爆炸焊接界面波物质点法三维数值模拟

基于冲击动力学和爆炸焊接理论,采用物质点法对爆炸焊接界面波的形成进行三维数值模拟。通过数值模拟结果与爆炸焊接实验结果的对比,对复合界面材料的塑性流动变形以及界面波形成的机理进行探讨。结果表明:界面波是因为在碰撞点处的金属材料发生熔化并产生涡旋流动形成的;同时也说明采用物质点法模拟爆炸焊接界面波的形成是可行的。     

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.     

爆炸焊接复合界面波与温度场物质点法分析

爆炸焊接是一门双金属复合工程技术,在炸药爆轰载荷驱动下,飞板高速冲击基板时,两金属板复合界面处在高温高压作用下材料发生塑性流动并形成周期性波状界面,波状界面的形成与复合界面处的材料熔化和变形直接相关。本文应用物质点法对爆炸焊接界面波的形成和界面温度场进行数值模拟,同时开展双金属爆炸焊接实验,并结合物质点法的三维数值模拟对爆炸焊接界面波的形态和界面材料高温软化进行分析。     

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。     

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.     

使用新型物态方程的超高速碰撞物质点法模拟

为更准确地对超高速碰撞进行数值模拟、获得与实验结果相似度更高的碎片云形态,利用分子动力学方法求解材料的冷能、冷压,并结合Grover定标律方程,建立了一种表达形式简洁、可处理相变影响的新型物态方程,并代入自编柱坐标物质点法计算程序,使用新型物态方程计算所得的碎片云与使用Mie-Grüneisen、Tillotson等传统物态方程的计算结果相比,在尺寸、形态方面均能够与实验结果更好地吻合,证明了新型物态方程的有效性。

     

球对称形式物质点法及其在水下爆炸中的应用

利用物质点法求解三维远场水下爆炸冲击响应问题时,爆炸冲击波到达结构物之前传播过程的计算会消耗大量的计算资源,影响求解效率。针对这一问题,并考虑到水下爆炸冲击波在自由场中的传播特点,提出了一维球对称形式的物质点法,对球形炸药水下爆炸过程进行了数值模拟,并与Cole公式以及DYNA计算结果进行了比较,结果吻合较好,验证了一维球对称形式物质点法的正确性。在此基础上,提出了基于物质点法的重映射算法,将爆炸冲击波在自由场中的传播过程在一维球对称模型中进行计算,并将计算结果映射到三维模型中,以便继续完成计算过程,有效避免了计算资源在冲击波传播过程计算上的消耗。     

超高速碰撞问题的三维物质点法

简要介绍了物质点法（material point method）的离散原理,通过引入Johnson-Cook材料模型和Mie-Gruneisen状态方程,将其用于超高速碰撞问题的分析中,并编制了相应三维物质点法程序MPM3D。该方法避免了拉格朗日格式因网格畸变产生的数值困难,也克服了欧拉格式材料界面跟踪问题以及因非线性对流扩散项而引起的数值困难。利用该程序对Taylor杆高速碰撞问题和空间碎片防护超高速碰撞问题进行了数值模拟,所得数值结果与实验结果基本吻合,验证了程序的正确性,说明了物质点法在分析超高速碰撞问题时相对于有限元法的优势。     

结构爆炸毁伤的浸没多介质有限体积物质点法

结构在爆炸载荷作用下的毁伤现象涉及强非线性激波、固体结构极端变形和破坏破碎、强流固耦合, 给数值计算方法带来了极大的困难与挑战. 针对结构爆炸毁伤问题, 建立了浸没多介质有限体积物质点法(iMMFV-MPM), 采用基于黎曼求解器的多介质有限体积法(MMFVM)模拟爆炸产物和空气的多介质流体, 采用物质点法(MPM)模拟固体结构, 并将提出的基于拉格朗日乘子的连续力浸没边界法(lg-CFIBM)扩展到多介质流体中以处理流固耦合边界条件. 该算法在每个时间步严格满足流固耦合界面处的速度边界条件及动量守恒方程, 不需要重构流固耦合界面, 能够有效地模拟近场爆炸下爆炸产物与结构的相互作用、激波与结构的相互作用和演化以及结构的动态断裂和拓扑变化. 利用iMMFV-MPM对近场爆炸下方形钢筋混凝土靶板的失效模式、外爆载荷下建筑物的毁伤现象以及多腔室内爆炸试验进行了模拟, 模拟结果与相关实验数据吻合良好, 验证了所建立的流固耦合算法的有效性及精度.      

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。     

Q235钢板对半球形头弹抗侵彻特性

利用轻气炮进行了半球形头杆弹正撞击单层板和等厚接触式三层板的实验, 得到了这两种结构靶体的初始-剩余速度曲线以及弹道极限。采用ABAQUS/EXPLICIT数值模拟软件对杆弹撞击金属板的过程进行了数值模拟研究, 通过对比数值模拟和实验结果, 验证了数值模拟材料模型和参数的有效性。研究了靶体结构对抗侵彻特性的影响, 并分析了弹体对靶体的撞击过程。研究结果表明:多层板的弹道极限高于等厚单层板。单层板主要失效模式为剪切, 而多层板的主要失效模式为整体的蝶形变形和局部的盘式隆起。对于多层板, 靶板具体的失效模式与其在靶中位置相关。     

非均质固体炸药冲击起爆的物质点法

将点火增长方程引入到物质点法中,编制了相应的计算程序MPM-SDT,并求解了冲击起爆问题.通过与传统算法和实验结果的比较,验证了物质点法应用于冲击起爆问题的可行性.物质点法避免了Lagrange法的网格畸变缠结和Euler法的对流误差.最后,对钨、铜、钢等材料破片撞击屏蔽炸药问题进行了多组数值模拟.3种材料对屏蔽炸药的...     

多层金属爆炸焊接复板飞行姿态的计算方法

在两层金属爆炸焊接复板飞行姿态的理论计算基础上，运用质量守恒、动量守恒定理和契特公式推导了多层金属爆炸接复板飞行姿态的理论计算模型，经过实验验证，该计算模型和实验相符合，对于多层金属爆炸焊接工艺参数的设计具有很高的使用价值。     

爆速对爆炸焊接铝/不锈钢复合管界面及结合性能的影响

通过在粉状乳化炸药中添加不同比例的密度调节剂,配制了爆速范围为1 450~2 550 m/s的低爆速炸药;采用该爆速炸药进行了铝/不锈钢复合管爆炸焊接实验,结合最小碰撞速度理论,对实验结果及其界面微观结构和结合强度进行了测试和分析,确定该复合管爆炸焊接的合适爆速约为1 950~2 150 m/s,其结合质量能够满足后续加工要求;同时发现界面由介于直线与波形之间的波状形态组成,且呈现不太规则的扁平波状结合,经分析,炸药爆速、复合管的爆炸焊接环境和爆炸产物飞散条件对界面结合波形及熔化层厚度有很大影响。     

Q235B钢动态本构及在LS-DYNA中的应用

采用万能材料试验机和分离式霍普金森拉杆（SHTB）装置,对我国钢结构建筑中最常用的Q235B钢进行准静态拉伸实验、高温拉伸实验和动态拉伸实验。基于实验数据对LS-DYNA常用的3种动态材料模型Cowper-Symonds本构模型、Johnson-Cook本构模型、Zerilli-Armstrong本构模型进行了拟合,通过Taylor杆实验对3种本构模型进行验证和对比分析。结果表明:Q235B钢具有较为明显的高温软化和应变率强化效应;Cowper-Symonds本构模型可以较好地适用于工程领域低速碰撞的模拟;Johnson-Cook本构模型可适用于较大应变率范围内的模拟;不推荐Zerilli-Armstrong本构模型在工程低速碰撞领域中使用。     

PVDF应力测试技术及其在多孔材料爆炸冲击实验中的应用

通过精确测量Hopkinson杆子弹速度,实现了对PVDF压力传感器的动态标定,测试数据线性度良好,误差不超过1.9%,得到动态灵敏度系数K=32.83 pC/N,采用500 g TNT对“钢板-泡沫铝-钢板”复合结构进行爆炸冲击加载,测量结构间应力波的传播情况。研究结果表明:电压测试信号可以较为准确地反映弹性波与塑性波的加载时间和传播速度,PVDF对弹性应力波段高频信号的动态响应灵敏准确,与理论数据的相对误差为3.5%。测得泡沫铝材料中塑性波的传播速度为590 m/s,A₁-B₁界面塑性波透射系数达到了0.53,远高于弹性波透射系数。从机理上对应力时程曲线中出现的特殊现象进行了阐述,为相关爆炸测试提供参考。