基于Lagrange及SPH算法的花岗岩侵彻数值模拟

为研究不同算法对弹体侵彻花岗岩模拟的影响,基于仿真分析软件LS-DYNA中的Lagrange算法及SPH(Smooth particle hydrodynamics)算法,采用Lagrange、SPH-Lagrange耦合及SPH算法分别对弹体侵彻、贯穿花岗岩靶体进行数值模拟,并从计算效率、侵彻深度、速度衰减、靶体损伤、Mises应力分布多方面对比模拟结果,分析3种算法用于研究岩石侵彻问题的优势和不足。研究表明:Lagrange算法的计算效率最高,计算精度高,但存在单元畸变、无撞击溅射、无后坑区等问题;SPH算法的计算效率最低,但模拟效果良好;SPH-Lagrange耦合算法兼具二者优势,但会导致应力滞后和应力波不稳定衰减。在大型模拟中应优先选用Lagrange算法和SPH-Lagrange耦合算法。     

杆式动能弹侵彻陶瓷复合靶的数值模拟研究

 根据已有的实验数据和文献参数,确定了YB-AD90陶瓷材料的JH-2模型参数。采用Autodyn-2D程序,对杆式动能弹侵彻YB-AD90陶瓷复合靶的侵彻深度和动力学侵彻过程进行了数值模拟。研究结果表明,采用的数值模拟方法和陶瓷材料JH-2模型参数合适,模拟结果与实验结果基本吻合,并且能够模拟动态侵彻过程中弹丸头部的形状变化、材料破碎和通道塌陷等重要特征。     

高速碰撞问题的三维SPH数值模拟

以刚性弹体斜侵彻厚靶问题的三维SPH数值模拟研究为工作重点。以三维拉氏有限元流体动力学程序为基础，建立了适用于长杆弹斜侵彻问题研究的刚性弹体与SPH靶体相互耦合的三维数值模拟程序。     

基于SPH的分层钢板抗半球头弹侵彻的数值模拟北大核心CSCD

随着高强度、高抗冲击特性钢结构在防护装甲、武器库防护门等军事领域得到广泛应用,钢结构的抗冲击性能成为研究的重点和热点。采用光滑粒子流体动力学方法(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)对半球头弹撞击多层钢板的过程进行了数值模拟,并与实验对比,分析了半球头弹撞击后钢板的失效形式,得到了撞击点处钢板盘式隆起、蝶形破坏等过程,得到了钢板的von Mises应力分布以及半球头弹的剩余速度,验证了SPH方法在模拟钢板侵彻变形问题上的有效性。通过数值模拟,研究了钢体层数、钢体厚度对其抗侵彻特性的影响,研究表明:3mm时单层钢板比多层钢板的防护能力强,9mm时多层钢板比单层钢板的防护能力强,12mm时多层钢板和单层钢板的防护能力相当。     

耦合方法在超高速碰撞数值模拟中的应用

 相比于传统的数值方法，无网格光滑粒子法（Smoothed Particle Hydrodynamics，SPH）更适合模拟超高速碰撞问题，它能够清晰地模拟材料界面，并且能够克服中网格大变形导致的数值不稳定。然而在SPH方法中，为了得到t时刻一个节点上的物理量，需要先找出与它相互作用的临近节点，导致计算速度很慢，计算所需的时间远远大于有限元方法所需的时间。采用SPH与Lagrange法相耦合的方法对3D超高速碰撞过程进行了模拟研究。计算结果表明：SPH与Lagrange法耦合方法的计算结果与SPH计算结果精度接近，并且能够大大地节省计算时间。     

基于SPH方法的弹丸侵彻仿真分析

借助于SPH数值仿真算法,对弹丸侵彻钢板问题进行了专门研究。研究中采用SPH算法和有限元算法对比分析的方式,对两种不同速度条件下的侵彻问题做了仿真分析。分析完成后从物理现象和时程曲线角度对不同条件下的结果做了对比分析,发现:两种算法都能够用来分析侵彻问题,并且在对速度分析上的结果及其变化规律具有一致性;但是,SPH算法比有限元方法更能真实的反映侵彻过程中物料飞溅的物理现象,其中伴随冲击速度的增大,物料飞溅程度和薄板变形增大。     

陶瓷复合靶板的抗侵彻模型

为了研究陶瓷复合靶的抗侵彻性能,在陶瓷的空腔膨胀理论中,提出了一个表征陶瓷损伤的损伤因子。基于考虑损伤的陶瓷空腔膨胀理论和金属空腔膨胀理论,并忽略靶板侧向边界的影响,根据陶瓷材料和金属材料的特点,按照弹-靶交界面处材料的不同应力状态,分4种情况进行了讨论。分别求得了4种分区下的陶瓷靶板的抗侵彻阻力,分析了影响陶瓷靶板抗侵彻阻力的材料性质。结果表明:(1)在陶瓷靶板的材料参数中,陶瓷失效后的压剪系数对靶板阻力的影响较大,而抗拉强度和抗压强度对靶板阻力的影响较小;(2)当陶瓷靶板近似为一个无限大的靶板时,其裂纹区的相对尺寸及空腔膨胀压力是一个常数。     

碳化硼陶瓷复合靶板抗侵彻性能实验研究

为研究碳化硼陶瓷的抗侵彻性能,开展了?12.7 mm钢球侵彻碳化硼陶瓷及复合靶板、12.7 mm长杆弹侵彻超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPE)约束碳化硼陶瓷复合靶板实验,讨论了碳化硼陶瓷的破坏模式,研究了约束方式对碳化硼陶瓷抗侵彻性能的影响。结果表明:在钛合金/UHMWPE背板约束作用下,弹丸与陶瓷的相互作用时间更长,产生更细的陶瓷粉末,大尺寸碎片含量减少,吸收的能量更多,陶瓷的抗侵彻性能进一步提高;背板在弹体和陶瓷锥的共同冲击下,造成钛合金的花瓣形卷边破坏,UHMWPE层合板伴随着较大范围的层间分层,形成"X"形隆起现象;采用纤维约束陶瓷,使碳化硼陶瓷板在子弹侵彻时能够保持完整,增强了对弹体的磨蚀作用,提高了抗弹性能,具有一定的抗多次打击能力。通过分析碳化硼陶瓷复合装甲的抗侵彻机理,为今后复合装甲的优化设计提供了参考依据。     

基于FEM/SPH算法弹丸侵彻多孔陶瓷板的数值模拟

基于军用人员运输和弹药运输车辆对小型动能弹的防护需求,多孔板作为新型防护装甲可以在保证防护作用的前提下实现装甲防护轻量化。关于陶瓷多孔板的装甲防护性能研究较少。基于LS-DYNA 3D软件,应用FEM/SPH耦合算法对弹丸侵彻不同形状(三角形、圆形、正方形)孔结构的AD95陶瓷多孔板进行了数值模拟。通过计算得出不同形状多孔板的相对防护系数,比较弹丸的剩余速度及动能,可以优选出防护性能最佳、质量更轻的多孔板。研究发现,圆孔板抗弹性能最优,并且FEM/SPH耦合算法能形象地模拟陶瓷的开裂、飞溅现象,与实际情况吻合更好。     

刚体与SPH耦合的三维数值方法研究

 研究了刚性体与SPH（Smoothed Particle Hydrodynamics）方法相耦合的计算方法和技术,以此技术为核心,在原有三维综合拉氏程序CL3D的基础上,研制了适用于斜侵彻问题数值研究的刚性弹体与SPH靶体耦合计算的拉氏三维数值模拟程序CRSPH3D。针对金属材料编入了Johnson-Cook本构模型计算模块,针对混凝土材料编入了Johnson-Holmquist本构模型及与之配套的损伤模型和状态方程等的计算模块。用研制的计算程序对弹体分别正碰和斜碰穿透中厚铝靶和侵彻厚混凝土靶的过程进行了数值模拟计算和分析。结果表明,对于铝靶穿透问题,模拟计算得到的弹体剩余速度、弹体动能损失和贯穿图像与实验结果符合得较好。对于混凝土靶的侵彻问题也得到了与实验现象一致的、定性合理的图像。     

SPH方法在液固撞击数值模拟中的应用

对液滴分别采用光滑粒子流体动力学(SPH)和任意拉格朗日-欧拉(ALE)两种方法模拟液滴高速冲击有机玻璃(PMMA)过程中液滴的变形、固体结构的损伤.结果表明:两种算法中结构表面的损伤情况与Brunton实验数据吻合,证明了数值分析方法的可行性和精确性;此外,对比发现SPH方法模拟液固撞击过程更具有优势.利用SPH方法分析实际工程问题,验证了两种工程处理技术可以有效地提高螺旋桨抗雨水的冲击能力.     

SPH方法进出口数值边界条件研究

基于虚粒子概念,提出进出口数值边界条件处理方法.在进口边界外设置进口区域,并赋予进口虚粒子相应的物理量;出口边界外设置出口和缓冲区域,出口虚粒子的物理量由计算获得,缓冲区的虚粒子初始物理量是指定的;根据每个时间步的流动情况,改变粒子的区域属性,添加/删除相应的粒子.利用拉格朗日形式的SPH方法,通过管内流动问题验证数值进出口边界方法的适用性,研究进出口边界条件在激波管、绕流问题中的应用.提出的进出口边界处理方法,避免了边界附近流体粒子积分截断问题,保证流体粒子能够流出边界,激波能够透射边界.     

物理质团法:一个普适的数值方法体系

无网格方法根据分布于近邻空间各个方向的微元体物理信息构造离散方程,显著降低了空间导数计算对微元体本身及微元体之间拓扑结构的条件限制,极大提高了拉氏方法的大变形计算能力.由于不能利用微元体的完备几何信息,不容易构造符合物理的无网格算法,对那些物理参数存在间断的模型对象,难以获得稳定和准确的计算结果.本文基于对物理规律及数值模拟发展趋势的分析,提出符合物理且具有强普适性的无网格方法体系.基于该方法的一维算例表明,即使物理参数存在强烈间断,数值结果也能很好地逼近问题的真解.     

爆炸压实过程中颗粒碰撞问题的SPH法数值模拟

 目前采用SPH无网格方法对大变形问题进行数值模拟已成为计算机仿真技术的研究热点。利用LS-DYNA程序中的SPH法对粉末爆炸压实过程中颗粒的碰撞问题进行了数值模拟。在二维及三维模型下,模拟出了微射流的产生及孔隙塌缩闭合过程,验证了粉末压实理论。另外还利用三项式状态方程及Rankine-Hugoniot关系推导得出了LS-DYNA中采用的高压下固体材料的Grüneisen状态方程。     

溃坝流的光滑粒子法模拟

用光滑粒子法模拟几种情况的溃坝流动,对坝外无水和有水的情况进行二维模拟,对坝外有立柱的情况进行三维模拟.流动控制方程采用雷诺平均方程模拟溃坝流动的湍流效应,采用混合长度形式的涡粘模式对控制方程进行封闭,推导其相应的光滑粒子形式的方程.模拟结果表明,数值模拟的流动特征与实验结果符合得非常好,说明发展的光滑粒子法有效.     

高速碰撞数值计算中的SPH分区算法

针对高速碰撞问题大变形局部化的特点,提出一种分区计算的光滑粒子法.将整个计算域划分为若干子域,在可能发生大变形的子域布置较多的粒子,其它子域布置较少的粒子.分析子域交界面上产生计算不稳定的原因并提出解决方案.采用该方法对长杆弹侵彻厚靶板问题进行数值模拟,并与传统方法进行对比.结果表明,分区算法在保证计算精度的前提下,能显著提高光滑粒子法的计算效率.     

Study of the Imbibition Phenomenon in Porous Media by the Smoothed Particle Hydrodynamic (SPH) Method

Over recent decades, studies in porous media have focused on many fields, typically in the development of oil and gas reservoirs. The imbibition phenomenon, a common mechanism affecting multi-phase flows in porous media, has shown more significant impacts on unconventional reservoir development, where the effect of the pore space increases with decreased pore sizes. In this paper, a comprehensive SPH method is applied, considering the binary interactions among the particles to study the imbibition phenomenon in porous media. The model is validated with physically meaningful results showing the effects of surface tension, contact angle, and pore structures. A heterogeneous porous medium is also constructed to study the effect of heterogeneity on the imbibition phenomenon; it can be referred from the results that the smaller pore throats and wetting surfaces are more preferred for the imbibition. The results show that the SPH method can be applied to solve the imbibition problems, but the unstable problem is still a sore point for the SPH method.     

二维管道充填过程的修正SPH模拟

通过施加一种密度初始化方法对传统光滑粒子动力学(SPH)方法进行修正,提出一种修正SPH方法.同时,为了提高边界上数值计算的准确性,提出一种新的固壁边界处理方法.通过修正SPH方法模拟液滴拉伸问题和溃坝问题,验证修正SPH方法的准确性和可靠性.随后,对研究很少的管道充填过程进行修正SPH模拟,并讨论Re对流场及涡的影响.数值结果表明,修正SPH方法能够准确模拟牛顿流体管道充填过程,且流动受Re的影响较大.