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.     

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。     

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。     

SPH方法在聚能装药射流三维数值模拟中的应用

采用有限元软件LS-DYNA中的SPH算法实现聚能装药射流形成过程的三维数值模拟.将SPH方法和FEM方法与理论计算结果相比较.研究结果表明:SPH数值模拟计算过程十分稳定,避免了有限元数值模拟过程中的网格扭曲、缠绕和物质穿透等问题,而且计算精度比有限元方法更高;采用SPH方法计算的射流速度、射流长度与有限元计算结果和...     

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。     

大锥角聚能装药射流形成及对多层靶侵彻的数值模拟研究

运用改进的网格线示踪点法MOCL(MarkOnCellLine)二维多流体欧拉程序 ,对大锥角聚能装药射流的形成及侵彻多层金属靶的全过程进行了数值模拟研究 ,计算结果与试验结果较吻合。这种连贯性的模拟能力避免了数值计算中对射流的许多人为假定。计算和试验结果表明 ,该聚能装药所形成的射流质量约占整个药型罩质量的 32 % ,兼有聚能射流和爆炸成型弹丸的特点 ,更适合于穿透多层大间隔金属靶。     

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.     

304L/Q235B大面积金属板爆炸焊接物质点法模拟分析

大面积金属板材304L/Q235B的爆炸焊接过程涉及炸药爆轰、金属板材的高速碰撞和塑性变形等。采用有限元法计算模拟这个问题时,网格单元会发生扭曲畸变现象,导致计算精度下降,甚至出现单元负体积而使计算终止,并且炸药爆轰形成气体产物飞散过程也很难模拟。为了能模拟大面积金属板材的爆炸焊接整个过程并获得合理的技术工艺参数,采用物质点法进行三维数值模拟分析。物质点法作为一种无网格法,在模拟冲击动力学问题中主要采用显式积分算法。通过将拉格朗日质点单元与固定的欧拉背景网格相结合,可以实现爆炸焊接的复板与基板的高速碰撞、炸药滑移爆轰、金属板面的塑性变形过程的数值模拟,并给出爆炸复合板材的形变、有效塑性应变和复板与基板的碰撞速度的计算结果。采用物质点法模拟的复合板材变形与爆炸焊接实验结果基本一致。计算复板与基板的碰撞速度这个重要的物理参数时,物质点法与Richter理论公式的相对误差不超过13%。数值计算和实验结果表明,物质点法在数值精度和计算效率方面具有优势,物质点法是研究金属焊接爆炸问题的一种有效数值方法。     

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.     

GPU-accelerated smoothed particle hydrodynamics modeling of jet formation and penetration capability of shaped charges

The prediction of the penetration of three-dimensional (3D) shaped charge into steel plates is a challenging task. In this paper, the smoothed particle hydrodynamics (SPH) method is applied to simulate the jet formation generated by the shaped charge detonation and its damage to steel plates. The Jones–Wilkins–Lee (JWL) equation of state (EOS), Tillotson EOS, and elastic–perfectly plastic constitutive model were incorporated into SPH for the modeling of explosive detonation and dynamic behavior of metal material. The compute unified device architecture (CUDA) parallel programming interface has been employed in SPH to improve the computational efficiency of SPH. Firstly, the constitutive models and EOSs are validated by 3D TNT slab detonation and aluminum–aluminum (Al–Al) high velocity impact. Then the jet formation of the shaped charge detonation and its penetration into the steel plates are investigated using the graphics processing unit (GPU)-accelerated SPH methodology. The numerical results of these test cases are compared against the published experimental data or analytical result, which shows that the GPU-accelerated SPH methodology is capable of tackling the 3D shaped charge detonation and penetration involving millions of particles with high computational efficiency.     

Meshfree particle simulation of the detonation process for high explosives in shaped charge unlined cavity configurations

The numerical simulation of the detonation of a high explosive (HE) is generally not an easy task for traditional grid based methods. Smoothed particle hydrodynamics (SPH) method, as a meshfree, Lagrangian and particle method, provides a very attractive approach in dealing with large deformations and large inhomogeneities in the extremely transient high explosive detonation and later expansion process. This paper presents the application of SPH to simulate and analyze the detonation process of high explosive in shaped charge. A three-dimensional SPH code is developed and applied to simulate the shaped charge detonation process in different scenarios. It is observed that for high explosive in a shaped charge, the detonation produced gaseous products experience strong convergence that forms an extremely high-pressure gas jet. Factors such as different charge cavity shapes and different detonation models lead to quite different behavior of the gas jet convergence and later divergence. Further analyses reveal that a critical value for the charge head length exists. Beyond this critical value, increasing the charge head length will not result in improvement on the gas jet convergence performance.Received: 11 March 2002, Accepted: 9 December 2002, Published online: 28 April 2003     

一种高精度欧拉算法在成形装药金属射流问题中的应用

构建了一套高精度的求解成形装药金属射流问题的数值方案,给出了适用于欧拉程序的同时考虑塑性温升和冲击温升的计算方法,通过固体炸药爆炸的经典算例证明了程序是高精度的。对成形装药金属射流进行了模拟,给出了炸药的起爆、金属衬垫的失效以及射流的形成过程。研究了衬垫形状对射流形状、速度和温度的影响,通过数值分析发现,随着衬垫顶角的增大,射流的长度变短,速度减小,衬垫材料的利用率有所增加;在爆炸载荷作用的初期,衬垫的温度随着衬垫顶角的减小而增大,而当射流形成并趋于稳定之后,4种衬垫构型产生的射流温度十分接近。     

聚能射流侵彻页岩储层损伤裂隙形成机制

为研究药型罩对聚能射孔弹侵彻页岩储层的射孔和损伤致裂效果的影响机理，建立了射孔弹-空气-页岩三维模型，设置药型罩的锥角分别为50°、60°、70°和80°，壁厚分别为0.5、1.0和1.5 mm，材料分别为铜、钢、钛和钨。利用ANSYS/LS-DYNA软件进行数值计算，分别从射流速度与形态、页岩射孔效果及页岩孔裂隙形成规律特征等进行系统性分析。研究结果表明：在射孔弹结构中，随着药型罩锥角的减小，射流速度提高、杵体速度降低、侵彻深度增大同时开孔孔径减小。在一定范围内，适当减小药型罩的壁厚，可以提高射流速度、减小杵体质量、增大侵彻深度和开孔倾斜度。药型罩材料对射流速度、杵体结构和页岩射孔效果均有显著影响，其中钨药型罩射孔弹的侵彻深度最大但开孔孔径最小，钛药型罩射孔弹的侵彻深度最小但开孔倾斜度最大，铜比钢药型罩射孔弹的侵彻深度略大但开孔孔径略小。通过研究不同对照组的页岩孔裂隙形成规律特征发现，页岩孔裂隙发育主要发生在杵体对页岩的再扩孔阶段，减小射流初始扩孔孔径、增大杵体直径、提高杵体速度，可以促进页岩孔裂隙发育程度。     

基于微裂纹界面摩擦生热的点火模型

开展了基于微裂纹界面摩擦生热的细观点火模型研究,采用有限元方法对包含化学反应放热和摩擦生热的热传递方程进行了离散求解,计算模型中考虑了炸药颗粒熔化对升温过程的影响。着重分析了点火模型中主要参数(热点尺度、应变率和界面压力)对炸药点火的影响规律。数值研究表明,随着热点尺度的增大,热点的温度上升越快,越容易发生点火;应变率越大或者界面压力越高,热量积累越快,炸药越容易点火。     

射流对工业炸药的引爆及侵彻机制

本文用脉冲X光摄影技术及电探极-记录仪系统,对射流引爆及侵彻工业炸药的过程进行了观测,探讨了的流引爆及侵彻工业炸药的机制,给出了射流与工业炸药作用过程的物理图象。     

爆破中双线型聚能药包最佳成缝角度

为探究聚能张开角对双线型聚能药包结构炸药有效利用率和聚能效应的影响，通过瞬时爆轰假说理论对有效聚能炸药边界方程进行推导，分析不同聚能张开角聚能装药结构炸药的有效利用率；通过水泥砂浆物理模型试验，研究不同聚能张开角预裂孔成缝规律；采用LS-DYNA数值模拟软件，建立不同聚能张开角数值模型，揭示不同聚能张开角的双线型聚能结构药包射流的侵彻过程。研究结果表明聚能张开角为75°时，炸药产生聚能效应的有效利用率最大；聚能结构药包聚能槽张开角为75°时，预裂孔成缝效果明显优于聚能槽张开角为60°的聚能结构药包，沿聚能槽方向应力集中效应和侵彻深度最佳，炮孔壁上岩石单元最先达到应力峰值。针对聚能张开角为75°的双线型聚能结构药包开展了不同岩性预裂爆破现场试验，板岩和白云岩两种不同岩性，在孔距增大20%的条件下，双线型聚能预裂爆破效果优于常规预裂爆破。