一种光滑粒子流体动力学-有限元法转换算法及其在冲击动力学中的应用

为了解决冲击动力学中的大变形问题,提出了一种光滑粒子流体动力学-有限元法(SPH-FEM)转换算法,以等效Mises应力作为转换判据,将冲击过程中局部大变形区域的有限元网格转换为SPH粒子.该算法在大变形区域使用具有优势的SPH,在小变形区域使用精度和效率更高的FEM,为冲击动力学问题的数值计算提供了一条有效途径.使用SPH-FEM转换算法对圆柱形钢弹正冲击钢板发生冲塞破坏的过程进行了三维数值计算,计算结果与实验吻合较好,显示了该算法在计算精度方面的优势.在实际工程中,需要根据具体材料的失效模式,选择更加合适的转换判据.     

7.62mm步枪弹正冲击30CrMnSiA钢板破坏效应试验

采用Φ25口径弹道滑膛炮发射7.62 mm步枪弹头对经过某热处理工艺的4.1 mm厚30CrMnSiA钢板进行了正冲击弹道破坏效应试验.冲击速度为600～890 m/s.随着冲击速度的增加,通过试验分别观察到靶板的破坏模式依次经历隆起和盘形凹陷的塑性变形、花瓣型破坏以及冲塞型破坏3种模式.弹道极限速度在662 m/s左右.试验结果分析表明,对靶板的冲击效应主要体现在弹头内强度较高的钢芯上,但当冲击速度提高到一定程度之后,被甲的质量效应开始表现出来,形成继钢芯冲塞靶板之后的二次冲塞;冲击之后的弹头钢芯头部镦粗,且其镦粗程度随弹头冲击速度的提高逐渐降低,一般不发生质量侵蚀现象.     

修正变光滑长度SPH方法及其应用

提出了修正的变光滑长度SPH方法及其算法实现.与传统变光滑长度SPH法相比,新方程组基于对称形式核函数近似,并从根本上考虑了变光滑长度影响.方程组中,密度演化方程与变光滑长度方程隐式关联;而SPH动量方程和能量方程在Springel提出的全守恒SPH方程组基础上,改进其分散核近似形式为对称核近似形式得到.由于新方程组密度演化方程和变光滑长度方程隐式耦合,采用迭代求解密度演化方程和变光滑长度方程,显式求解SPH动量方程和能量方程的办法,迭代过程增加的计算量相对很少.给出了2个一维激波管算例和二维 Sedov算例来验证方法的有效性.结果表明,新方法很好地解决了传统SPH法中变光滑长度影响,特别是在模拟二维 Sedov问题时新方法能得到比Springel方法更准确的压强峰值位置,中心压强也更接近理论值.特别适合模拟爆炸与冲击、大变形大扭曲等密度和光滑长度变化剧烈的问题.     

基于OpenMP和Pardiso的柔性多体系统动力学并行计算

为加快大型、复杂柔性多体系统的动力学仿真的速度,对多体系统动力学的并行算法进行研究。首先分析了微分代数方程(differential algebraic equations,DAEs)在数值计算求解过程中主要的计算量。据此,提出采用OpenMP并行计算系统的刚度矩阵、右端项和采用并行的稀疏线性方程组求解器Pardiso对线性方程组进行求解的并行策略。将这两种并行策略应用到自主开发的柔性多体系统动力学软件THUSolver中,实现了对多体系统动力学的并行计算。通过两个工程算例的仿真得到并行的加速比和计算效率,结果表明:采用的两种并行策略都有很高的计算效率,能大幅提高多体系统动力学仿真的速度。     

稳定磁流体局部径向基点插值法误差影响因素分析

稳定磁流体流动方程局部径向基方法的关键参数对计算结果误差影响较大,确定这些参数的最优值将提高计算精度。通过对具体磁流体流动数值仿真计算分析局部径向基算法典型参数对计算结果精度的影响,并得到其变化规律,最终确定了LRPIM法计算磁流体流动典型参数的最优值。     

粘弹性体的多体系统动力学建模

根据材料各向同性假设和分数阶导数的Grünwald定义,分析和研究了三维分数阶导数本构方程描述的粘弹性体的特性。基于虚功原理和连续介质力学理论推导了含分数阶导数本构的粘弹性体的多体系统动力学方程。由于在推导过程中采用完全非线性有限元法,因此该动力学方程能准确描述多体系统中柔性体的大变形和任意的刚体运动。采用隐式的BDF(backwards differentiation formulation)积分格式和Newton-Raphson迭代算法对动力学方程进行求解。最后通过数值算例对比研究了数值积分步长、分数阶导数的指数与截断级数等参数对系统动力学行为的影响规律。结果表明:对于粘弹性耗散多体系统,步长不应太大;分数指数越大,松弛时间越小,则材料阻尼越大;应合理地选择截断级数,这样既反映了材料特性又节省了计算时间。     

杀伤战斗部破片飞散特性的数值模拟

应用LS-DYNA3D程序,采用Euler流体和Lagrange刚体耦合、离散化破片建模技术对全预制破片杀伤战斗部的爆轰驱动过程进行了三维数值模拟。在全局坐标系下,对所有破片的飞散速度和飞散角度进行了编程计算。在破片加速飞行阶段的不同时间点,分别对不同飞散速度区间和不同飞散角度区间的破片数进行了统计。得出了破片飞散速度区间和速度标准差随时间减小,破片飞散角度区间和飞散角度标准差随时间增大的结论。表明,破片飞散速度呈现均匀化,而飞散角度呈现离散化的特点。经分析计算得出,装药内能转化为破片动能的转化率为33.34%,与公开文献数据吻合较好。该结论可作为杀伤战斗部威力评估研究的参考依据。