高速碰撞数值计算中的SPH分区算法

针对高速碰撞问题大变形局部化的特点,提出一种分区计算的光滑粒子法.将整个计算域划分为若干子域,在可能发生大变形的子域布置较多的粒子,其它子域布置较少的粒子.分析子域交界面上产生计算不稳定的原因并提出解决方案.采用该方法对长杆弹侵彻厚靶板问题进行数值模拟,并与传统方法进行对比.结果表明,分区算法在保证计算精度的前提下,能显著提高光滑粒子法的计算效率.     

高速碰撞SPH方法模拟中的初始光滑长度和粒子间距

采用光滑粒子流体动力学方法对高速碰撞问题作数值模拟,分析初始光滑长度和非一致粒子间距对计算结果的影响,提出修正光滑长度法,并引入XSPH速度纠错公式.数值结果表明,初始光滑长度越大,弹丸的刚性越小,h₀的合理取值范围应为d₀<h₀≤1.5d₀;粒子间距越小,材料的刚性越小.非一致粒子间距和均匀粒子分布的计算结果吻合的较好.     

重构核粒子法对光滑粒子法的改进效果

光滑粒子法通过核函数进行近似估计,在计算域边界附近,核估计的精度明显下降.重构核粒子法通过校正函数对核函数进行重新构造,提高核估计方法在边界点和内点上对函数的估计精度以及计算的稳定性.研究发现,虽然校正函数的构造立足于对函数的精确估计,但这个优势同样能在对导数的估计中继续保持.通过理论研究及数学、物理模型的模拟,展示重构核粒子法的改进效果,揭示其能够提高精度的原因.     

等直径微液滴碰撞过程的改进光滑粒子动力学模拟

运用一种改进光滑粒子动力学(SPH)方法模拟了相溶和不相溶两种情况下的等直径微液滴碰撞动力学过程. 为提高传统SPH方法的数值精度和稳定性, 采用一种不涉及核导数计算的核梯度改进形式; 为处理液滴界面张力采用修正的van der Waals表面张力模型. 通过模拟牛顿液滴碰撞聚并变形过程并与相关文献或试验结果进行对比, 验证了改进SPH 方法模拟微液滴碰撞过程的可靠性. 随后, 研究了基于van der Waals模型相溶聚合物微液滴碰撞聚并变形过程及不相溶微液滴碰撞后的反弹、分离过程, 讨论了碰撞过程中碰撞速度、碰撞角度、密度比等参数对碰撞变形过程的影响, 分析了流体桥、旋转角度等因素的变化情况. 关键词： 光滑粒子动力学 微液滴 聚合物液滴 碰撞     

FE-89程序及其对高速碰撞问题的数值模拟

本文简要地介绍了二维流体-弹塑性流FE-89程序的方法特点,给出了检验模型的计算与实验结果的比较,模拟计算了厚组合飞片与薄壁园筒的高速碰撞问题,给出了基本图象和部分定量结果。     

水射流对煤体冲击的有限元与光滑粒子耦合法数值模拟

采用光滑粒子与有限元耦合算法对高压水射流冲击煤体进行了数值模拟,建立了长为5mm、半径为2mm的圆柱形水体以不同速度冲击煤体的计算模型。根据计算结果,分析了煤体在高压水射流冲击下的损伤模式、煤体中的应力波传播形式、煤体在高压水射流作用下的临界破煤压力。     

物体入水的光滑粒子法模拟

利用LANS-α(Lagrangian-averaged Navier-Stokes-alpha)模型对传统的光滑粒子法进行改进.通过模拟半浮力和零浮力水平圆柱的入水过程,验证改进的光滑粒子法.模拟结果与实验以及其它数值模拟结果符合的很好,表明改进的光滑粒子法适用于研究物体入水问题.     

溃坝流的光滑粒子法模拟

用光滑粒子法模拟几种情况的溃坝流动,对坝外无水和有水的情况进行二维模拟,对坝外有立柱的情况进行三维模拟.流动控制方程采用雷诺平均方程模拟溃坝流动的湍流效应,采用混合长度形式的涡粘模式对控制方程进行封闭,推导其相应的光滑粒子形式的方程.模拟结果表明,数值模拟的流动特征与实验结果符合得非常好,说明发展的光滑粒子法有效.     

光滑粒子动力学方法中粒子分布与数值稳定性分析

光滑粒子动力学(SPH)作为一种拉格朗日型无网格粒子方法,已经成功地应用于包括含多相流动界面以及移动边界的可压缩和不可压缩流体运动的研究中.通过对Poiseuille流动的深入研究,探索了SPH方法中粒子分布对计算精度的影响,揭示了一种因为粒子不规则分布而导致的数值不稳定现象.研究显示,这种数值不稳定性起源于SPH方法粒子近似过程中的不连续性.使用了一种新的粒子近似格式以确保SPH方法中粒子近似的连续性.计算结果表明,这种新的粒子近似格式对于规则和不规则的粒子分布都能得到稳定精度的结果.     

超高速碰撞碎片云特征的SPH方法数值分析

 采用光滑粒子流体动力学（SPH）方法对不同形状的弹丸超高速碰撞形成的碎片云特性作了模拟分析,给出了靶孔直径和碎片云宽度随碰撞速度的变化规律、同一速度下不同形状的弹丸累积碎片分布规律、同种弹丸不同速度下的累积碎片分布规律、弹丸初始半径范围内的碎片云无量纲向前总动量M_D/M₀随膨胀距离L_E的变化以及碎片云前端速度的变化规律等。通过数据拟合,进一步给出了累积碎片百分数与碰撞速度和碎片质量的近似函数关系,计算表明该函数关系与数值结果吻合的很好。     

含泡沫铝防护结构的超高速撞击数值模拟研究

 泡沫铝是一种新型航天器防护材料,拥有良好的抵御空间碎片超高速撞击的特性。模仿泡沫金属的生产原理,建立了泡沫金属微结构几何模型,结合自编的光滑质点流体动力学程序进行了超高速撞击数值仿真,通过与实验结果的对比,验证了模型的有效性。提出了两种含泡沫铝的空间碎片防护结构,即填充泡沫铝结构和夹层泡沫铝结构。对这两种结构分别进行了仿真计算,获得了其撞击极限曲线。分析结果表明,在空间碎片防护领域涉及的大部分撞击速度区间内,填充泡沫铝结构的防护性能优于夹层泡沫铝结构。     

光滑粒子流体动力学有限元法接触算法研究

 耦合光滑粒子流体动力学（SPH）方法和有限元法（FEM）,是研究冲击动力学问题的一种有效途径。为解决SPH粒子和有限单元间的接触问题,提出了SPH-FEM接触算法。该算法是在有限元节点处设置背景粒子,采用SPH接触算法的思想,计算施加在SPH粒子和有限元节点上的接触力,并且以外力的形式分别加入到SPH动量方程和有限元动力学方程中。利用SPH-FEM接触算法,对两杆撞击以及圆柱形钢弹正冲击钢板发生的冲塞破坏过程进行了三维数值模拟,靶板采用含损伤的Johnson-Cook模型和Grüneisen状态方程,模拟结果与实验结果吻合较好。     

SPH后处理研究

提出一套相对完整的光滑粒子流体动力学(SPH)后处理方法.凸区域和严重变形的非凸区域上的SPH计算结果都可用该方法处理.首先,对SPH粒子集进行Delaunay三角化,可得到由粒子作为节点的三角单元集;根据每个单元中三个节点是否彼此为粒子作用对,决定是否将该单元从单元集中删除.将保留下的单元作为有限单元并利用它们节点上的函数值,根据有限元插值方法即可得单元内部任何一点的函数值.根据该方法,可提取介质的自由表面.数值算例表明方法可行.对含固体壁面、严重粒子飞溅、多重介质互相作用的情况,提出相应对策;为SPH以至其它无网格方法形成较通用的后处理软件提供可行的途径.     

弹丸超高速撞击铝靶成坑数值模拟

 低地球轨道的各类航天器易受到微流星体及空间碎片的超高速撞击,损伤航天器飞行关键系统,进而导致航天器发生灾难性的失效。微流星体及空间碎片防护结构设计,是航天器设计的一个重要问题。采用AUTODYN软件进行了弹丸超高速正撞击及斜撞击铝靶成坑的数值模拟,给出了二维及三维模拟结果。研究了弹丸密度、弹丸形状、板厚度、弹丸速度、弹丸直径和弹丸撞击入射角等对靶成坑的影响。模拟结果同实验结果进行了比较,模拟的成坑形状和特征尺寸同实验相吻合。验证了数值模拟方法的有效性。     

超高速正撞击溅射物实验与仿真研究

 随着人类航天活动日益频繁,由微流星体和空间微小碎片超高速撞击航天器表面反溅生成的溅射物,对空间碎片环境的影响将越来越大。利用2017-T4铝合金球弹丸超高速正撞击5A06铝合金靶板进行了地面模拟实验与数值仿真计算,研究了反溅碎片特性参数,其中包括溅射物的平均速度、平均尺寸、平均溅射角,为空间碎片溅射物模型的建立奠定基础。采用多元回归方法,确定了溅射物平均速度与弹丸速度、弹丸尺寸之间的函数关系。研究表明,利用光滑粒子法（SPH）进行数值仿真计算,可以有效模拟溅射物平均尺寸、平均速度、平均溅射角;溅射物平均速度随弹丸速度、弹丸尺寸的增加而增加;溅射物基本呈圆锥形反溅,溅射物平均溅射角在41°左右,基本不受弹丸速度、弹丸尺寸的影响。     

SPH方法在液固撞击数值模拟中的应用

对液滴分别采用光滑粒子流体动力学(SPH)和任意拉格朗日-欧拉(ALE)两种方法模拟液滴高速冲击有机玻璃(PMMA)过程中液滴的变形、固体结构的损伤.结果表明:两种算法中结构表面的损伤情况与Brunton实验数据吻合,证明了数值分析方法的可行性和精确性;此外,对比发现SPH方法模拟液固撞击过程更具有优势.利用SPH方法分析实际工程问题,验证了两种工程处理技术可以有效地提高螺旋桨抗雨水的冲击能力.     

弹丸超高速撞击防护屏碎片云数值模拟

 低地球轨道的各类航天器易受到微流星体及空间碎片的超高速撞击。这些撞击损伤航天器飞行的关键系统,进而导致航天器发生灾难性失效。为了保证航天员的安全及航天器的正常运行,微流星体及空间碎片防护结构设计是航天器设计的一个重要问题。采用AUTODYN软件进行了弹丸超高速正撞击及斜撞击防护屏所产生碎片云的SPH法数值模拟,给出了二维及三维模拟结果;研究了防护屏厚度、弹丸形状、撞击速度以及材料模型等对碎片云的影响。模拟结果同高质量实验研究的结果进行了比较,模拟的碎片云形状和碎片云特征点的速度同实验相吻合。验证了数值模拟方法的有效性。