基于拟流体模型的SPH新方法及其在弹丸超高速碰撞薄板中的应用

引入颗粒动力学理论(拟流体模型)建立了适用于超高速碰撞的SPH新方法。将超高速碰撞中处于损伤状态的碎片等效为拟流体,在描述其运动过程中引入了碎片间相互作用和气体相对碎片的作用。采用该方法对球形弹丸超高速碰撞薄板形成碎片云的过程进行了数值模拟,得到了弹坑直径、外泡碎片云和内核碎片云的形状、分布,并与使用传统SPH方法、自适应光滑粒子流体动力学(ASPH)方法的模拟结果进行对比,结果显示:新方法在内核碎片云形状和分布上计算结果更加准确。同时对Whipple屏超高速碰撞问题进行了研究,分析了不同撞击速度下防护屏弹坑尺寸及舱壁损伤特性等特性,计算结果与实验吻合较好且符合Whipple防护结构的典型撞击极限曲线。     

基于深度学习的超高速碰撞碎片云生成模型

数据驱动的模型已经被广泛研究，并成功应用到了计算力学。基于深度学习技术，提出一种新的采用数据驱动的碎片云生成模型。此模型可以学习SPH数值模拟结果，然后在多种控制条件下快速生成碎片云。在模型训练前的数据预处理阶段，对SPH模拟结果进行空间网格划分和质量聚合，实现了改善数据分布规律、加速模型训练和提升模型泛化性的目的。以高速靶球撞击薄壁圆筒后的碎片云质量分布为例，模拟并测试了多种控制条件下深度学习模型计算结果的正确性和稳定性，以及计算速度的高效性。实验证明，深度学习模型可以从训练集学习碎片云的物理规律，然后在训练集控制参数范围内进行良好的推理及插值；并且可以在训练数据集控制参数范围外，进行小范围推理预测；同时深度学习模型的计算速度远快于SPH方法。通过深度学习方法建立碎片云模型，可能是一种在空间飞行器防护结构原型设计阶段，实现碎片云实时生成的潜在方案。     

碎片云的毁伤潜力

提出了超高速碰撞研究的工程算法模型,并采用该模型来模拟弹丸超高速撞击薄板形成的碎片云对后靶的破坏毁伤情况,与超高速碰撞实验相比较,数值模拟结果与实验结果较为一致。采用的工程算法模型很好地描述了超高速碰撞现象,定性地给出了碎片云的毁伤潜力。     

碎片云SPH方法数值模拟中的材料失效模型

光滑粒子流体动力学方法（smoothed particle hydrodynamics,SPH）被广泛应用于薄板超高速撞击碎片云的数值模拟。利用AUTODYN软件中的SPH模块,考察了无失效模型、Grady失效模型和最大拉应力失效模型3种方案下碎片云模拟结果,发现无失效模型时计算结果及材料表现与实验明显不符;相比于Grady失效模型,最大拉应力失效模型下材料更难失效,将小幅度减弱碎片云扩散程度,碎片总数减少,粒子聚集产生更大碎片,碎片云侵彻性能提高,增大模型失效阈值亦有上述表现。相比而言,Grady失效模型计算结果更符合实验,但2种失效模型间差异与撞击工况相关,材料破碎越充分差异越小。     

基于深度学习的超高速碰撞碎片云生成模型

数据驱动的模型已经被广泛研究,并成功应用到了计算力学。基于深度学习技术,提出一种新的采用数据驱动的碎片云生成模型。此模型可以学习SPH数值模拟结果,然后在多种控制条件下快速生成碎片云。在模型训练前的数据预处理阶段,对SPH模拟结果进行空间网格划分和质量聚合,实现了改善数据分布规律、加速模型训练和提升模型泛化性的目的。以高速靶球撞击薄壁圆筒后的碎片云质量分布为例,模拟并测试了多种控制条件下深度学习模型计算结果的正确性和稳定性,以及计算速度的高效性。实验证明,深度学习模型可以从训练集学习碎片云的物理规律,然后在训练集控制参数范围内进行良好的推理及插值;并且可以在训练数据集控制参数范围外,进行小范围推理预测;同时深度学习模型的计算速度远快于SPH方法。通过深度学习方法建立碎片云模型,可能是一种在空间飞行器防护结构原型设计阶段,实现碎片云实时生成的潜在方案。     

球形弹丸正撞击薄板防护屏碎片云特性研究

以质量、动量和能量守恒为基础,结合平面激波理论和热力学理论,对球形铝弹丸正撞击薄板铝防护屏形成的碎片云特性进行了建模,模型计算结果与实验结果吻合较好。利用该模型对多种工况下碎片云特性进行了计算,结果表明:(1)碎片云质心速度和膨胀速度随撞击速度和弹丸直径的增加而增大,随防护屏厚度增大而减小;膨胀半角随撞击速度和防护屏厚度的增大而增大,随弹丸直径的增大而减小;(2)速度和膨胀半角变化曲线具有相似性;(3)对于给定的弹丸和防护屏材料,碎片云中受到激波加载部分的材料各相态质量分数只与弹丸撞击速度有关。这些规律与实验规律吻合。     

平纹编织C/SiC复合材料低速冲击数值模拟

首先,基于空气炮装置进行了2D-C/SiC薄板在冲击速度为79~219 m/s范围内的低速冲击实验,对碎片云团发展过程进行高速摄影记录;其次,基于Autodyn软件正交各向异性复合材料模型,推导2D-C/SiC材料相关参数;选取SPH求解器建立二维计算模型,对实验工况进行数值模拟,并基于碎片云结构、B扫描检测结果和碎片云轴向发展速度验证了该模型可以很好地描述C/SiC材料在冲击载荷作用下的脆性特征和软化行为。最后,基于数值模拟结果推导得出了钢弹丸冲击C/SiC材料的极限侵彻深度预测公式。     

基于最优运输无网格法的Whipple屏超高速撞击数值模拟

Whipple屏是航天器防护空间碎片撞击的常用结构。现有的方法在模拟Whipple屏超高速撞击时均存在问题，本文采用最优运输无网格法（optimal transportation meshfree, OTM）对其进行模拟。OTM法是一种拉格朗日无网格法，其特点是运用最优运输理论对时间进行离散，采用带有位置信息的节点和带有材料信息的物质点对空间进行离散，利用局部最大熵（local maximum entropy, LME）方法得到插值函数，基于能量释放率来判断材料是否失效。本文首先用OTM法对铝球超高速撞击单层铝板进行模拟，通过与实验结果和各类SPH法的计算结果对比，验证了OTM法在超高速撞击问题上的适用性；然后采用OTM法对Whipple屏超高速撞击进行模拟，将OTM法预测的缓冲墙与后墙的损伤情况与实验结果进行对比，结果显示OTM法不仅能准确预测缓冲墙的弹孔直径，也能很好地模拟出后墙的剥落、穿透情况和碎片云的形态。     

用冲击波应力历史曲线确定材料物态方程参数

提出一种确定材料物态方程参数的新方法，即从一次平面碰撞实验中单个拉格朗日量计记录的应力历史曲线出发，建立非线性优化模型，进而确定材料的物态方程参数。计算结果表明了这种方法的有效性。还考察了权重的选取对于最后优化结果的影响。     

蜂窝夹芯板与Whipple结构对撞击能量吸收与耗散的特性比较

通过数值仿真模拟弹丸高速撞击蜂窝夹芯板和Whipple结构,研究蜂窝芯对弹丸碎片云形态的影响;并研究了弹丸、蜂窝夹芯板、Whipple结构的能量吸收与耗散。结果表明:弹丸撞击蜂窝夹芯板后碎片云形态呈近似椭球体,且长半轴明显较长,而弹丸撞击Whipple结构的碎片云形态呈近似球体;蜂窝芯吸收的能量随弹丸的破碎程度的增强而增加;弹丸能量衰减主要发生在撞击蜂窝夹芯板的前后面板和Whipple结构的两层板,蜂窝芯的吸能作用使得Whipple结构吸收的能量高于蜂窝夹心板面板吸收的能量。     

超高速碰撞问题的三维物质点法

简要介绍了物质点法（material point method）的离散原理,通过引入Johnson-Cook材料模型和Mie-Gruneisen状态方程,将其用于超高速碰撞问题的分析中,并编制了相应三维物质点法程序MPM3D。该方法避免了拉格朗日格式因网格畸变产生的数值困难,也克服了欧拉格式材料界面跟踪问题以及因非线性对流扩散项而引起的数值困难。利用该程序对Taylor杆高速碰撞问题和空间碎片防护超高速碰撞问题进行了数值模拟,所得数值结果与实验结果基本吻合,验证了程序的正确性,说明了物质点法在分析超高速碰撞问题时相对于有限元法的优势。     

疏松金属材料冲击温度理论分析

以热力学原理和固态物质的三项式物态方程为基础,由密实物质的冲击绝热线和热力学状态,通 过等容线法推导出了疏松金属材料的冲击温度理论计算方法。以铁为例,分析了几种物理参数对该模型计算 结果的影响。计算和分析结果显示,利用新模型得到的计算结果与已有实验结果吻合较好,误差均在5%以 内。疏松金属材料的冲击温度受Grneisen系数、电子Grneisen系数影响不大,而密实度、冲击压力和电子 比热系数则会对疏松金属材料冲击温度产生较大影响。     

修正金属本构模型在超高速撞击模拟中的应用

为更加准确地计算93钨合金弹超高速撞击Q345钢板问题,构建了修正的金属本构模型。引入GRAY三相物态方程描述材料相态变化,采用Johnson-Cook强度模型描述撞击后期材料的力学行为。结合封加波损伤演化模型以及Johnson-Cook失效模型描述不同应力三轴度下材料的拉伸、剪切失效行为;引入曹祥提出的断裂演化模型,描述材料失效后应力归零的过程。通过对比超高速撞击数值模拟结果与实验结果,验证了本构模型的适用性,并进一步分析了典型弹靶撞击条件下破片群的空间分布特征。研究结果表明:基于修正金属本构模型获得的超高速撞击靶板穿孔直径、弹体侵蚀长度、破片群扩展速度结果与实验结果一致;GRAY三相物态方程能够相对准确地给出弹体撞击首层靶板以及剩余弹体、破片群撞击第2层靶板时弹靶材料的熔化情况;封加波损伤演化模型能够准确判断超高速撞击过程中靶板是否产生层裂破坏;综合封加波损伤演化模型、Johnson-Cook失效模型以及曹祥提出的断裂演化模型后,数值模拟获得的破片群撞击后效靶板的穿孔面积与累积数量的统计曲线结果与实验结果一致;获得了典型条件下的柱形93钨弹体超高速撞击Q345靶板破片群空间分布结果,破片群的前端具有较高的质量、轴向动量以及横向动量（绝对值）。     

超高速撞击数值仿真结果分析

为了分析超高速撞击过程的宏观现象和内在机理,对9.53 mm铝球以6.64 km/s的速度撞击2.2 mm厚的铝靶的SPH仿真结果进行了量化分析。结果表明:采用SPH方法以及Steinberg弹塑性模型和Mie-Grneisen状态方程,可获得与试验相符的仿真结果;球形破片开坑或穿孔直径遵循初始快速增加、然后缓慢增加,直至稳定的变化规律;破片/靶板界面的最大撞击压力比材料强度大两个量级以上;靶板阻抗力最大值发生在破片最大直径侵入靶板时刻;碎片云的运动过程具有自相似演化特征,其运动范围不会超出碎片云的包络圆锥范围。     

ICE自由面台阶靶数据处理的直接计算方法

斜波压缩台阶靶实验中，不同厚度界面粒子速度历史与材料压缩特性参数存在联系。然而利用普遍采用的数据处理方法无法直接获得该联系。本文中借助特征线理论在建立上述关联的基础上，实现未知EOS下斜波压缩流场的直接计算过程。经数值计算表明，该方法不仅在无强度效应数据处理中能够准确计算理论值，而且在含有强度效应数据处理中也能够较好地逼近理论值，并可在真实实验数据处理中获得与文献符合较好的结果。该研究可为探索具有较完整理论的强度效应数据处理方法提供新途径。     

预张力纤维织物超高速碰撞热-力学特性分析

高性能纤维织物承力层承担充气舱的内压载荷,并为充气舱提供空间碎片防护。充气舱内压载荷将导致纤维织物承力层产生预张力,并对纤维织物的空间碎片超高速碰撞特性产生显著影响,从而影响其空间碎片防护性能。为分析预张力对纤维织物超高速碰撞过程中热-力学特性的影响,采用Johnson-Cook强度模型和Mie-Grüneisen状态方程建立了纤维材料热-力耦合材料模型,利用有限元法-光滑粒子流体动力学耦合算法对纤维织物的纱线编织结构进行离散建模,并通过施加张力载荷实现纤维织物靶板的预拉伸,进而建立了预张力纤维织物超高速碰撞数值模型,分析并得到了预张力作用下纤维织物超高速碰撞热-力学特性及空间碎片防护性能。结果表明:在弹丸超高速碰撞下,随着预张力的提高,纤维织物穿孔面积增大,碎片云扩散角减小,弹丸动能吸收率降低,碰撞区域温度降低。预张力的存在显著降低了纤维织物的空间碎片防护性能。     

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。     

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.     

Predicting fracture and fragmentation in ceramic using a thermo-mechanical basis

In this paper, the corrective smoothed particle method (CSPM) numerical algorithm as a modification of traditional SPH particle method has been employed to predict fracture and fragmentation in ceramics using a thermo-mechanical basis under hypervelocity impact conditions. In order to study the brittle behavior in ceramic, the JHB computational constitutive model which considers phase transition in a solid continuum has been applied. An appropriate heat conduction equation has been coupled with the Johnson–Cook yield criteria in order to get more accurate temperature field especially in impact zone which consequently gives a more exact solution in such problems coming with highly produced magnitude of pressure and temperature in the material. It has been shown that implementation of the CSPM scheme with a thermo-mechanical basis can predict the brittle fracture and fragmentation in ceramics under hyper velocity impact conditions.     

一种从离散模拟到连续介质弹性模拟的过渡方法

提出了一种从离散分子动力学模拟(MD)到连续介质弹性有限元计算分析(FEA)的过渡方法, 简称MD-FEA方法. 首先通过MD计算获得晶体材料原子的移动位置, 然后根据晶体结构的周期性特征构造连续介质假设下的有限单元变形模型, 进一步结合材料的力学行为本构关系获得应变和应力场. 为了检验MD-FEA方法的有效性, 将该方法应用于详细分析Al-Ni软硬组合两相材料纳米柱体的拉伸变形问题和基底材料为Al球形压头材料为金刚石的纳米压痕问题. 采用MD-FEA方法获得了上述两种问题的应力?应变场, 并将计算结果分别与传统MD方法中通过变形梯度计算的原子应变以及原子的位力应力进行了比较, 详细讨论了用MD-FEA方法计算的应力?应变场与传统MD原子应变和位力应力的区别, 并对MD-FEA方法的有效性及其相较于传统MD方法所具有的优势进行了探讨. 结论显示, MD-FEA方法与传统MD方法在应力?应变变化平缓的区域得到的结果接近, 但在变化剧烈的区域以及材料的表/界面区域, MD-FEA方法能够得到更加精确的结果. 同时, MD-FEA方法避免了传统MD方法中, 需要人为选取截断半径以及加权函数所导致的误差. 另外, 当应变较大时, MD-FEA方法计算的小应变与传统MD方法计算的格林应变存在一定差异, 因此, MD-FEA方法更适合应变较小的情形.