一种自适应轴对称FEM-SPH 耦合算法及其在高速冲击模拟中的应用

为了准确、高效地模拟高速冲击问题,提出了一种自适应轴对称有限元(FEM)-光滑粒子流体动力学(SPH)耦合算法。该算法在初始时刻全部采用FEM 计算,在动态变形过程中自动将畸变单元转化为粒子,采用SPH 计算。该算法采用一种新的耦合算法实现单元与粒子间的高精度耦合,并应用最小内角转化准则和单元分组转化方式实现单元向粒子的自动转化。计算了几个典型的高速冲击问题:首先,通过计算应力波传播测试了新的单元-粒子耦合算法的精度;然后,通过计算泰勒杆问题验证了自适应耦合算法及相应程序的正确性;最后,计算了弹体侵彻铝板和混凝土板。结果表明:自适应耦合算法计算精度好且效率高,适合模拟高速冲击问题。     

含化学反应膛口流场的无网格数值模拟

基于无网格方法,对包含大位移运动边界和非平衡化学反应的膛口流场进行了数值模拟。所发展算法是基于线性基函数最小二乘显式无网格方法,忽略黏性及湍流的影响,对流场采用ALE(arbitrary Lagrangian-Eulerian)形式的Euler方程描述,对流通量和化学反应源项采用多组分HLLC(Harten-Lax-van Leer-Contact)格式和有限速率反应模型计算,对于运动边界造成的点云畸形采用局部点云重构方法处理,重构过程中采用虚拟边阵面推进。对圆柱绕流和激波诱导燃烧流场进行了数值模拟,验证了重构方法和化学反应计算的有效性。最后对12.7 mm口径机枪膛口流场进行了模拟,结果同实验照片、非结构网格方法结果吻合较好,数值结果清晰地再现了膛口初始冲击波、膛口冲击波、欠膨胀射流波系结构的动力学发展过程,以及膛口焰的时间、空间分布特征。

     

炸药冲击响应的二维细观离散元模拟

用离散元法在颗粒尺度模拟了塑料粘接炸药的冲击响应。炸药的细观结构基于Voronoi拼图建成。以含孔洞和不含孔洞的炸药模型为例,说明细观结构对热点的形成和分布有重要影响。在这些算例中,粘塑性变形是温度局域化的主要原因,而摩擦和体积粘性等机制可以忽略。     

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。     

基于无网格Galerkin法的穿甲侵彻数值模拟

将无网格Galerkin法与LS-DYNA软件相结合,建立了穿甲侵彻的分析模型,对三维球形弹体侵彻双层无限大钢靶板进行了数值模拟,解决了该过程中出现的负体积现象,并将结果与空穴膨胀理论和有限元法进行了对比,所得结果证实了无网格Galerkin法在模拟穿甲侵彻时的可行性与优越性.     

非光滑方程组方法在求解非匹配网格接触问题中的应用

将非光滑方程组方法与Mortar StS接触模型(Mortar Segment-to-Segment)相结合,来求解接触面网格非匹配时的弹性接触问题.其中,非光滑方程组方法是求解弹性摩擦接触问题的有效方法,具有精确满足接触条件、迭代算法收敛性有理论保证的优点,但目前仅用于求解网格匹配的接触问题.Mortar StS接触模型可以较为方便地处理网格非匹配接触问题,其特点是不引入过多约束,满足接触分片检验条件,但目前大都采用“试验-误差”迭代方法求解控制方程,对于复杂接触问题,其收敛性不易保证.因此,将二者结合来处理网格非匹配接触问题,既可以提高求解精度,又能使得算法的收敛性得到理论保证.数值算例对接触分片检验和算法的计算精度进行了验证.     

无网格方法在平面粘弹性力学问题中的应用

本文综合应用无网格方法(EFGM)、线性粘弹性与弹性力学之间的对应原理,Laplace变换和逆变换等方法求解了拟静态平面弹性和粘弹性力学问题。首先,利用Laplace变换和逆变换推导了平面问题的粘弹性本构关系,建立了拟静态粘弹性平面问题的边值问题;其次,利用粘弹性与弹性力学之间的对应原理得到了Laplace变换域中平面问题的基本方程,在Laplace变换域中建立了相应的泛函,并得到了用无网格方法离散的控制方程;同时,求解了几个拟静态弹性和粘弹性平面问题,给出了它们的表达式和数值结果;最后,采用Laplace逆变换和数值逆变换,得到了粘弹性力学平面问题在物理空间中的解,并比较了由解析解和无网格数值方法所得到的数值结果,可以看到它们是非常吻合的。说明本文方法的正确性和有效性。     

基于核重构思想的配点型无网格方法的研究--一维问题

无网格方法按其离散原理可分为Galerkin型、配点型等。其中Galerkin型无网格方法的实施需要背景网格,不属于真正的无网格法;配点型无网格方法的实施不需要背景网格,是真正的无网格法。本文首先介绍了重构核点法的基本原理,然后基于核重构思想,与配点法相结合,以一维问题为例,研究了配点型无网格方法,对该方法构造过程中的近似函数及其导数的计算、修正函数的计算及方法的实现等问题进行了探讨。并结合若干典型算例,检验了其计算精度与收敛姓。     

无网格局部Petrov-Galerkin方法在弹塑性断裂力学问题中的应用

采用无网格局部Petroy-Galerkin方法来分析弹塑性断裂力学问题.这种无网格方法采用移动最小二乘法(MLS)来构造近似试函数和采用Heaviside函数作为加权残值法中的权函数,由于近似函数不满足KroneckerDelta条件,因此采用直接插值法来施加本质边界条件.如果不考虑体力,所形成的整体刚度矩阵只包含局部边界积分,而不包含局部域积分和奇异积分.采用增量Newton-Raphson迭代法来求解弹塑性增量形式的局部Petrov-Galerkin方程.数值算例结果表明,该文方法对于弹塑性断裂力学问题的求解是可行的和有效的,并且所得到的结果具有较好的精度.     

带源参数的二维热传导反问题的无网格方法

利用无网格有限点法求解带源参数的二维热传导反问题,推导了相应的离散方程. 与 其它基于网格的方法相比,有限点法采用移动最小二乘法构造形函数,只需要节点信息,不 需要划分网格,用配点法离散控制方程,可以直接施加边界条件,不需要在区域内部求积分. 用有限点法求解二维热传导反问题具有数值实现简单、计算量小、可以任意布置节点等优点. 最后通过算例验证了该方法的有效性.     

二维平纹编织C/SiC复合材料的超高速碰撞实验

利用电炮加载聚酯薄膜飞片分别对二维平纹编织C/SiC复合材料(2D-C/SiC)和LY12硬铝材料在3.4~9.5km/s速度下进行碰撞实验。利用光纤位移干涉仪测定了靶材的自由面速度,并对高速撞击碎片颗粒进行了收集,采用超声波扫描系统无损检测等方法对2D-C/SiC材料在超高速冲击载荷作用下的力学响应进行了检测。结果表明,随着冲击能量的增大,2D-C/SiC材料板自由面速度逐渐升高,损伤局部且面积逐渐增大,碎片云团作用区域逐渐变大。与铝板相比,2D-C/SiC材料碎片云团整体能量较小、作用区域较大、能量面密度较低,是飞行器防护结构设计中一种比较理想的防护材料。     

金属约束下定常非理想爆轰的理论研究

为了对金属约束条件下的定常非理想爆轰进行理论研究,对未反应炸药和爆轰产物采用JWL形式状态方程,对金属采用p(,T)形式状态方程。采用过爆轰前导冲击波的流线偏转角在影响域内沿高度线性变化的假设,并且由未反应炸药和金属的冲击波极曲线的交点确定爆轰冲击边缘角,则可从未反应炸药斜冲击波极曲线关系式求出爆轰前导冲击波阵面的形状。采用爆轰前导冲击波阵面之后的流线是直线的假设,则爆轰流动控制方程由偏微分方程变为沿流线的常微分方程,沿着所有流线求解便给出爆轰化学反应区内声速线与化学反应结束线的位置。理论分析同时给出约束金属折射冲击波后面的流体的流动状态。理论结果给出的爆轰化学反应区结构特征和约束金属内的流动状态特征与高精度数值模拟的结果符合良好,说明本文中给出的理论方法具有良好的合理性和适用性。     

前驱体相对物质的量的变化对氢氧气相爆燃制备纳米SiO2颗粒的影响

以SiCl4为前驱体,以H2 和O2 的混合气体为爆源,通过改变前驱体的相对物质的量,考察前驱体 的相对物质的量对产物的影响。并通过XRF、TEM 和XRD等测量手段对纳米SiO2粉体进行测试分析:通过 XRF对产物进行成分分析,测得所得产物主要由SiO2组成,且纯度达到99.9%以上;由XRD结果得出,生成 的SiO2产物属于典型的不定形结构;由TEM 图片可以得出,生成的产物粒径大小大部分在50~100nm 之 间,且呈圆球状。随着前驱体相对物质的量的增加,所得到的产物粒子逐渐出现粘结,分散性下降,前驱体相 对物质的量应该控制在1.25以内。     

异形传爆药柱的起爆能力

钝感主装药的出现,对引信爆炸序列中的传爆药柱提出了更新的要求,传统的圆柱形传爆药柱很难适应钝感主装药的可靠引爆要求。因此,本文中综合运用炸药冲击起爆理论、有效装药理论、聚能效应、拐角效应,设计了异形传爆药柱。利用主装药变组分法和主装药轴向钢凹法研究了异形传爆药柱的起爆能力。实验结果表明:在相同的条件下,异形传爆药柱的起爆能力强于圆柱形传爆药柱的起爆能力;在其他参数不变的情况下,异形传爆药柱的起爆能力受面积效应系数的影响,随着面积效应系数的增大,起爆能力增强。设计的异形传爆药柱能够满足钝感弹药爆炸序列的要求。     

超高性能水泥基复合材料抗多次侵彻性能研究

采用普通混凝土成形工艺和热水养护制度,制备出了抗压强度120~250 MPa的超高性能水泥基 复合材料。在获得优异静态力学性能的基础上,进行了超高性能水泥基复合材料抗多次侵彻研究,分析了侵 彻过程中的靶体破坏形态。根据获得的侵彻深度数据,在J.T.Gomez等提出的多次侵彻模型基础上,修正了 与靶体抗压强度有关的多次侵彻深度计算经验方程。     

深部地下工程岩爆预测的筛选蚁群聚类算法

为了提高仿生聚类算法的计算效率,对传统的蚁群聚类算法进行改进,采用数据合并机制提出了一种筛选蚁群聚类算法。采用筛选蚁群聚类算法,在岩爆工程实例资料分析的基础上,基于工程类比的思想判断岩爆的发生状态,提出了一种深部地下工程岩爆预测的新方法。通过多个煤矿深部地下工程岩爆实例的应用研究证明,和传统的蚁群聚类算法相比,在不显著增加计算难度和复杂度的情况下,新算法对工程实例的判断准确率更高,其准确率达92%,计算效果更好;而且,计算速度有较大幅度的提高,其计算时间缩短近40%,说明新算法的计算效率更高。因此,筛选蚁群聚类算法是一种比较实用的岩爆预测新方法,值得在深部地下工程岩爆研究领域推广应用。     

带空腔爆轰产物驱动准等熵加载技术与反积分数据处理技术

化爆加载技术常用来研究材料在冲击作用下的动态响应特性。通过在炸药与样品之间留一段空隙的办法,实现爆轰产物驱动的无冲击加载飞片技术用于研究材料在弱冲击或无冲击加载条件下的动态响应特性,利用二维程序模拟了整个实验过程,提出了装药直径对实验结果的影响。并利用反积分数据处理技术对实验数据进行了处理与分析。     

8km/s激光驱动飞片发射技术实验研究

实验研究了激光驱动飞片技术中激光能量剖面和飞片靶金属膜层的力学特性对飞片的速度和完整性的影响,认为激光能量剖面整体呈“平顶型”的光束是发射高质量飞片的基础,同时飞片靶的膜基附着力、金属膜层的强度和韧性三者之间应保持良好的匹配才能得到完整的飞片。制备了基底/Cr/Al复合结构飞片靶,利用波长1 064nm、脉宽15ns的激光,将直径1mm、厚度3μm的铝飞片稳定驱动至8km/s。

     

弹丸侵彻混凝土加速度信号测试及分析

针对弹丸侵彻混凝土加速度信息获取及实测信号失效问题,采用弹载存储测试系统进行了实验,并基于LS-DYNA进行了高速碰撞过程的数值模拟,经处理后的数据曲线与实测侵深符合较好,数值模拟计算结果与实验结果较吻合。通过实验分析与理论推导相结合的方式对应力波、测试装置的基础运动和安装结构刚度、加速度计安装方式等部分影响因素进行了实测加速度信号的影响分析,分析结果对高g值冲击测试问题具有一定的参考价值。     

水下爆炸近场非均熵流的特征线差分解法

提出了一种改进的特征线差分方法,根据力学基本方程推导出2族带有熵变修正项的特征线方程,并将质点迹线方程补充为第3族特征线方程,利用这3个特征线方程可以对水下爆炸冲击波及波后的非均熵流场进行求解。由于特征线差分法无需引入人工粘性项处理冲击波间断问题,所以减少了人为干预的影响因素。最后,应用这种改进的特征线法对质量分数比w(TNT)∶w(RDX)=40∶60的TNT/RDX炸药球的水下爆炸问题进行了数值模拟。在比例距离1R/R04的近场范围内,计算得到的冲击波峰值压力与文献实验数据的最大相对误差在13.1%以内,进一步证明了这种改进的特征线差分方法的正确性。