爆炸与冲击问题的大规模高精度计算

爆炸与冲击问题的数值模拟在国防和民用安全领域具有重要的工程实用价值.由于爆炸与冲击问题是一个多物质在高应变率、高温及高压条件下的强非线性的瞬态动力学问题,给数值模拟带来了很多的困难,为此,针对爆炸与冲击问题数值模拟中的一些关键和难点问题开展了研究.提出了三维非线性双曲守恒系统的伪弧长自适应网格算法,分析了算法的实现过程,数值结果表明该算法有效地提高了冲击波强间断处的分辨率.发展了针对气相爆轰数值模拟的附加龙格-库塔方法,对非线性对流项进行显示计算,化学反应源项进行半隐式计算,有效地解决了源项引起的刚性问题,计算结果表明该算法可以准确地捕捉和描述爆轰波的复杂结构和典型特征.针对三维工程实际物理问题中的大规模计算需求,给出了三维多物质流体动力学欧拉数值方法的并行化方法,开发了三维爆炸与冲击问题并行计算程序,并给出了针对该并行程序的测试方法.上述工作有利地解决了爆炸与冲击问题大规模、高精度计算中的一些难题.最后,开展了大口径聚能射流侵彻混凝土靶问题的数值模拟和实验研究,通过典型爆炸与冲击工程问题的计算验证了所研究数值方法的有效性.     

聚能射流对氧化铝陶瓷靶的侵彻特性研究

 建立了考虑损伤的求解靶板阻力的理论模型,以此来评估陶瓷靶板的抗侵彻能力;数值模拟了长杆弹侵彻氧化铝陶瓷靶的破坏特性,结合实验结果确定了氧化铝陶瓷本构模型中的材料参数。建立了聚能射流侵彻氧化铝陶瓷靶的计算模型,对射流的形成机理及氧化铝陶瓷靶的抗侵彻性能进行研究,讨论了药型罩的几何尺寸对所形成的射流速度及侵彻深度的影响。结果表明：药型罩的锥角和壁厚增大,射流速度减小,壁厚对射流速度梯度的影响较大;同样,药型罩的锥角对侵彻深度也有较大的影响。     

陶瓷靶抗射流侵彻的理论模型及数值模拟

以球型空腔膨胀理论为基础,提出了一个计算陶瓷靶板阻力的损伤模型,该模型考虑了损伤因子对陶瓷靶板弹道性能的影响.结合不可压缩流体力学理论,对射流侵彻陶瓷靶板的侵彻速度进行了理论值计算,并与未考虑损伤的侵彻速度进行了比较,该模型的计算结果更接近实验结果.建立了射流侵彻陶瓷靶板的数值计算模型,对铜射流侵彻陶瓷靶的动态破坏过程进行了研究,讨论了药型罩的锥角、壁厚对射流侵彻结果的影响,结果表明:相同锥角的药型罩,壁厚对陶瓷靶板孔径的影响较小;同壁厚的药型罩,随着锥角的增大,侵彻孔径增大.侵彻速度的数值模拟结果与理论结果进行了比较,得到了较好的一致性.     

冲击载荷作用下材料与结构的响应与防护

冲击载荷作用下材料与结构的响应与防护是固体力学和爆炸力学研究的热点课题,在国防工程和民用防护工程中有着重要的应用背景.本文主要评述了我国武器装备与防护工程常用材料与结构在冲击载荷作用下响应与防护的国内外研究现状与发展趋势,内容涉及材料的动态力学特性、本构关系和结构的变形与破坏等方面,着重探讨了混凝土、钨合金、陶瓷等材料的动态本构特性以及混凝土坑道、舰船等结构的防护作用机理.     

有机玻璃的几何形状对爆炸切割影响的研究

为了改善现有的航空弹射救生系统,提高飞行员安全逃生的成功率,提出了微爆索切割技术在航空穿盖弹射救生系统中的应用。采用非线性动力显式程序LS-DYNA3D,对有机玻璃平板元件、航空舱盖的微爆索切割过程进行了数值计算分析,得到了不同装药量下有机玻璃平板元件、航空舱盖的切割深度,对比了有机玻璃的几何形状对微爆索切割深度的影响。模拟结果表明:有机玻璃平板切割实验对航空舱盖切割实验具有一定的指导意义,研究结果也可为微爆索线性切割航空舱盖的实验设计提供依据。     

聚合物泡沫材料动态力学性能及其能量吸收研究

 通过落锤实验,对发泡聚乙烯（EPE）、发泡聚丙烯（EPP）材料的动态力学性能进行了研究,提出了一种获得聚合物泡沫材料在恒定应变率下本构曲线的方法,建立了EPE的Low Density Foam本构模型。以此为基础,探索了在冰箱跌落过程中,聚合物泡沫包装材料的能量吸收以及对冰箱抗跌落冲击的保护能力。     

Analysis of cavitation problem of heated elastic composite ball

The cavitation problem of a composite ball under a uniform temperature is investigated, and the ball is composed of two elastic solid materials. The nonlinear mathematical model of the problem is established with the finite logarithmic strain measure for a large geometric deformation and by the Hooke law for elastic materials. The analytic solutions in a parametric form are derived for the thermal dilatation of the composite ball with a large elastic deformation. Solution curves are given to describe the variations of the critical temperature in the cavitation with the geometric and material parameters. The bifurcation curve is also given to reveal the cavity growth after void nucleation. The numerical results for a computational example indicate that the radius of the cavity will rapidly grow above the critical temperature, and the loop stress will become infinite when void nucleation. This means that the materials near the cavity will produce a plastic deformation leading to local failure and fracture if the material of the internal ball is elastoplastic. In addition, the cavitation of the composite ball appears at a low temperature if the elastic property of the material of the internal ball is nearly uncompressible.     

受热弹性复合球体空化问题的分析

研究了由两种弹性固体材料组成的复合球体,在均匀变温场作用下的空化问题.采用了几何大变形的有限对数应变度量和Hooke弹性固体材料的本构关系,建立了问题的非线性数学模型.求出了复合球体大变形热弹性膨胀的参数形式的解析解.给出了空穴萌生时临界温度随几何参数和材料参数的变化曲线,以及空穴增长的分岔曲线.算例的数值结果指出:超过临界温度后空穴半径将迅速增大,并且空穴萌生时环向应力将成为无限大,这意味着如果内部球体是弹塑性材料,则会在空穴表面附近产生塑性变形而造成材料的局部损伤.另外,当内部球体材料的弹性接近于不可压时,复合球体可以在较低的变温下空化.     

铁木辛柯梁中的卸载弯曲波及二次断裂

半无限长梁承受恒定弯矩作用后, 如果自由端的初始弯矩突然释放, 将在梁中激发出一列卸载弯曲应力波. 采用铁木辛柯梁和瑞利梁来研究突然卸载所激发出的弯曲波的传播特征. 利用拉普拉斯变换方法进行分析, 首先推导出铁木辛柯梁和瑞利梁中的卸载弯曲波的像函数解析解, 采用数值反变换方法给出了时域上波传播的响应解, 并研究了梁中各点的横向位移、弯矩和剪力随时间的变化规律. 计算结果表明: 与简化的欧拉梁不同, 旋转惯性的引入使铁木辛柯梁和瑞利梁中的弯曲波传播具有强烈的局部化效应, 特别是梁中各点经历的弯矩变化, 和其距离自由端的位置相关, 不同时刻的弯矩峰值大小不同;瑞利梁中离自由端不同距离各点的峰值弯矩先增大后降低, 最后达到一个渐近值;铁木辛柯梁中各点的峰值弯矩总体上随着时间单调增大到同一个渐近值, 该渐近值与欧拉梁中的峰值弯矩值相同, 均为1.43.切应力效应的引入进一步降低了铁木辛柯梁中卸载弯曲波的波速, 同时也使得铁木辛柯梁中弯矩峰值的最大值小于瑞利梁中的最大值. 对于脆性细长梁的纯弯曲断裂, 铁木辛柯梁可以较好地预测二次断裂的发生位置, 相应的碎片尺寸约为7倍梁横截面厚度.      

陶瓷材料动态压缩损伤本构模型

运用细观损伤力学理论,从动态压缩载荷下陶瓷材料内翼型裂纹的产生和扩展的损伤机理出发,建立了陶瓷材料的弹脆性动态损伤本构模型,给出相应的损伤演化方程.假设裂纹成核满足Weibull分布,讨论了成核分布参数、原始缺陷尺寸对材料动态断裂应力、断裂应变的影响,并用动态损伤演化模型计算了冲击载荷下AD90陶瓷的动态应力应变曲线,计算结果和实验结果符合很好.