超高速碰撞产生等离子体的毁伤特性研究

以热力学为基础,结合化学反应速率方程,推导得出描述超高速碰撞产生的等离子体电子密度与系统内能关系的物理方程组. 应用自行编写的二维光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics, SPH) 程序求解了此方程组,在模拟超高速碰撞过程中计算产生的等离子体,实现对超高速碰撞产生等离子体的数值模拟.进行铝球超高速碰撞双层铝板的数值模拟研究,给出与实验对比的结果. 统计前后两次碰撞产生等离子体的电量,发现碰撞较薄的前板产生了较少的电荷而一次碎片云对较厚后板的碰撞产生了大量的电荷. 交换前后两板的位置. 进行相同速度碰撞的模拟,分析结果发现一次碎片云碰撞后板产生的等离子体电量远小于第一次的模拟结果,而前板碰撞产生的等离子体电量要高于第一次模拟结果,由此可见,超高速碰撞产生等离子体的总电量不仅与弹丸的质量和碰撞速度有关,与薄板的厚度也有很大的关系,通过一次碎片云与第二层板碰撞可以产生远高于弹丸碰撞单层板产生的电量,可以提高等离子体产生效率,增强对航天器的电磁毁伤.     

基于FE重构方法的冲击破碎仿真

提出了一种结合FE和SPH的3D冲击破碎问题仿真方法——FE重构法。通过立方体FE单元填充的方式对任意几何体进行离散,并建立粒子一形心重合模型,然后将用LS-dyna软件对粒子模型进行SPH撞击仿真;基于每一个步长的仿真结果,进行FE单元的重构,并结合失效准则进行失效分析,最终得到FE与SPH混合的仿真结果。针对超高速...     

超高速撞击数值仿真结果分析

为了分析超高速撞击过程的宏观现象和内在机理,对9.53 mm铝球以6.64 km/s的速度撞击2.2 mm厚的铝靶的SPH仿真结果进行了量化分析。结果表明：采用SPH方法以及Steinberg弹塑性模型和Mie-Grneisen状态方程,可获得与试验相符的仿真结果;球形破片开坑或穿孔直径遵循初始快速增加、然后缓慢增加,直至稳定的变化规律;破片/靶板界面的最大撞击压力比材料强度大两个量级以上;靶板阻抗力最大值发生在破片最大直径侵入靶板时刻;碎片云的运动过程具有自相似演化特征,其运动范围不会超出碎片云的包络圆锥范围。     

高速碰撞中的有限元方法及其应用

讨论了连续介质力学守恒方程的有限元离散方法,针对高速碰撞的物理特点,提出了数值计算中所应重视的问题及其有效的解决办法。文中给出的典型算例说明本方法对各类高速碰撞问题的数值模拟计算是十分有用和成功的。     

高速碰撞数值计算中的SPH自适应粒子分布法

针对传统光滑粒子法在计算高速碰撞问题时会出现近邻粒子逸出核函数影响域而产生数值破坏这一缺陷,提出了一种根据粒子间距变化自动添加、合并粒子的SPH自适应粒子分布算法。采用该方法对Taylor碰撞和超高速碰撞问题进行了数值模拟,结果表明,该方法可以有效地消除计算中出现的数值破坏,提高计算精度。     

超高速碰撞效应的数值模拟

本文简要介绍和总结了有关超高速碰撞效应数值模拟研究的现状,讨论了数值格式和处理以及物理模型两个方面所取得的进展和存在的问题。     

光滑粒子法与有限元的耦合算法及其在冲击动力学中的应用

扼要讨论了光滑粒子法的离散思想,充分利用光滑粒子法和有限元方法各自的优点,提出了一种初始时刻用有限元建模,计算过程中大变形单元自动转换为光滑粒子的耦合算法。高速碰撞的系列算例说明,耦合算法不但适宜于计算大变形冲击动力学问题,而且由于集两种方法的优点于一身,可以更高效地模拟一些高速碰撞问题,提高计算效率。     

碎片云SPH方法数值模拟中的材料失效模型

光滑粒子流体动力学方法（smoothed particle hydrodynamics,SPH）被广泛应用于薄板超高速撞击碎片云的数值模拟。利用AUTODYN软件中的SPH模块,考察了无失效模型、Grady失效模型和最大拉应力失效模型3种方案下碎片云模拟结果,发现无失效模型时计算结果及材料表现与实验明显不符;相比于Grady失效模型,最大拉应力失效模型下材料更难失效,将小幅度减弱碎片云扩散程度,碎片总数减少,粒子聚集产生更大碎片,碎片云侵彻性能提高,增大模型失效阈值亦有上述表现。相比而言,Grady失效模型计算结果更符合实验,但2种失效模型间差异与撞击工况相关,材料破碎越充分差异越小。     

强激光水下爆炸推进的物理机制

对激光水下聚焦爆炸推进的作用机理开展了实验测量和数值模拟研究. 实验观察到激光水下聚焦爆炸推进分为两个物理过程: (1) 强激光与铝膜相互作用诱导等离子体演化, 产生短脉冲、高幅值的等离子体压力, 并对航行体做功; (2) 激光爆炸产物气泡脉动, 对航行体继续提供推力. 另外, 实验还对不同介质中的激光推进效率以及气泡与约束壁面/自由水面相互作用的物理机制进行了研究. 发现在高阻抗环境介质、气泡受约束脉动以及近自由水面条件下, 激光爆炸推进的效率更高. 在实验的基础上, 建立了激光水下聚焦爆炸推进的物理模型, 发展了相应的耦合数值计算方法. 计算得到的气泡脉动规律及航行体运动规律与实验测量结果一致, 验证了计算的模型和方法, 为强激光水下聚焦爆炸推进机理的研究提供了一种有效的方法.      

非球弹丸超高速撞击航天器防护结构数值模拟

采用AUTODYN软件对非球弹丸超高速正撞击航天器单防护屏防护结构进行了数值模拟,给出了2维及3维模拟的结果。研究了在相同质量和速度的条件下,不同形状弹丸长径比、撞击方向等对超高速撞击防护结构所产生碎片云特性及舱壁损伤尺寸的影响,并与球形弹丸撞击所产生的碎片云及舱壁损伤进行了比较。结果表明：弹丸的长径比越大,弹丸的穿孔能力越强;非球弹丸的撞击方向不同,所产生的碎片云形状、质量分布、破碎的程度和穿孔的能力是不同的。     

一种冲击动应力的实验系统与结果分析

为探究以材料力学理论为基础的冲击动应力问题实际与理论结果的差别程度,设计开发了冲击动应力实验装置,并测量了重锤在不同冲击高度下冲击悬臂梁的动荷系数. 同时利用ANSYS/LS-DYNA 软件对同一问题进行了数值模拟. 动荷系数模拟结果与实验值的相对差不超过3.1%,与理论值相对差在14%～23%之间. 实验和数值模拟起到相互印证的作用. 这一结论加强了对冲击动应力问题的模型、理论和误差范围的理解,在实际应用中有助于对误差范围的判断.     

超高速碰撞产生的电磁辐射

超高速碰撞产生的电磁辐射是固体物质在强冲击作用下的重要物理响应,在深空探测、航天器对空间碎片的防护设计、武器毁伤评估应用广泛。本文中概述了超高速碰撞产生的电磁辐射现象,总结了不同碰撞条件下,超高速碰撞产生微波和闪光的时频特性;从超高速碰撞产生材料破碎和产生等离子体两个方面,分析了超高速碰撞产生微波的辐射模型;归纳了超高速碰撞下的发光机理,并阐述了超高速碰撞产生连续光谱和线谱的辐射模型,指出了超高速碰撞产生电磁辐射研究存在的不足与发展趋势。     

小行星撞击地球的超高速问题

小行星撞击地球是人类生存面临的潜在威胁之一.在小行星进入地球大气与撞击地球表面过程中,存在烧蚀、解体、空中爆炸、火球、撞击成坑、反溅碎片云、地震以及海啸等一系列复杂的物理化学和力学现象.本文梳理和归纳了与这些现象相关的超高速空气动力学问题和超高速碰撞动力学问题.小行星进入地球大气的超高速空气动力学问题有：极高速($V = 12 ~ 20$km/s)进入条件下的气动力与轨迹,极高速进入条件下的小行星气动加热与烧蚀机理,极高速气动加热条件下的小行星结构传热与热响应,极高速进入条件下的高温气体效应,小行星进入过程的物理特征.小行星撞击地球的超高速碰撞动力学问题有：陆地撞击成坑与反溅碎片云,海洋撞击与海啸,撞击过程的地震效应.由于小行星撞击地球与超高速飞行器的再入过程在速度、材料和结构上存在较大差异,针对这些超高速问题,现有的研究手段在地面试验和数值计算两方面都存在不足.最后,从小行星进入地球大气的弹道方程、质量损失方程、解体判据和解体模型等出发,初步建立了小行星进入与撞击效应分析评估模型,并对Chelyabinsk和Tunguska两次流星事件进行了分析,重构了进入与爆炸解体过程,评估了空爆火球在地面所导致的超压和热辐射损伤.     

基于ALE,CEL和SPH方法的球形破片高速冲击充液结构对比研究

为研究ALE,CEL和SPH方法在高速冲击流固耦合动力学数值分析中的差异性,开展球形破片高速冲击充液结构数值模拟研究。建立经文献资料验证的ALE,CEL和SPH三种动力学模型,研究了流体压力变化、形成的空腔尺寸、破片速度衰减变化和充液结构变形等模拟精度,并分析相应的计算成本。结果表明,ALE,CEL和SPH三种方法均能有效模拟破片高速冲击充液结构的流固耦合动力学过程;ALE方法预测的空腔尺寸精度较高;CEL方法预测的流体压力、破片速度衰减和充液结构变形精度较高;SPH方法预测的空腔尺寸、破片速度衰减精度较高;当网格尺寸一致时,SPH方法计算时长约为ALE和CEL方法的两倍,但SPH方法前后处理更加简便。     

超高速碰撞相似律的数值模拟验证

在量纲一分析的基础上,导出了超高速碰撞模拟中的相似律表达式,并利用光滑粒子流体动力学方法进行了数值模拟验证,结果表明,符合超高速碰撞相似律的模型在碰撞过程模拟中具有较好的相似性。     

成层式防护结构抗超高速侵彻的数值分析

采用SPH算法,基于AUTODYN-2D开展了钨杆弹对4种\"花岗岩遮弹层-（空气）干砂分配层-混凝土结构层\"形式的成层式防护结构的超高速打击数值计算分析,得到了结构的破坏特征和能量分配情况。结果表明：（1）增加打击速度会加剧遮弹层和分配层的破坏程度,但在一定速度区间内结构层的侵彻深度反而随着打击速度的增加而减小;（2）结构层的能量分配比例具有随着撞击速度增加而减小的趋势,这可以初步归结为竖向冲击动能在遮弹层和分配层的横向传递;（3）一定条件下,通过增加空气隔层可以减小结构层的侵彻深度、结构层分配能量的比例和绝对值。     

石墨烯热学性能及表征技术

2004 年石墨烯的发现立刻引起了全球科技界的高度关注, 掀起了从碳纳米管问世以来对于碳族材料的又一个研究高潮, 人们迅速开展了针对石墨烯的制备、性能表征、甚至应用的研究工作. 从石墨烯问世到目前, 主要研究工作集中在石墨烯电学性能的研究, 特别是集中在用石墨烯制备超级电容器方面. 相比之下, 人们对于石墨烯热学性能的研究还比较少. 然而, 鉴于石墨烯具有极高的热导率和负的热膨胀系数, 以及作为热界面材料的工程应用价值, 对其热学性能的研究正逐渐成为研究的一个重要分支. 以石墨烯热学性能如热导率到热膨胀系数为研究对象, 全面总结国际上的发展现状. 内容涉及单层石墨烯、多层石墨烯和石墨烯泡沫. 研究手段包括理论研究、数值模拟和实验测定3 个方面. 在综合研究成果的基础上, 最后对于存在的问题和可能的发展方向给出了合理的建议.      

沉管隧道接头非线性力学性能模拟方法

沉管隧道柔性接头的力学性能是其抗震设计的关键准则. 用有限元方法模拟接头的非线性力学性能需要解决接头处材料非线性和接触非线性两个问题. 为简化分析计算,该文采用分段线性化的方法表征接头的材料非线性问题,引进调整因子改进接触算法中的判断条件,处理接头的边界非线性问题. 通过沉管隧道接头的三维精细化建模,研究了沉管隧道接头在拟静力载荷下的响应,获得了接头的轴向等效刚度曲线、抗弯刚度曲线和非线性耦合的剪切特性曲线,进而分析了不同轴向压力对接头剪切特性的影响.     

绕振荡水翼流动及其转捩特性的数值计算研究简

通过对比标准k-ω SST 湍流模型和基于标准k-ω SST 湍流模型修正的γ-Re_θ 转捩湍流模型对绕振荡NACA66 水翼流动的数值计算结果与实验结果,对水翼振荡过程的水动力特性和流场结构变化进行了分析研究. 结果表明：与标准k-ω SST 湍流模型的数值计算结果相比,基于标准k-ω SST 湍流模型修正的γ-Re_θ 转捩湍流模型能有效预测绕振荡翼型流场结构和水动力特性,捕捉流场边界层发生的流动分离和转捩现象;绕振荡水翼的流动过程可分为5 个特征阶段,当来流攻角较小时,在水翼前缘发生层流向湍流的转捩现象,水翼动力特征曲线出现变化拐点;随着来流攻角的增大,顺时针尾缘涡逐渐形成并向水翼前缘发展;当攻角较大时,前缘涡分离导致动力失速,水翼的动力特征曲线出现大幅波动;水翼处于顺时针向下旋转阶段,绕水翼的流动状态逐渐由湍流过渡为层流.     

低渗透裂缝性油气藏非稳态窜流因子研究简

深入分析了常定窜流因子和现有的非稳态因子对于低渗透基质-裂缝窜流的不适应问题,根据对23 个低渗岩心渗流曲线的拟合分析结果,引入了变渗透率系数,并在此基础上推导了非线性扩散方程,也就是低渗透基质-裂缝系统间窜流的控制微分方程;经过无量纲化处理,引入了动边界条件,分别利用积分方法和矩方法导出了非线性扩散方程在前后两个阶段的近似解析解,并在此基础上构建了非稳态窜流因子的表达形式;新的窜流因子可以有效应用于低渗透基质-裂缝系统间的窜流计算,有限元数值模拟的结果验证了新因子在计算非线性非稳态窜流方面的准确性与可靠性.