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.     

无网格MPM法三维爆炸焊接数值模拟

物质点法MPM(Material Point Method)是无网格方法之一.它是在质点网格法(PIC)基础上发展而来的一种新数值方法,它利用了欧拉法和拉格朗日法两者的优点,计算物质点在冲击载荷下的应力和应交;通过物质点来跟踪材料体的变形和破损,而在整个计算过程中背景网格始终固定不变,避免了重新划分网格.本文应用MPM法计算三维爆炸焊接问题,在爆轰载荷作用下的飞板和基板的金属动态变形过程进行了三维数值模拟,并且对飞板的碰撞点速度和爆轰压力变化进行了计算分析.     

爆炸焊接复合界面波与温度场物质点法分析

爆炸焊接是一门双金属复合工程技术,在炸药爆轰载荷驱动下,飞板高速冲击基板时,两金属板复合界面处在高温高压作用下材料发生塑性流动并形成周期性波状界面,波状界面的形成与复合界面处的材料熔化和变形直接相关。本文应用物质点法对爆炸焊接界面波的形成和界面温度场进行数值模拟,同时开展双金属爆炸焊接实验,并结合物质点法的三维数值模拟对爆炸焊接界面波的形态和界面材料高温软化进行分析。     

爆轰波碰撞聚能无网格MPM法数值模拟

爆轰聚能经常被应用于工程爆破切割,为了探索新的聚能爆破形式,本文应用无网格MPM法对圆柱筒装药和导爆索多点起爆形式的爆轰波碰撞聚能问题进行三维数值模拟,采用显式积分算法完成爆轰波形成和汇聚过程以及爆轰压力场分布的数值计算,并将数值模拟结果与实验结果做了对比分析。由此验证了无网格MPM法的准确性,也为炸药聚能爆破提供了新的思路和高效的操作方法。     

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。     

多相介质爆炸冲击响应物质点法数值模拟

为了解决当炸弹在近场爆炸时爆轰波驱动破碎的弹片共同作用于混凝土墙壁的过程中所涉及的多物理场计算和多相介质耦合分析等问题,利用物质点法(material point method, MPM)不需要考虑物质间的分界面、耦合条件自动满足等特点,应用无网格MPM法对两种类型的炸弹（带金属外壳和不带金属壳）产生的爆炸场、弹片破碎和混凝土墙壁的破坏进行数值模拟。数值结果表明,无网格MPM法是计算多相介质爆炸效应的一种有效的算法。     

土中爆炸冲击混凝土道面的数值模拟

炸药在多相介质中的爆炸是气态爆轰产物和固态介质之间的耦合作用问题，对其进行数值模拟一般不考虑炸药而直接将爆轰压力加在介质上，而耦合方法对炸药和其周围的介质进行离散，炸药和介质采用统一的控制方程，通过界面条件实现相互作用。任意拉格朗日欧拉（Arbitary Lagrangian and Eularian）法，是最近兴起的适用于计算固体大变形问题的数值计算方法。将其引入爆炸力学计算，可以避免由于物质的大变形引起的单元畸变和计算困难。同时混凝土的损伤模型，更加符合混凝土在高应变率加载条件下的力学特性和破坏机理。将这三种方法引入数值模拟，计算结果与相关试验结果有较好的吻合。     

爆炸焊接界面波物质点法三维数值模拟

基于冲击动力学和爆炸焊接理论,采用物质点法对爆炸焊接界面波的形成进行三维数值模拟。通过数值模拟结果与爆炸焊接实验结果的对比,对复合界面材料的塑性流动变形以及界面波形成的机理进行探讨。结果表明:界面波是因为在碰撞点处的金属材料发生熔化并产生涡旋流动形成的;同时也说明采用物质点法模拟爆炸焊接界面波的形成是可行的。     

大幅板爆炸焊接脱焊问题的数值模拟

为了解决大面积钛钢板爆炸焊接工程应用中复合板边界区的局部脱焊现象,利用动力非线性数值 模拟,考察了大幅板爆炸焊接的动态过程,通过分析爆焊过程中不同时刻复板飞行姿态,发现了在大幅板爆炸 焊接过程中存在褶皱变形,发生位置与实际工程中大幅板的脱焊位置一致,指出应特别注意复板的褶皱变形, 并解释了褶皱变形出现的原因,为爆炸焊接工艺技术的改进和发展提供了参考。     

爆炸焊接基复板间隙中的气体冲击波

通过分析研究爆炸焊接基复板间隙中的气体运动,建立了冲击波传播的理论模型,通过理论分析和计算说明了基复板间存在气体冲击波管道效应。管道效应使复合板尾部在爆炸焊接形成前发生上翘,造成板尾部焊接能量偏大,或使尾部炸药压死,是工程中长大复合板尾部焊接质量降低或失效的主要原因。还通过建立简化模型,分析了复合板宽度、各种保护性气体和粗真空对管道效应的影响,说明了选择爆炸焊接保护气体的原则,进而使用氦气保护进行了钛钢、铝镁爆炸焊接实验验证,为气体保护爆炸焊接、真空爆炸焊接技术的进一步开发研究奠定了理论基础。     

滑移爆轰驱动下飞板运动姿态的连续电阻测试法

飞板运动姿态的测定是爆炸焊接机理研究的基础,针对传统电测方法存在干扰因素多、易产生弯曲波等缺陷,设计了一种适用于野外大当量下爆炸焊接飞板姿态实验的连续电阻测试方法。研制了3种不同结构的梯形支架型连续电阻探针元件,利用有限元程序分析了探针的导通压力和响应时间,在此基础上,对3种探针实施了爆炸焊接实验,实验结果表明:金属丝网型探针元件具有最优的导通效果,各段测试曲线光滑无毛刺。以该探针数据计算获得了待测飞板的运动姿态曲线,并与Richter简化模型下的近似计算公式结果进行了对比,两者基本一致。所述测试方法实现了炸药爆速和飞板变形曲线的连续、可靠和快速测量,为滑移爆轰驱动问题、爆轰产物状态方程等的研究提供了测试方法补充。     

大幅板爆炸焊接界面质量的板幅尺寸效应研究

摘要：由于爆炸焊接工艺过程的特殊性,大幅板爆炸焊接中存在的结合面焊接缺陷问题产生的原因一直未能得到明确揭示,本文利用非线性动力数值模拟,考察了3.5m~7.0m钛钢大幅板爆炸焊接质量问题产生的原因,发现大幅板爆炸焊接过程中复板存在褶皱变形现象,指出褶皱变形的出现与所用板幅尺寸比例密切相关,随着板幅尺寸比例的变化,褶皱变形持续时间、影响范围置以及最大褶皱深度存在规律性变化。     

材料强度对爆炸焊接结合界面的影响

为了研究爆炸焊接结合界面机理及材料强度对爆炸焊接的影响，采用相同的爆炸焊接参数对不同强度的基板进行了爆炸焊接。通过光学显微镜、扫描电子显微镜以及数值模拟技术对焊接试样的形貌、缺陷以及焊接机理进行了分析。结果表明:当材料强度较低时，碰撞点动压与基板材料强度的比值较高，界面出现较大的塑性应变并生热，此时界面熔化区较大，在焊接过程中可以将界面等效为不可压缩流体；当材料强度较高而碰撞点动压与基板强度的比值较低时，试样界面形貌受材料强度的影响较大。随着材料强度的上升，周期性的波状界面逐渐趋于平直。界面熔化现象减弱但温升速率较高，并受碰撞点附近高压出现热失稳现象形成剪切带及裂缝。此时材料强度的影响不可忽略，界面不能等效为不可压缩流体。     

流固耦合数值方法在点爆发散爆轰驱动平板飞片中的应用

采用Eulerian/Lagrangian耦合方法对炸药与飞片直接接触的爆轰驱动问题进行了数值模拟.其中对炸药和环境气体应用Euler方法、对飞片应用Lagrange方法分别计算,流体与固体接触面采用Ghost Fluid方法和外插技术进行处理,全程模拟了炸药起爆、爆轰波传播、大板变形和运动等过程,着重分析了大板飞片后...     

爆炸复合中起爆区不定常段的确定

对2岩石炸药的定常爆轰形成过程进行了实验研究;对起爆端稀疏波效应进行了计算。实验结果表明,距起爆端约10倍装药厚度以内为不定常爆轰区。距离起爆端小于5倍装药厚度时,飞板速度及碰撞角增幅较大,5～10倍装药厚度,两者增幅趋缓,10倍装药厚度以后,爆速、飞板速度及碰撞角逐步进入定常状态。飞板碰撞角的工程计算与实验结果的一致性较好。