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。     

钢制弹丸冲击混凝土时绝热剪切局部化的数值计算

为描述弹丸材料冲击混凝土时的绝热剪切过程,根据冲击条件下绝热剪切局部化的一维分析结果,给出冲击混凝土弹丸材料的绝热剪切局部化模型并引入到数值分析中。为了既能描述混凝土的非线性变形及断裂特性又要保持分析过程中材料界面的清晰,混凝土划分成光滑粒子并使用无网格光滑粒子动力学算法,而弹体划分成有限元网格并使用有限元算法。结果显示,利用本文中给出的绝热剪切局部化模型计算得到的弹丸内绝热剪切局部化区域与实验中的破坏位置一致。     

一种新型SPH-FEM耦合算法及其在冲击动力学问题中的应用

为了充分发挥光滑粒子流体动力学方法(smoothed particle hydrodynamics,SPH)在处理大变形和有限元(finite element method,FEM)问题时计算精度高的优势,提出了一种新型SPH-FEM耦合算法.该耦合算法在大变形区域使用SPH粒子离散,其余区域使用有限元离散.在耦合界面...     

弹、塑性弹丸冲击混凝土的滑移面算法及其损伤演化

将有限元方法与光滑粒子动力学方法相结合,编制了弹、塑性弹丸冲击混凝土的计算程序,其中给出具有人工动量输运功能的滑移面算法。计算表明,弹丸按弹、塑性计算与按刚体计算的侵彻过程不同;特别对于壳结构弹体,其冲击速度存在临界值。超过临界冲击速度,弹体将发生较大塑性变形和损伤破坏,而且弹丸侵彻深度不能再随冲击速度增加而有效地增加。弹体损伤区的内损伤演化率与冲击速度有关,当冲击速度增加时损伤演化加快。     

SPH-FEM接触算法在冲击动力学数值计算中的应用

为了充分发挥光滑粒子流体动力学方法(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)易于处理大变形以及有限元(Finite Element Method,FEM)计算精度和效率高的优势,论文基于无网格粒子接触算法,在有限元节点处设置背景粒子,通过接触力的方式计算SPH粒子和有限单元之间的接触问题...     

弹丸侵彻混凝土的SPH算法

给出了弹丸侵彻混凝土的数值计算,其中弹体作为刚体处理并划分成Lagrangian标准有限元网格,而混凝土划分成光滑粒子并经历大应变、高应变率和高压作用。为了描述混凝土的非线性变形及断裂特性,在计算中引入了Holmquist Johnson Cook本构模型及损伤模型。计算结果与实验结果的对比表明,利用光滑粒子流体动力学方法对混凝土材料进行大应变、高应变率的变形计算是有效的,并可避免网格重分或网格消蚀。此外,将光滑粒子流体动力学方法和有限元方法结合可以保持计算过程中材料界面的清晰。     

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...     

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。     

基于SPH-FEM耦合方法的柔性导爆索分离装置爆炸分离过程数值模拟

为深入研究柔性导爆索在爆炸分离装置中的作用过程和机理,提出一种改进的光滑粒子流体动力学方法（smoothed particle hydrodynamics, SPH）与有限单元法（ finite element method, FEM）耦合算法。新方法中不仅包含导爆索模拟的SPH方法与分离装置模拟的FEM方法之间的接触算法,同时将完全损伤失效后的单元采用转化算法动态转化成SPH粒子继续参与计算,转化后的粒子与未转化的有限单元之间采用接触算法计算。采用该方法对环型和平板型两种爆炸分离结构的分离过程进行了数值模拟,验证了新方法的准确性与问题适用性;分析了分离板的变形断裂及损伤碎片的飞溅过程,得到了分离装置表面不同时刻的应力分布、损伤因子的变化趋势、von Mises应力的变化趋势;探讨了炸药在不同比内能情况下单元的屈服损伤速度、碎片的飞溅位移速度。     

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.      

靶板厚度对卵形弹丸垂直贯穿中等厚度混凝土靶的影响

为研究卵形弹丸贯穿中等厚度混凝土靶体的贯穿规律,开展直径60 mm尖卵形弹丸贯穿不同厚度混凝土靶体的侵彻实验,获得了不同撞击速度的弹丸贯穿不同厚度混凝土靶体的剩余速度规律。结合无网格SPH方法、RHT混凝土本构以及状态方程,对贯穿实验进行数值模拟,对不同工况下的弹丸过载规律以及靶体的损伤过程的分析发现:弹丸贯穿中等厚度混凝土靶体的贯穿过程分为开坑阶段、隧道稳定侵彻阶段以及靶背影响出靶阶段,在相同初始撞击速度下的靶背影响区的厚度随着靶体厚度的增加而增大。实验结果与数值模拟结果对比,表明模型能够有效模拟弹丸贯穿混凝介质问题,研究结果可为贯穿机理的研究提供参考。     

非球弹丸超高速撞击航天器防护结构数值模拟

采用AUTODYN软件对非球弹丸超高速正撞击航天器单防护屏防护结构进行了数值模拟，给出了2维及3维模拟的结果。研究了在相同质量和速度的条件下，不同形状弹丸长径比、撞击方向等对超高速撞击防护结构所产生碎片云特性及舱壁损伤尺寸的影响，并与球形弹丸撞击所产生的碎片云及舱壁损伤进行了比较。结果表明:弹丸的长径比越大，弹丸的穿孔能力越强；非球弹丸的撞击方向不同，所产生的碎片云形状、质量分布、破碎的程度和穿孔的能力是不同的。     

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。     

Semi-theoretical analyses of the concrete plate perforated by a rigid projectile

Based on the three-stage perforation model, a semi-theoretical analysis is conducted for the ballistic performances of a rigid kinetic projectile impacting on concrete plates. By introducing the projectile resistance coefficients, dimensionless formulae are proposed for depth of penetration (DOP), perforation limit thickness, ballistic limit velocity, residual velocity and perforation ratio, with the projectile nosed geometries and projectile-target interfacial friction taken into account. Based on the proposed formula for DOP and lots of penetration tests data of normal and high strength concrete targets, a new expression is obtained for target strength parameter. By comparisons between the results of the proposed formulae and existing empirical formulae and large amount of projectile penetration or perforation tests data for monolithic and segmented concrete targets, the validations of the proposed formulae are verified. It is found that the projectile-target interfacial friction can be neglected in the predictions of characteristic ballistic parameters. The dimensionless DOP for low-to-mid speed impacts of non-flat nosed projectiles increases almost linearly with the impact factor by a coefficient of 2/(πS). The anti-perforation ability of the multilayered concrete plates is dependent on both the target plate thickness and the projectile impact velocity. The variation range of the perforation ratio is 1–3.5 for concrete targets.     

12.7 mm弹侵彻不同强度钢靶的数值模拟

针对12.7 mm弹侵彻不同强度钢靶时可能出现子弹保持完整或发生破碎的情况,过去的数值模拟仅限于模拟单一模式的子弹侵彻行为。为了克服这种数值模拟的局限性,开展了模型算法、网格尺寸对模拟结果影响的研究,并将模拟结果与实验结果进行了对比,提出了一种能够用于模拟子弹保持完整或破碎的弹靶模型。研究结果表明,为模拟子弹保持完整状态,子弹和靶板应分别采用基于Lagrange算法的有限元法和光滑粒子算法,而且子弹网格尺寸和靶板粒子间距之比应至少保持在5.3左右,否则弹头会产生与实验结果不符合的异常变形。但是,在模拟子弹发生破碎侵蚀时,该比例的网格/粒子尺寸比会引起计算中止。为了克服该问题,进一步建立了一种弹体表面采用大尺寸网格、内部采用细化小尺寸网格的有限元/光滑粒子法耦合弹靶模型。计算结果表明,改进的弹靶模型可模拟子弹保持完整或者发生破碎的情况。