聚能装药射流形成的自适应物质点法模拟

聚能装药可用来穿透装甲、岩石、混凝土等高强度日标,在国防工业以及石油工业有重要应用.质点类无网格法,如SPH和MPM,可以避免网格畸变,比基于网格的传统方法更适合聚能装药问题的模拟.该文针对物质点法中可能发生的数值断裂问题,提出了自适应分裂质点的方案.当质点在某一方向的累积应变达到一定阈值,即将质点一分为二,从而使物质点法可以更有效的表达射流形成过程中强烈的拉伸变形.采用C++语言编制了可自适应分裂质点的三维物质点法程序MPM3DPP,应用Johnson-Cook材料模型用来考虑应变率效应和热软化效应,Mie-Gruneisen状态方程用于金属在高压下的压力计算,Jones-Wilkins-Lee(JWL)状态方程用于描述爆炸产物等膨胀过程,并在压力项加入人工粘性用来处理冲击波.模拟并分析了爆炸飞片、聚能射流等问题,通过数值模拟,对射流形成过程中的变形情况以及温度、速度的分布进行分析.模拟结果和经验公式吻合.     

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.     

爆轰波碰撞聚能无网格MPM法数值模拟

爆轰聚能经常被应用于工程爆破切割,为了探索新的聚能爆破形式,本文应用无网格MPM法对圆柱筒装药和导爆索多点起爆形式的爆轰波碰撞聚能问题进行三维数值模拟,采用显式积分算法完成爆轰波形成和汇聚过程以及爆轰压力场分布的数值计算,并将数值模拟结果与实验结果做了对比分析。由此验证了无网格MPM法的准确性,也为炸药聚能爆破提供了新的思路和高效的操作方法。     

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。     

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。

     

湍流边界层中固体颗粒运动的数值模拟

根据Ｌａｇｒａｎｇｅ颗粒运动微分方程及不可压缩湍流边界层中流体的壁面速度分布规律，数值求解了颗粒在湍流边界层中的运动，考虑了Ｓａｆｆｍａｎ升为对颗粒运动的影响，壁面对运动阻力的影响，给出了固体颗粒沉积边壁，在边界层外缘上所需的最小速度和最小入射角，计算结果还表明边界层对固体颗粒撞击边壁的速度和入射角有较大影响，从数值结果可可以发现一个重要现象。     

带控制片方柱绕流的非定常数值模拟

对高雷诺数下带控制片的方体(在方柱之前放置一小尺度的柱形薄片)非定常绕流进行了数值模拟。数值模拟方法采用RNG重整化群紊流模型，SIMPLE算法，在非定常计算中引入双重时间步方法，将方体和控制片区域作为求解域的一部分作整体求解。结果表明，控制片与方柱之间距离的不同，使得控制片所形成的涡被抑止或产生卡门涡街，从而对柱体侧面边界层的分离发生影响，产生三种典型的流态，柱体时均阻力系数相对于无控制片的情况迅速减小，当控制片偏离柱体轴心时，柱体升力系数迅速增大，偏心至柱体外壁面附近达到极大值。阻力系数达到最小值后将产生跳跃式的增大，而升力系数在达到最大值后也将产生跳跃式的减小。     

颗粒物质在黏性流体中运动过程的数值分析

为了研究颗粒物质在黏性流体中整个下落过程的运动规律，对不同半径的颗粒物体运动过程进行了数值模拟分析。在给出颗粒物质下落过程模型的基础上，考虑黏性流体对颗粒物质的黏滞阻力，并通过受力分析建立了下落运动微分方程；利用计算机数值分析了不同半径的颗粒物质在同一种黏性流体中下落速度、入潜深度随时间变化的情况，并分析了不同半径的颗粒物质下落达到的稳态速度与所消耗时间的变化关系。计算结果表明：当颗粒物质半径 r<1mm 时，其在黏性流体中的下落距离与时间近似呈线性关系；随着颗粒物质尺寸的增加，其下落距离会呈现非线性增加；当颗粒物质半径 r>2mm 时，其达到稳态速度后的入潜深度与颗粒物质的半径呈非线性变化，且颗粒物质越大，达到稳态速度后的入潜深度越深；颗粒物质在黏性流体中下落后达到的稳态速度与颗粒物质的半径并非呈线性关系，且颗粒物质越小，达到的稳态速度越小，与黏性流体的深度无关，其相应入潜深度与所需时间呈非线性关系。     

基于物质点法的轨道炮刨削机理三维数值研究

基于轨道炮结构特点以及冲击热力学理论,采用物质点法建立了轨道微颗粒诱发刨削的三维模型,模拟了轨道刨削的形成过程,并对其产生机理与影响因素进行了分析。结果表明:电枢与轨道的局域高速冲击产生瞬时的能量交换,形成的高热高压金属流对轨道表面的斜侵彻作用形成了刨坑;刨削的产生存在速度阈值,超过速度阈值,随着电枢速度增加,刨削越严重;低于速度阈值,可产生轨道擦伤;减小轨道表面微颗粒尺寸、增加电枢头部倾角均可降低刨削损伤。     

Two-fluid smoothed particle hydrodynamics simulation of submerged granular column collapse

In this paper, a two-fluid smoothed particle hydrodynamics (SPH) model, based on the mixture theory, is employed to investigate the complex interactions between the solid particles and the ambient water during the process of submerged granular column collapse. From the simulation, two regimes of the collapse, one being quick and the other being slow, are identified and the reasons of formation are analyzed. It is found that, a large internal friction angle of the granular phase, representing large drag force between solid particles, helps form the slow regime. Small hydraulic conductivity, representing large inter-phase drag force, also retards the collapse dramatically. Good agreements between our numerical results and other researchers’ numerical and experimental results are observed, which demonstrates the capability of the proposed two-fluid SPH approach in dealing with saturated water–soil mixture flows.     

A multiscale material point method for impact simulation

To better simulate multi-phase interactions involving failure evolution, the material point method (MPM) has evolved for almost twenty years. Recently, a particle-based multiscale simulation procedure is being developed, within the framework of the MPM, to describe the detonation process of energetic nano-composites from molecular to continuum level so that a multiscale equation of state could be formulated. In this letter, a multiscale MPM is proposed via both hierarchical and concurrent schemes to simulate the impact response between two microrods with different nanostructures. Preliminary results are presented to illustrate that a transition region is not required between different spatial scales with the proposed approach.     

利用连接尺度方法的颗粒材料破碎数值分析

基于已有的颗粒材料连接尺度方法(BSM)[1-2],发展了在细尺度上采用离散颗粒集合体模型与离散单元法(DEM)并引入了颗粒破碎模型,而在粗尺度上采用Cosserat连续体模型与有限单元法(FEM)的BSM。仅在有限局部区域内采用DEM从细观层次关注颗粒材料破碎现象,而在全域采用储存空间和花费时间较少的FEM,同时在粗细两个尺度采用不同的时间步长。讨论了颗粒材料发生破碎时,颗粒材料结构的承载能力与微结构的演变。数值算例结果说明了所提出可模拟破碎的BSM的可用性和优越性,以及颗粒破碎对颗粒材料微观力学行为的影响。     

土体颗粒物流动物质点法模拟的弹塑性和非牛顿流体本构模型比较研究

土体颗粒物流动是一种典型的大变形破坏,具有非牛顿流体的流动特征。准确模拟土体颗粒物的流动及冲击过程,对滑坡和泥石流等地质灾害的防治具有重要意义。物质点法是一种无网格粒子类方法,已在各类大变形问题中得到了广泛应用。以往土体颗粒物流动的模拟,通常采用弹塑性本构模型,但缺乏对非牛顿本构模型的模拟分析。本文引入非牛顿本构模型的模拟分析,旨在为土体颗粒物流动模拟提供一种新的方法与思路。非牛顿本构模型的模拟分析是将非牛顿广义Cross模型引入三维物质点法,通过人工阻尼力模拟颗粒间的摩擦力,对土体颗粒物的坍塌、沿斜面滑动以及冲击障碍物等问题进行了动态模拟,研究了其运动全过程,并与弹塑性本构模型的模拟结果进行了对比验证。结果表明,基于非牛顿流体本构模型的物质点法可以较好地模拟土体颗粒物加速、减速到再次稳定的流动全过程及其对障碍物的冲击效应。     

岩石双孔爆破过程的流形元法模拟

在流形元基本理论基础上,引入断裂力学的裂纹产生及扩展判据,应用二阶流形元对岩石双孔爆破过程进行了研究,模拟了双孔同时起爆和毫秒延时起爆两种条件下裂纹的产生和扩展、块体的形成以及漏斗形成过程,分析了爆炸载荷作用下岩石的破坏规律以及起爆条件对该过程的影响,验证了流形元法在研究冲击载荷作用下岩石从连续体到不连续体破坏过程的准确性和有效性,为研究类似问题提供一个新的思路和方法。     

筒仓泄料过程中阻塞现象的数值模拟

基于颗粒材料离散颗粒模型及颗粒流方案,通过数值试验研究了筒仓泄料过程中影响颗粒流发生阻塞的若干因素,给出了阻塞概率随筒仓底部开口半径及倾角、颗粒间摩擦系数及颗粒粒径分布的关系曲线.基于颗粒簇的概念,进一步研究了颗粒形状的影响,并对颗粒材料阻塞时的力链分布特征进行简要分析.     

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。     

冲击载荷下孔隙塌缩过程的数值模拟

爆炸压实过程中多孔体的孔隙闭合程度对压实效果起着决定性作用。利用LS-DYNA有限元程序,对无氧铜中的圆形孔隙塌缩过程进行了数值模拟。根据模拟结果分析得出,在6 GPa的冲击压力下,孔隙闭合时不同边界区域会发生爆炸焊接和射流侵彻,这2种结合机理可以使材料结合更牢固,提高材料的致密度和机械强度,实现高质量的爆炸压实。     

无网格MPM法三维前处理系统设计

无网格法在解决爆炸冲击、裂纹扩展、高速碰撞以及大变形等问题时,由于与网格无关,能够避免有限元法因网格畸变计算精度降低或计算终止的矛盾,是目前求解固体力学问题的有效方法之一,也是近年来研究的热点。前处理对于无网格法数值计算是非常重要的环节,基于面向对象程序设计思想,应用C 和OpenGL开发了三维图形交互方式的MPM法前处理系统,提出了应用递归四叉树法、扫描表示法和CSG法划分任意形状非等间距的MPM法质点单元,为建立通用的无网格前处理平台提出了有效的解决方案。