超高速撞击产生碎片云相分布数值模拟

空间碎片与航天器的撞击速度通常大于10 km/s,这种速度条件下撞击过程的物理特点是高温、高压和高应变率,同时伴随着熔化、汽化及等离子体等相变问题发生。利用AUTODYN/SPH的二次开发功能,在程序中嵌入Sesame状态方程数据库和铝材料的相图,数值模拟出撞击速度为5.0和5.6 km/s时的防护屏穿孔直径分别为9.02 mm和9.34 mm,计算结果与实验结果符合较好,说明物理建模及参数的选取合理,同时也验证了数值模拟方法的正确性及有效性。通过计算给出碎片云的热力学量压力和温度分布,结合铝的相图,对超高速撞击产生碎片云的相分布进行了初步计算,给出了碎片云中固、液、气相的分布范围。     

超高速撞击产生碎片云相分布数值模拟

空间碎片与航天器的撞击速度通常大于10 km/s,这种速度条件下撞击过程的物理特点是高温、高压和高应变率,同时伴随着熔化、汽化及等离子体等相变问题发生。利用AUTODYN/SPH的二次开发功能,在程序中嵌入Sesame状态方程数据库和铝材料的相图,数值模拟出撞击速度为5.0和5.6 km/s时的防护屏穿孔直径分别为9.02 mm和9.34 mm,计算结果与实验结果符合较好,说明物理建模及参数的选取合理,同时也验证了数值模拟方法的正确性及有效性。通过计算给出碎片云的热力学量压力和温度分布,结合铝的相图,对超高速撞击产生碎片云的相分布进行了初步计算,给出了碎片云中固、液、气相的分布范围。     

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。     

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。     

空间碎片超高速撞击压力容器碎片云特性数值模拟研究

 针对空间碎片超高速撞击充气压力容器问题,应用非线性动力学分析软件AUTODYN-2D,采用SPH方法对碎片云在高压气体中的运动特性进行了数值模拟研究。在建模过程中,分析比较了材料状态方程对数值模拟结果的影响,并通过与实验结果的比较,选取了适合该问题的状态方程,验证了数值模拟方法的有效性。结果表明：由于容器内压气体的存在,碎片云运动发生减速,并且碎片云的轴向扩展速度相对于碎片云的径向扩展速度减速较慢;高速撞击产生的碎片云与容器内的高压气体发生了强烈的相互作用,碎片云尖端产生的钉状物及高压气体中产生的冲击波是控制容器在撞击后发生进一步破坏的两个重要因素。     

碎片云动量特性数值仿真研究

 铝合金球形弹丸高速撞击薄铝板时,会造成薄铝板穿孔并自身发生破碎,在铝板前后两侧产生碎片云,分别为反溅碎片云和穿透碎片云。反溅碎片云及穿透碎片云具有各自的动量特性,对其动量特性的研究有助于为碎片云理论建模提供依据。采用AUTODYN V6.0软件对直径为6.35 mm的Al 1100-O球形弹丸高速正撞击6种厚度的Al 6061-T6薄板进行了数值仿真计算,撞击速度为1.0～5.0 km/s。得到上述两种碎片云的动量,确定了动量值随撞击速度v及薄板厚度δ的变化规律。同时,利用仿真得到的动量数据,采用多元回归方法,分别建立了两种碎片云动量模型。最后,对美国国家航空航天局（NASA）报告给出的7种工况下的撞击实验进行了数值仿真计算,并将动量值与实验结果进行了比较,得到的比较结果可用以分析数值仿真的有效性。     

超高速撞击中影响碎片云形状因素分析

 应用光滑粒子流体动力学（SPH）方法对铝球弹丸正撞击防护屏进行了数值模拟研究，将计算结果同相应的实验结果进行了比较，二者符合得很好。在此基础上分析了撞击速度、防护屏厚度、铝球直径、材料、弹丸形状、间隙量等因素对碎片云的影响规律。并以碎片云的长度和径向尺寸为指标，应用正交设计方法对撞击速度、防护屏厚度、铝球直径三因素对指标的影响主次关系进行了分析研究，防护屏厚度是碎片云长度的主要影响因素，而弹丸直径是碎片云径向的主要影响因素。     

二维欧拉多介质流体力学数值模拟-TVD＋VOF方法

用TVD格式结合VOF界面处理方法编制了二维多介质高分辨欧拉程序，以解决冲击波和多介质界面处理。程序包括单介质网格高精度流体力学计算、多介质网格内界面重构、各种介质输运和压力驰豫平衡过程。其中单介质网格的计算采用Harten二阶TVD格式结合MacCormark方法计算含有源项的非齐次守恒定律方程组，通过4节点限制函数保证格式单调。多介质网格采用Youngs方法构造界面，采用x，y方向分裂格式计算体积份额输运，再根据体积份额输运计算质量、动量和能量的输运，最后利用等熵条件计算各种介质的压力驰豫平衡过程。     

三维弹塑性流体力学自适应欧拉方法研究

 研究了三维多介质弹塑性流体力学欧拉数值方法的网格自适应技术,编制了可计算多介质弹塑性流体力学问题的三维自适应欧拉程序,解决了计算弹塑性问题时应用网格自适应方法所遇到的一系列关键问题,如网格细分和合并规则,父网格或子网格物理量的填充,幻影网格的选择、填充及存储方案,插值函数的选择及如何选择时间步长等问题。给出了侵彻、爆轰等弹塑性问题的数值算例,验证了方法的有效性。     

基于特征长度的非球形弹丸超高速撞击碎片云特性研究

 根据ORDEM2000模型和卫星标准解体模型（SBM）,确定空间中真实空间碎片的典型形状和撞击姿态。利用AUTODYN仿真软件,基于碎片特征长度,对立方体、方形薄片超高速撞击产生的碎片云进行三维数值模拟,从形状、质量分布、速度分布与能量分布深入分析碎片云特性,并与通用的球形标准弹丸进行比对。结果表明：弹丸形状及撞击姿态对碎片云特性有显著影响,立方体和方形薄片弹丸角撞击时产生的毁伤能力最大,而球形弹丸最小。因此,基于标准球形弹丸获得的弹道极限方程低估了航天器遭受空间碎片撞击损伤的风险,而基于真实碎片特征长度的弹丸形状效应研究将对现行的球形弹丸弹道极限方程（或曲线）做出更合理的修正。     

三维多介质欧拉方法混合网格的有限体积计算格式

在采用Youngs界面重构技术的基础上，对三维欧拉方法混合网格的计算格式进行了研究。运用Youngs技术确定界面后，混合网格内每一部分物质一般不再是正规的六面体结构，可能是非规则的四面体、五面体、六面体或七面体。本文采用对非规则网格适应性很强的有限体积法对每一部分分别进行计算，给出了混合网格内每种物质的压力、速度、能量等的计算公式，比较有效地解决了混合网格的计算问题。     

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。     

高空核爆炸碎片云早期扩展规律研究

利用磁流体力学理论建立了描述碎片云运动的壳层模型,采用该模型模拟了美国Starfish高空核爆炸试验碎片云的运动参数,通过与文献模拟结果的比对,验证了所建模型的正确性.针对典型大当量和小当量核爆的不同,重点模拟了千吨级利百万吨级核武器在100,400和1500 km高度爆炸时碎片云运动扩展情况,分析了当量的差异引起的扩展规律的不同.结果表明:高空核爆炸时不同爆炸条件和大气环境对碎片云的扩展规律有着显著的影响,不同方向上碎片云的环境参数差异明显.     

碎片云超高速撞击声发射信号特征分析

为了掌握带防护屏的航天器结构受空间碎片超高速撞击时的声发射信号特征,利用二级轻气炮发射球形弹丸撞击铝合金双层板结构,获取了碎片云撞击铝合金板舱壁产生的声发射信号,并利用小波包技术和能量熵理论对信号进行了分析。实验结果表明:弹丸初始速度、防护屏厚度及弹丸直径是决定二次碎片云形态及声发射信号特征的重要因素;在本实验工况范围内,小波包能量熵值能够描述声发射信号频率的复杂程度;当弹丸初始速度处于破碎段(3~7km/s)时,随着初始速度的增大,二次碎片云进一步细化,撞击产生的声发射信号幅值趋于减小、频率成分趋于复杂化,其小波包能量熵值逐渐增大;防护屏厚度对声发射信号的小波包能量熵值影响较大,弹丸直径对其影响较小。研究结果有助于实现对碎片云撞击舱壁结构的损伤模式识别。     

金属圆筒内爆轰波对碰效应的欧拉数值模拟

运用基于Youngs技术的多介质欧拉方法及应用该方法研制的二维多介质弹塑性流体动力学欧拉程序meph2d对金属圆筒内爆轰波相互作用过程进行了数值模拟并获得成功，计算图像与实验照片吻合，计算结果与实验测量结果符合较好。说明采用多介质欧拉方法可以对此类爆轰波相互作用及爆轰驱动问题进行有效的数值模拟。     

欧拉计算程序实现非均质炸药冲击起爆的数值模拟

爆轰的数值模拟研究多采用Lagrangian方法，这是因为Lagrangian网格随质点运动，介质之间的界面用滑移面来描述，故能精确地计算介质的界面。但在遇到网格扭曲和网格变形时，计算往往无法继续进行，这时就要用到网格重分等技术，这无疑增加了人为干预和计算误差。Eulerian方法能计算大变形问题，但不能精确地描述物质的界面，对于模拟平面撞击实验，爆轰波在单种介质中传播，对物质界面几乎没有要求。所以，Eulerian方法在模拟此类问题较Lagrangian方法具有明显的优势。     

孔洞增长与汇合的数值模拟

在研究延性材料的层裂过程中，微孔洞的成核、增长与汇合是主要问题。在二维平面条件下，应用二维拉氏有限元弹塑性流体力学程序(LTZ-2D)，在动态拉伸作用下，对多种形状的孔洞增长、相互作用和汇合进行了数值模拟。结果表明，初始非圆形孔洞在动态拉伸作用下，经过了一定时间后，孔洞的增长均趋近于圆形。如果在孔洞周围允许材料损伤断裂的话，当孔洞继续长大到一定程度时，将产生破裂并且汇合。以铜材料为例，     

基于MP-PIC模型的流化床煤气化过程三维数值模拟

本文以多相流质点网格模型(MP-PIC)为基础,采用欧拉-拉格朗日方法,建立了流化床煤气化过程的三维可压缩数理模型,该模型同时考虑了稠密气固流动,传热传质和相内、相间的化学反应。通过不同操作参数下模拟计算,获得反应器内的流型、气体组分分布、化学反应速率变化等规律。模型计算所得的出口气体组分与实验结果进行了比较,数值模拟与实验吻合。