流固耦合数值方法在点爆发散爆轰驱动平板飞片中的应用

采用Eulerian/Lagrangian耦合方法对炸药与飞片直接接触的爆轰驱动问题进行了数值模拟.其中对炸药和环境气体应用Euler方法、对飞片应用Lagrange方法分别计算,流体与固体接触面采用Ghost Fluid方法和外插技术进行处理,全程模拟了炸药起爆、爆轰波传播、大板变形和运动等过程,着重分析了大板飞片后...     

平面和圆柱面构形的磁流体力学计算

在一维弹塑性反应流体力学Lagrange编码SSS的基础上,研制了多介质、多空腔、与集中参数外电路耦合的实验构形弹塑性反应磁流体力学一维计算编码SSS-MHD。在编码中,通过对构形边界与外电路的耦合以及不同构形磁场边界条件的统一处理等措施,解决了其中的关键问题。本文中编码的优势体现在两个方面:能够统一处理不同的磁流体力学实验构形,包括平面及圆柱面几何构形;可以同时进行磁流体力学和含能材料反应流动的计算。对平面准等熵压缩炸药和炸药爆轰驱动套筒压缩磁通量等两类典型实验进行了数值计算,结果与实验结果一致。     

基于滑移界面耦合技术的旋转电机磁场仿真方法

提出了一种基于滑移界面耦合技术的旋转电机磁场仿真方法。首先,对旋转电机问题建立等效弱形式,用Lagrange乘子法施加Coulomb规范条件和滑移界面处的磁矢势连续性条件;然后,采用混合单元方法离散整个求解域中的未知量,采用棱边单元法离散滑移界面处的Lagrange矢量乘子,并采用多点约束法耦合滑移界面处的Lagrange标量乘子自由度,该方法无须在旋转电机模型的非匹配网格中构建生成树,即可自动保证磁矢势解的唯一性;最后,采用旋转线圈案例和简化的永磁同步电机案例验证了本文方法的有效性。     

滑移爆轰驱动钢管的层裂

将VG损伤模型推广到二维情况,考虑了最大主应力方向对损伤演化的影响,并使用显式断裂算法对20钢管在GI-920炸药滑移爆轰驱动下层裂的问题进行二维数值模拟。分析了一维内爆和滑移爆轰两种加载方式下作用于钢管外表面的压力及钢管内部受力状态的区别,考察了滑移爆轰加载方式下钢管外表面的受力随炸药厚度变化的规律,进而研究了钢管内损伤的分布和演化,以及裂纹的产生和扩展现象。计算得到的层裂片初始厚度随炸药厚度的变化规律与实验结果符合较好。     

多组份计算中封闭性模型研究

在使用单速度多组份方法计算多介质混合网格中的物理量时,需要给出一种封闭模型来使控制方程封闭。本文分析了压力增量相等封闭性模型存在基础遭到破坏的原因,之后在保证流场守恒性的前提下构造可以保证假设基础的可解方程组对压力增量相等封闭性模型进行修正,给出了一种改进方法。使用改进的模型进行了爆轰驱动飞片问题的计算,计算结果表明,改进的模型能很好的追踪物质界面和冲击波位置,同时较好的抑制界面处压力、内能震荡。     

基于非结构任意多边形网格的滑移面计算技术

基于任意多边形网格管理体系,针对流体多介质问题的数值模拟,发展了拉氏方法滑移面计算技术.文章给出了滑移线设置的数据结构,滑移线上主从点速度与位置的计算格式,及节点滑移后引起界面上点、相关网格邻域关系变化的算法.该滑移计算技术避免了传统算法中由于以模拟法(重叠或分离网格)代替直接法(拼接网格)而造成几何守恒律被破坏的缺陷.数值例子验证了该算法的可行性,体现了算法无缝连接的特点.     

含铝炸药爆轰驱动的非线性特征线模型

针对含铝炸药爆轰的非理想特性,提出了含铝炸药爆轰产物膨胀的局部等熵假设,建立含铝炸药爆轰驱动的非线性特征线模型,为研究含铝炸药爆轰产物的非等熵流动和膨胀做功提供了一种新的理论分析方法。设计了5、50 μm含铝炸药和含LiF炸药驱动0.5、1 mm厚金属板实验,通过激光位移干涉仪测试金属板运动的速度历程,再通过实验结果计算得到铝粉在爆轰产物中的反应度变化规律,结合含铝炸药爆轰产物的非线性特征线模型,理论计算了含铝炸药驱动金属板的速度历程。对比理论与实验结果,理论方法能够很好地描述铝粉二次反应对炸药做功能力的贡献,同时验证了含铝炸药爆轰驱动的非线性特征线模型的正确性。     

多尺度材料模拟的自适应有限元方法研究

研究了材料模拟中一类新型耦合多尺度的自适应有限元方法. 采用微观分子动力学耦合宏观有限元的桥尺度方法来模拟材料破坏的前期行为,其中宏观有限元计算推广到了一般非结构三角形网格. 材料破坏形成后,停止微观尺度的计算,它的进一步发展和演化通过一个宏观模型来描述,采用自适应有限元方法来求解这一宏观模型. 其中,后验误差估计的基础是变分多尺度理论,即自适应网格加密是基于粗尺度上残差分布和细尺度上单元Green's函数. 计算中采用了破坏准则来模拟材料的断裂. 数值实验表明了方法的有效性.      

滑移爆轰问题无网格MPM法数值模拟

利用MPM(material point method)计算方法,以爆炸焊接作为实例,对炸药滑移爆轰过程和金属飞板与基板之间的碰撞变形进行了数值模拟.并将无网格MPM法的数值计算结果与近似解析公式的计算结果进行了比较,二者基本吻合,有力地证明了无网格MPM法在求解爆炸冲击问题中的有效性和健壮性.     

界面不稳定性的自适应欧拉数值计算

采用欧拉网格自适应算法数值模拟Richtmyer Meshkov和Rayleigh Taylor不稳定多介质流界面,获得了高精度界面特征。对不同流体引入不同位标函数跟踪界面运动,将位标函数方程与流体动力学方程耦合求解,在笛卡儿坐标系中运用二阶精度有限体积算法,保持流场守恒条件下,通过采用多层网格级对笛卡儿网格嵌套细化,从而实现多介质流体界面的高精度自适应跟踪。给出的方法逻辑简单,可以大大节省CPU时间。     

土中爆炸冲击混凝土道面的数值模拟

炸药在多相介质中的爆炸是气态爆轰产物和固态介质之间的耦合作用问题，对其进行数值模拟一般不考虑炸药而直接将爆轰压力加在介质上，而耦合方法对炸药和其周围的介质进行离散，炸药和介质采用统一的控制方程，通过界面条件实现相互作用。任意拉格朗日欧拉（Arbitary Lagrangian and Eularian）法，是最近兴起的适用于计算固体大变形问题的数值计算方法。将其引入爆炸力学计算，可以避免由于物质的大变形引起的单元畸变和计算困难。同时混凝土的损伤模型，更加符合混凝土在高应变率加载条件下的力学特性和破坏机理。将这三种方法引入数值模拟，计算结果与相关试验结果有较好的吻合。     

欧拉坐标系下具有锐利相界面的可压缩多介质流动数值方法研究

可压缩多介质流动问题的数值模拟在国防和工业领域内均具有重要的研究价值,诸如武器设计、爆炸安全防护等,通常具有大变形、高度非线性等特点,是一项极具挑战性的研究课题. 本文提出了一种基于 Euler 坐标系的非结构网格、具有锐利相界面的二维和三维守恒型多介质流动数值方法,可用于模拟可压缩流体和弹塑性固体在极端物理条件下的大变形动力学行为. 利用分片线性的水平集函数重构出单纯形网格内分段线性的相界面,并在混合网格内构建出具有多种介质的相界面几何结构,理论上可以处理全局任意种介质、局部 3 种介质的多介质流动问题. 利用传统的有限体积格式来计算单元边界上同种介质间的数值通量,并通过在相界面法向上求解局部一维多介质 Riemann 问题的精确解来计算不同介质间的数值通量,保证了相界面上的通量守恒. 提出了一种非结构网格上的单元聚合算法,消除了由于网格被相界面分割成较小碎片、违反 CFL 条件,进而可能带来数值不稳定的问题. 针对一维多介质 Riemann 问题、激波与气泡相互作用问题、浅埋爆炸问题、空中强爆炸冲击波和典型坑道内冲击波传播问题开展了数值模拟研究,将计算结果与相关的理论、实验结果进行比对,验证了数值方法的正确性和可靠性.      

炸药多点引爆的实验研究

本文对平板炸药多点引爆问题进行了实验研究。利用光探板法得到了炸药驱动下飞层的飞行形状及其速度分布,通过分析飞层的平均速度,得知炸药多点引爆比平面引爆存在能量损失。     

钝感炸药点火增长模型的欧拉数值模拟

在自主研发的二维多介质欧拉弹塑性流体力学程序中,通过引入点火增长的反应率模型以及炸药 减敏模型,借助网格自适应技术,研究钝感炸药的冲击点火、直径效应以及死区形成等爆轰现象。数值模拟结 果表明,该程序能够正确模拟平面爆轰波的爆速、CJ状态、vonNeumann尖点等爆轰参数;并能够较好模拟炸 药的直径效应。另外,通过引入考虑减敏效应的反应率模型,能较好地模拟钝感炸药的死区形成过程。     

在动网格上的多介质界面数值处理方法研究

运用动网格上的ALE方法对一维可压缩多介质Riemann问题进行求解，在处理介质界面 上的数值通量时提出了3种不同的数值方法：Lagrange方法、GFM和HLLC方法，并且对 这3种方法的数值结果进行了比较，认为GFM方法和HLLC方法在介质界面上出现大压力 梯度时能够明显消除界面上密度的非物理震荡，提高介质界面上数值解的精度.     

多物理场耦合作用分析的近场动力学理论与方法

广义来说, 近场动力学(peri-dynamics,PD)是假设每个物质点在承受一定范围内的非接触相互作用下,研究整个物理系统演化过程的理论,为涉及非连续和非局部相互作用的问题提供了一个统一的数学框架,具有广泛的适用性.在简要介绍诸多工程对于多物理场模型和数值计算软件的迫切需求后,针对现有商用软件在处理结构非连续演化问题时遇到的瓶颈,引入近场动力学理论和方法. 概述近场动力学固体力学模型,系统阐述近场动力学扩散模型和近场动力学多物理场耦合建模的研究现状和进展,主要涉及电子元器件、电子封装和岩土工程领域的多物理场耦合建模,包括热--力、湿--热--力、热--氧、热--力--氧、力--电、热--电、力--热--电、多孔介质的水--力流固相互作用等非耦合、半耦合与完全耦合模型,强调发展耦合方程数值解法的重要性.最后对扩散问题和多物理场耦合问题的近场动力学理论模型、数值算法和工程应用做进一步展望.      

计算钝感炸药爆轰过程的一种新反应率模型

根据钝感炸药爆轰过程中含有激化过程和慢反应,建立了一种新的反应率模型。与其他反应率模型相比,这种反应率模型可以应用于较粗的网格。在每厘米50个网格条件下,炸药驱动铝飞片和钽飞片的自由面计算结果与实验结果很接近。同时,应用此反应率模型计算了钝感炸药驱动LiF过程,在每厘米50个网格的条件下,炸药与LiF间速度的计算值同实验值接近,且误差随网格尺寸变小而变小。这些表明,此反应率模型能够在较粗的网格条件下,比较准确地描述钝感炸药驱动飞片过程,有利于在工程实际中应用。     

FVM与LBM分区耦合模拟圆柱绕流

构造了用于模拟远场边界下圆柱绕流的有限容积法(FVM)与格子Boltzmann方法(LBM)的分区耦合模型.模型中,靠近圆柱处采用多块网格的LBM,远离圆柱处采用FVM,并将计算结果同适体网格LBM以及多块网格LBM进行了比较.结果表明,耦合模型能在保证计算精度的前提下,显著提高计算效率.     

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。     

惰性介质对钝感炸药爆轰的约束效应

首先用改进冲击波极曲线理论分析惰性介质对钝感炸药爆轰的约束作用类型。改进冲击波极曲线基于爆轰ZND模型建立在前导冲击波上,并且未反应炸药采用JWL状态方程,惰性介质采用p（ρ,T）形式状态方程。理论考察声速小于炸药CJ爆速且压缩性不同的6种典型惰性介质约束情况。然后用带三项式Lee-Tarver化学反应率的二维Lagrange流体力学方法数值模拟考察约束相互作用。数值考察约束介质的影响因素有:压缩性、厚度、典型双层介质组合约束。从数值结果看出,由介质压缩性的不同给出的约束作用方式共7种:其中6种出现在介质声速小于炸药CJ爆速条件下,可运用冲击波极曲线理论;另外一种出现在介质声速大于炸药CJ爆速条件下,不能使用冲击波极曲线理论。同时,介质厚度、双层介质组合方式也能够影响爆轰前导冲击波阵面形状以及爆轰化学反应流动状态。