献结果吻合, 说明该方法适用于涉及结构破坏的流固耦合问题仿真. 最后尝试采用该方法进行流体冲击作用下含裂纹混凝土板崩塌过程数值仿真, 准确描述混凝土板的断裂破坏和全过程中的流体运动. 多分辨率PD-SPH混合方法或可为流?固耦合作用下的结构损伤破坏仿真提供一种新选择.      

惰性芯体物性对阶梯形空腔装药结构爆轰驱动的影响

为研究惰性芯体物性对轴向阶梯形空腔装药结构爆轰驱动的影响规律,分别加工并装配了空腔内填充LY12铝、尼龙1011和无填充物三种技术状态的战斗部并进行了静爆实验,采用脉冲X射线成像测试技术获得了破片平均速度和飞散场形态;应用非线性动力学计算软件LS-DYNA,采用ALE算法进行了数值计算,分析了三种惰性芯体物性对破片场飞散形态、冲击波压力和破片初速的影响规律。结果表明:惰性芯体材料的冲击阻抗较主装药的冲击阻抗越大,对冲击波压力的影响越明显,作用于壳体表面的初始压力越大,主装药推动破片做功的能力越强,破片的速度越大,且惰性芯体物性的影响随着芯体半径的增大而增大。     

基于表面力模型的液滴冲击弹性基底SPH模拟

采用光滑粒子动力学SPH方法建立液滴冲击弹性基底的流固耦合数值模型,给出描述粘性流体和弹性固体运动的SPH离散方程和数值处理格式,引入人工耗散项来抑制标准SPH方法的数值震荡。为模拟液滴的表面张力效应,通过精确检测边界粒子,采用拉格朗日插值方法计算表面法向量和曲率,结合界面理论中的连续表面力CSF方法,建立了适用于自由表面液滴的表面力模型,方形液滴变形的模拟结果与拉普拉斯理论解吻合较好。随后,采用SPH流固耦合模型模拟1.0 mm直径水滴以不同速度(0.2 m/s～3.0 m/s)冲击两种薄板型基底,分析了基底弹性变形对液滴铺展、收缩以及回弹行为的影响。     

流体与结构相互作用问题的FE-SPH耦合模拟

应用有限元(FE)-光滑粒子流体动力学(SPH)耦合法模拟了具有自由表面的不可压流体与结构的相互作用问题.流体和结构分别采用SPH法和有限元法同时求解,两者在交界面处的相互作用通过接触算法进行处理.为了避免隐式计算压力,通过引入人工压缩率,将不可压流体近似为人工可压缩流体.采用FE-SPH耦合法对弹性板在随时间变化的水压作用下的变形以及倒塌水柱冲击弹性结构两个问题进行了模拟.模拟结果与实验结果以及其他已有数值结果符合良好,说明FE-SPH耦合法用于流体与结构相互作用问题的模拟是可行和有效的.     

多破片高速冲击下飞机油箱水锤效应数值模拟

作为飞机燃油箱的一种主要损伤模式,水锤效应可能引起油箱结构灾难性的破坏。针对实战环境中多枚破片冲击同一油箱的常见现象,在建立与试验对比一致的单枚破片冲击满水油箱数值模型后,以箱内液体特定单元压力峰值、破片速度衰减、箱内液体吸收的总能量以及油箱壁板变形作为对比参量,分别开展数值模拟,分析其在2枚破片不同间距打击、2枚破片不同时间间隔打击以及多枚破片同时打击时的水锤效应。结果表明:箱内液体的压力峰值来源于破片入水后形成的冲击波,多枚破片入射时液体压力有明显的叠加效应;2枚破片不同时入射将导致先入射破片剩余速度增高;油箱壁板的变形随入射破片数量的增加显著增大。     

部分充液多胞元结构的面内动态力学特性研究

为探究部分充液多胞元结构的抗冲击防护性能,结合充液内凹胞元的落锤冲击试验,建立了充液内凹胞元、部分充液内凹多胞元结构的冲击动态特性二维FEM数值分析,计算得到了部分充液内凹多胞元结构的变形破坏模式,讨论了不同冲击速度下部分充液内凹多胞元结构的动力学响应特性。结果表明:在充液胞元破损后,水介质会流入相邻未充液胞元,形成二次鼓胀吸能效应,从而有效提高结构壁面的变形吸能水平;结构中的充液区域和未充液区域的变形破坏模式分别为鼓胀拉伸和屈曲弯折;随着冲击速度的提高,结构的单位体积应变能以及对初始冲击载荷的削弱作用均得到增强。横向充液方式可以等效为变刚度弹簧的串联布置,该方式仅影响结构的局部刚度,纵向充液方式可以等效为多层变刚度弹簧的并联布置,该方式会影响结构的整体刚度;充液区域与未充液区域的等效刚度呈动态变化,结构变形模式由各区域实时的等效刚度决定。当载荷冲击速度较高时,横向和纵向部分充液内凹多胞元结构对初始冲击载荷的削弱能力均优于未充液内凹多胞元结构。     

高速破片撞击充液容器时容器壁面的损伤

为研究高速破片（钨球）撞击充液容器（贯穿前后壁面）时容器壁面的毁伤情况，利用ANSYS/LS-DYNA对该过程进行了数值模拟，分析了破片撞击动能对充液容器前后壁面毁伤程度的影响，并进行实验验证。结果表明:高速破片撞击充液容器形成的液压水锤对充液容器前后壁面的破坏程度可分为3个等级，即前后壁面均未出现裂纹、前壁面没有出现裂纹后壁面出现裂纹和前后壁面均出现裂纹且后壁面呈花瓣式开裂；破片撞击充液容器过程中，前后壁面的最大变形量和前后壁面的裂纹总数随破片撞击动能的增加而增大。     

光滑粒子动力学方法的发展与应用

光滑粒子动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)是一种拉格朗日型无网格粒子方法,已经成功地应用到了工程和科学的众多领域.SPH使用粒子离散及代表所模拟的介质,并且基于粒子体系估算和近似介质运动的控制方程.本文分析和综述了SPH模拟方法的发展历程、数值方法与应用进展.介绍了SPH方法的基本思想;从连续性、边界处理、稳定性和计算效率4个方面阐述了SPH方法的研究现状;介绍了SPH方法近年来在可压缩流动、不可压缩流动以及弹塑性材料高速变形与失效方面的一些典型应用;并对SPH方法的发展与应用进行了预测与展望.      

轴对称几何下耦合MOF界面重构的多介质ALE方法

推导了轴对称几何下的MOF(Moment of Fluid)界面重构,将其与多介质ALE方法相耦合,形成MOFMMALE方法,并应用于多介质大变形流动问题的数值模拟研究。数值算例表明,耦合MOF界面重构的多介质ALE方法是求解多介质大变形流动问题的有效手段,并且具有很好的界面精度和分辨率。     

回转体高速倾斜入水的流场特性及结构响应

回转体高速入水过程涉及液体和固体的耦合作用，是一个复杂的非线性、非定常过程。为研究回转体高速入水的结构动响应及流场演变规律，本文中基于STAR-CCM+和ABAQUS平台，建立了回转体高速入水的双向流固耦合数值模型，开展了不同入水速度的回转体高速倾斜入水流固耦合数值计算。结果表明:数值计算的入水速度、位移曲线和空泡形态与实验结果良好吻合，验证了流固耦合方法的有效性；回转体倾斜高速入水的载荷先集中在触水部分边缘处，后集中于回转体底部中心处；流固耦合方法的入水冲击载荷峰值小于刚体的，弹性回转体的载荷曲线产生明显波动；撞水阶段，回转体空泡呈现不对称形态，随着入水加深，空泡不对称性变弱；入水速度60 m/s下，空泡发生表面闭合，回转体入水初速度越快，空泡表面闭合越晚；冲击载荷与入水速度有关，入水速度越大，峰值出现越早，震荡越明显，速度超过100 m/s时，回转体产生塑性形变。     

SPH modeling of fluid–solid interaction for dynamic failure analysis of fluid-filled thin shells

This work concerns the prediction of failure of a fluid-filled tank under impact loading, including the resulting fluid leakage. A water-filled steel cylinder associated with a piston is impacted by a mass falling at a prescribed velocity. The cylinder is closed at its base by an aluminum plate whose characteristics are allowed to vary. The impact on the piston creates a pressure wave in the fluid which is responsible for the deformation of the plate and, possibly, the propagation of cracks. The structural part of the problem is modeled using Mindlin–Reissner finite elements (FE) and Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) shells. The modeling of the fluid is also based on an SPH formulation. The problem involves significant fluid–structure interactions (FSI) which are handled through a master–slave-based method and the pinballs method. Numerical results are compared to experimental data.     

基于高速摄影视觉测量的静爆破片运动参数测试方法

为提高静爆试验中破片初速和速度衰减系数解算的可信度，提出了基于高速摄影视觉测量的静爆破片运动参数测试方法，该方法主要包括高速摄像机数据采集、视觉测量解算破片轨迹、基于运动模型拟合求解三个步骤。试验证明，该方法能够准确获取各破片的初速和速度衰减系数，可信度高，是一种有效的静爆试验破片运动参数测试方法。     

完全拉格朗日SPH在冲击问题中的改进和应用

光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics, SPH)在模拟固体大变形、破碎和裂纹扩展等问题中有天然的优势, 但SPH固有的拉伸不稳定缺陷是SPH在计算固体力学领域进一步应用的一大障碍. 完全拉格朗日SPH (total Lagrangian-SPH, TL-SPH)方法是一种有效的改善拉伸不稳定的措施, 但其仍面临边界区域精度低、界面条件难以施加、损伤裂纹难以模拟等缺陷. 因此, 首先将可达到二阶精度的高阶SPH方法与TL-SPH耦合, 为了节省高阶方法的计算量, 进一步简化粒子选取模式, 提出TL-SFPM (TL-simplified finite particle method)方法; 其次, 将可提高界面精度的DFPM (discontinuous finite particle method)方法与TL-SPH结合, 并提出一种基于黎曼解的界面接触算法, 通过在不同材料粒子间建立黎曼模型求解不同材料间的相互作用, 分别应用于流体?固体接触和固体?固体接触中; 再者, 为了捕捉固体受外载荷后的损伤程度及破坏模式, 提出一种完全拉格朗日框架下的粒子损伤破坏模型; 最后, 通过流?固冲击的带弹性挡板溃坝算例和固?固冲击的子弹撞击靶板算例验证提出的TL-SFPM方法、界面接触算法和损伤破坏模型的合理性和精确性, 进一步扩展TL-SPH方法在计算固体冲击问题中的应用.      

破片冲击作用下舰船复合材料结构损伤的近场动力学模拟

基于近场动力学方法，综合分析了破片的速度、层合板的铺层方式、加筋板的筋条尺寸和破片相对筋条的冲击位置对结构损伤模式和破片剩余速度的影响。结果显示:高速破片冲击作用下，层合板会发生侵彻和穿透现象，层合板的损伤模式以基体损伤为主，且随着破片冲击速度的增大，板上下表面的损伤区域呈现出一种先增大后减小的趋势；高速破片冲击作用下，层合的板损伤扩展方向和纤维铺设方向有关，对于纤维铺层方向相同的层合板，其上下表面的损伤扩展方向一般与纤维方向相同；加筋板通过增加少量质量可以获得比层合板更好的抗破片冲击性能，且加筋板的筋条尺寸和破片相对筋条的冲击位置对加筋板的损伤具有明显影响。     

Effect of rock shapes on brittle fracture using Smoothed Particle Hydrodynamics

Breakage of rocks or particulates plays a major role in various industries, such as mineral and ore processing. Many of the processes used for fracturing materials in these industries have the requirement to produce specified size and/or shape of the products. Numerical modelling can assist in understanding and predicting complex fracture processes, and can be used in designing the equipment and setting the process parameters to ensure desired product quality. In this paper, a mesh-free numerical method, called Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH), is extended to predict impact fracture of rocks. SPH is a particle based Lagrangian method which is particularly suited to the analysis of fracture due to its capacity to model large deformation and track the free surfaces generated. A continuum damage model is used to predict the fracture of rocks. Evolution of damage is predicted using the strain history of each particle. Damage inhibits the transmission of tensile stress between particles, and once it reaches unity, the particle is unable to transmit tensile stress, resulting in a macro-crack. Connected macro-cracks lead to complete fragmentation.Firstly, an Unconfined Compressive Strength (UCS) test under uniaxial compression of a rock sample is modelled using SPH and compared against experiments to validate the capability of SPH for prediction of fracture in rocks. The SPH prediction matched the well-known experimentally observed diagonal fracture pattern. SPH is subsequently used to simulate brittle fracture of rocks during impact. Rock specimens of different shapes are examined to determine the effects of shape on both the fracture pattern and the energy dissipation during impact fracture. Rock shape is found to have considerable influence on the fracture process, fragment sizes, energy dissipation, and post-fracture motion of the fragments.     

基于SPH方法铁路车轴遭受道砟撞击的数值模拟

基于非线性有限元软件LS-DYNA及其提供的SPH（smoothed particle hydrodynamics）算法,建立了高速铁路车轴遭受道砟撞击的计算分析模型,考察了不同撞击速度、道砟形状和尺寸,以及撞击角度工况下车轴的动态响应。给出了撞击力和车轴受撞击处变形的响应特征,分析了车轴最大残余变形与撞击力峰值之间的关系,探讨了不同工况下车轴的撞击损伤规律。结果表明,撞击力峰值和车轴变形（包括瞬态变形和残余变形）均随着撞击速度、道砟直径和撞击角度的增大而增大,车轴最大残余变形与撞击力峰值呈近似线性增大关系,车轴的量纲一压痕深度（残余变形）与吸收冲击能平方根成线性关系。     

旋转弹丸入水侵彻规律

为了建立高速弹体入水弹道的模型,利用数字式高速录像机实验研究了球形与普通手枪两种弹丸在三个入水角、六种发射速度下斜入水的水中弹道轨迹与空泡。实验结果表明,弹丸形状对入水弹道的稳定性有重要影响。球形弹丸在斜入水时弹道稳定性较好,而普通制式弹丸的弹道不稳定。在一定的入水角与速度范围内,球形弹丸入水初期弹道的空泡特性、弹道轨迹以及速度衰减规律具有一定的相似性。而对于水中速度随时间的衰减规律,则两种弹丸都具有一定的相似性,且表现出极强的速度衰减特性。给出了弹丸水中速度衰减规律的数学预报模型,并与实验结果进行了比较,理论结果与实验结果吻合较好。     

三维自适应FE-SPH耦合算法在多层间隔金属靶侵彻问题中的应用

鉴于有限元算法不能有效地模拟侵彻过程所产生的金属碎片, 本文中基于三维自适应FE-SPH耦合算法的基本理论, 自主开发了模拟多层间隔金属靶侵彻问题的三维FE-SPH耦合计算程序。该程序采用四面体单元对多层间隔金属靶侵彻模型进行初始离散, 计算过程中, 当四面体单元等效塑性应变超过某一设定值时, 单元自动转化为SPH粒子, 并引入有限单元-粒子接触算法和耦合算法, 实现大变形和破碎区域采用SPH方法计算, 克服有限元法单元畸变存在的问题。多层间隔靶侵彻算例分析表明, 三维FE-SPH耦合计算程序采用等效塑性应变作为转化判据计算结果较稳定, 并且能够有效地再现侵彻过程中所产生的碎片, 能够模拟侵彻碎片对后层靶的毁伤效应。     

截锥形弹体在液体介质中运动速度衰减规律分析

水面舰船被动防护体系中液舱的主要功能之一是阻止高速弹体（爆炸破片）对内部重要结构、设备和人员的威胁,高速弹体打击液舱的过程包含着复杂的能量传递与耗散。为了分析弹体形状对其在液体介质中运动速度衰减的影响, 开展了一系列不同头形因数的截锥形弹体在不同入水速度下弹体垂直侵彻液体介质过程的数值模拟,得到了垂直侵彻液体介质时弹体速度衰减特性,发现高速弹体在液体介质中运动的阻力因数与弹体形状和无量纲速度有关。基于对系列数值模拟计算结果的拟合分析,提出了计及头形因数的截锥形弹体 垂直侵彻液体介质时的速度衰减经验公式,通过开展数值算例分析验证了公式计算结果的可靠性。本文中提出的经验公式可实现对高速弹体在液体介质中速度衰减的准确快速计算,为舰船防护液舱结构设计提供一定的参考。