两种数值算法在球形弹丸侵彻复合靶中的应用

分别采用有限元法(FEM)和有限元同光滑粒子耦合(FE/SPH)算法对球形弹丸侵彻复合靶板过程进行数值研究。采用14.5 mm滑膛枪发射直径6 mm的钢质球形弹丸侵彻不同组合的钢/铝爆炸复合靶,通过弹道实验对数值算法的有效性进行验证。讨论了2种数值算法描述实验现象和结果的适用性,分析了靶板的破坏模式、层数、面密度和组合方式对靶板弹道性能的影响。结果表明:FEM算法较FE/SPH耦合算法能更直观地再现靶板层间结合界面的拉伸破坏形貌,且对实验结果的定量描述比FE/SPH耦合算法更接近实验结果,Tie-Break模型能够有效地反映靶板层间结合强度的影响;在球形弹丸的侵彻作用下,面板和夹板发生剪切冲塞破坏,铝背板发生延性扩孔破坏,钢背板发生瓣状破坏;在面密度相同的情况下,钢/铝/钢3层靶板具有最佳的抗侵彻性能。     

两种数值算法在球形弹丸侵彻复合靶中的应用

分别采用有限元法(FEM)和有限元同光滑粒子耦合(FE/SPH)算法对球形弹丸侵彻复合靶板过程进行数值研究。采用14.5 mm滑膛枪发射直径6 mm的钢质球形弹丸侵彻不同组合的钢/铝爆炸复合靶,通过弹道实验对数值算法的有效性进行验证。讨论了2种数值算法描述实验现象和结果的适用性,分析了靶板的破坏模式、层数、面密度和组合方式对靶板弹道性能的影响。结果表明:FEM算法较FE/SPH耦合算法能更直观地再现靶板层间结合界面的拉伸破坏形貌,且对实验结果的定量描述比FE/SPH耦合算法更接近实验结果,Tie-Break模型能够有效地反映靶板层间结合强度的影响;在球形弹丸的侵彻作用下,面板和夹板发生剪切冲塞破坏,铝背板发生延性扩孔破坏,钢背板发生瓣状破坏;在面密度相同的情况下,钢/铝/钢3层靶板具有最佳的抗侵彻性能。     

SPH-FEM耦合方法在切削加工数值模拟中的研究

针对SPH与FEM的各自特点,采用SPH与FEM耦合的方法进行切削加工数值模拟。在变形比较小处采用FEM,以提高计算精度和效率;在变形较大处采用SPH,以避免网格畸变造成计算困难。在ABAQUS软件环境中,建立了弯颈刨刀对45号钢切槽的SPH-FEM耦合模型,模拟了刨削过程材料的应力、切削应力,验证了耦合算法的有效性。     

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.     

基于物理碰撞的边界处理方法

传统的光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)方法在模拟流体时,核函数一致性的局限性导致在边界处产生较大的数值耗散,降低了边界处粒子的密度值及压强值的计算精度,导致流体体积的错误变化,进而影响模拟效果。文章提出一种SPH方法和物理碰撞相耦合的方法,对于非靠近边界的粒子,用SPH方法计算它们的各种属性;对于靠近边界处的粒子,赋予它们静止密度,使用纯粹的物理弹性碰撞来计算其速度和位置。在此过程中,文章给出了一种有效区分靠近边界的粒子和非靠近边界的粒子的方法;此外还加速了Marching Cubes算法。通过对比实验结果发现,该文方法可以准确计算流体的密度及压强,使得流体体积更加地接近精确值。     

基于二维颗粒元法的超高速碰撞薄靶数值模拟

传统基于网格数值方法在模拟超高速碰撞时存在着材料大变形引起节点位置异常变化,导致单元畸变严重使计算无法进行;尤其是超高速碰撞中引起的材料断裂、破碎等用传统网格算法很难准确描述. 为克服传统网格算法在模拟超高速碰撞时存在的缺陷和不足,用二维颗粒元法模拟直径为5 mm球形弹丸以4~7 km/s对2 mm厚的靶板碰撞. 模拟结果表明,该方法克服了计算过程中存在的网格畸变现象,模拟得到的弹丸对薄靶开孔规律和形成碎片云形貌与实验基本吻合,证实了二维颗粒元法可作为新方法模拟超高速碰撞.     

砂土地基触地爆炸的SPH-FEM耦合分析方法

针对砂土地基触地爆炸问题,在LS-DYNA框架内建立了有限元法和光滑质点流体动力学法相耦合的数值分析方法SPH-FEM。该耦合法结合了FEM的高计算效率和SPH在处理土体爆炸大变形方面的优势,通过精确捕捉SPH粒子的运动,可以直观再现爆坑形态的发展全过程,适合描述爆炸大变形问题。数值结果显示,爆炸波在近区表现的强间断冲击波,是造成土体流动大变形的重要因素; 土体参数在正常范围的浮动对爆坑尺寸具有一定影响,在设计应用时应予以考虑。利用SPH-FEM耦合法计算得到的爆坑形态和尺寸与ConWep程序经验数据基本一致,验证了SPH-FEM耦合法在分析触地爆炸问题中的正确性。     

基于FE-SPH耦合算法的球体冲击问题研究

为充分利用SPH方法处理大变形问题与FEM方法处理冲击问题时各自的优势,提出了新型的三维SPH-FEM耦合算法,该算法在大变形区域采用SPH粒子离散,从而克服FEM方法单元畸变存在的问题,其他模拟区域使用FEM单元离散,既可以避免SPH边界效应,也能保证耦合界面物理量具有连续性。使用该算法分别对球体冲击土壤与水域的过程进行了三维数值模拟,选取含损伤的Johnson-Cook模型和Mie-Gruneisen状态方程对土壤与水域进行参数计算,对比分析球体在土壤与水域中的速度、加速度以及有效应力数据结果,分析可知,此次模拟结果与其他已有仿真结果基本吻合,验证了采用FE-SPH耦合算法处理结构与流体相互作用问题是可行和有效的,为求解流固耦合问题提供了一条崭新的途径。     

碰撞倾角对碎片云分布影响的数值模拟

研究超高速斜碰撞所形成的二次碎片云的分布特性. 采用SPH与Lagrange耦合的方法计算了靶板上的穿孔尺寸随碰撞倾角的变化,并在此基础上模拟了碰撞倾角对二次碎片云分布的影响. 计算结果与实验拟合结果表明,所采用的耦合方法可以很好地模拟穿孔尺寸和二次碎片云分布;当碰撞倾角增大到60°时,法线碎片云的质心轨迹与直线碎片云的质心轨迹明显分离,并且反跳碎片云中弹丸材料的粒子数目将显著增加.     

基于SPH方法的渤海海冰动力学数值模拟

简要介绍了光滑质点流体动力学 (smoothed particle hydrodynamics,简称SPH) 方法的基本原理,并将此方法应用到渤海海冰动力学数值模拟中. 在对海冰动力学方程和粘弹塑性本构方程进行SPH处理的基础上,对渤海海冰的动力演化过程进行了48 h的数值模拟,得到了海冰厚度、密集度、速度和主应力的演化过程及分布规律,同时对模拟的海冰厚度等值线分布与卫星遥感图像进行了对比分析. 数值模拟结果表明,SPH能够精确地模拟海冰分布规律以及冰缘线的位置,具有很高的计算精度和稳定性,是一种有效的海冰动力学数值模拟方法.     

Al/PTFE活性材料弹丸冲击/爆燃行为数值模拟研究

针对活性材料冲击/爆燃释能行为的定量研究问题,基于AUTODYN软件的二次开发功能,编写了适用于活性材料的状态方程、点火模型及整体反应度计算子程序,实现了对活性材料弹丸在高速侵彻过程中爆燃反应行为的数值模拟.通过对Al/PTFE活性材料弹丸高速碰撞2024铝合金间隔靶板的数值模拟,得到了碰撞过程中活性破片的形貌演化规律,以及粒子反应度、温度、压力等参量随时间的变化曲线,进而实现了对活性材料冲击/爆燃释能行为的定量分析. 结果表明,反应度随时间的变化趋势与试验中活性材料弹丸释能发光的变化趋势一致,温度计算与先前试验结果相符,说明该数值模拟方法可以很好地反映Al/PTFE活性材料弹丸在高速撞击过程中的冲击/爆燃释能过程.      

弹丸侵彻钢板夹层钢纤维混凝土遮弹板数值模拟

为研究钢板夹层钢纤维混凝土遮弹板抗侵彻性能,利用ANSYS/LS-DYNA3D有限元计算软件,数值模拟了高速弹丸撞击钢板夹层钢纤维混凝土遮弹板的过程,得到了弹丸侵彻靶板的速度、加速度变化曲线。通过分析不同弹速产生的弹丸速度及加速度的变化,得出不同初速条件下弹丸速度与时间的关系和加速度变化规律。该研究为组合遮弹板结构抗侵彻性能提供了理论依据,解决了过程计算的繁琐问题。     

高速碰撞下二次破片光滑粒子流体力学法数值模拟

采用AUTODYN-2D无网格光滑粒子流体力学方法(SPH)数值技术,对遭遇速度为1.5～2.5 km/s下圆柱钨弹丸垂直碰撞装甲靶板产生的二次破片云分布特征进行了数值模拟,获得了不同碰撞速度下靶板穿孔直径及破片云前端运动速度、侧向膨胀速度和最大飞散角等分布特征.在此基础上,建立了二次破片云质量及空间分布预测模型.结果表明,数值模拟和模型预测均与实验结果相吻合.     

基于SPH方法高速射流冲刷的模拟

针对有限单元法在处理大变形中的网格重构、网格畸变等问题的困难,采用SPH方法模拟高速射流冲刷过程。SPH方法是一种纯拉格朗日型的无网格粒子法,能够有效地避免大变形中的各种网格问题。采用该种方法主要模拟不同工况下的冲坑发展情况,冲刷对象选LS-DYNA中的MAT147材料模型。计算结果表明采用SPH方法可以形象、直观地反映高速射流冲刷的过程,并且能够清楚地描述粒子速度场和砂床内部压力场的演变,所得结果可以为高速淹没射流的研究提供参考。     

冲击载荷下颗粒碰撞的SPH法数值模拟

颗粒高速碰撞问题是冲击动力学领域中的一个重要研究方向。本文利用SPH无网格方法,建立了三层10颗粒SPH质点模型,对冲击载荷作用下无氧铜颗粒高速碰撞过程进行了二维数值模拟,得到了四种不同冲击速度下的颗粒变形结果。对结果对比分析后发现,对于直径为1 mm的铜颗粒,只有当冲击速度达到300 m/s时颗粒碰撞才会形成射流及侵彻,射流速度约为1500 m/s。研究结果表明射流的形成是颗粒高速碰撞形成牢固结合的重要条件。     

基于OTM方法的超高速碰撞问题数值模拟

最优输运无网格方法(optimal transportation meshfree method,OTM)相比传统的SPH方法,可以有效克服现有显式分析中能量不守恒问题,完全避免SPH方法中存在的拉力不稳定性,并可规避零能模式的出现.本文采用OTM方法对铝制球形弹丸超高速撞击铝合金靶板问题开展了数值模拟研究.为描述铝在高温高压和高应变率条件下的动态力学响应,采用Johnson-Cook材料模型和Mie-Grüneisen状态方程对超高速撞击单层靶板进行数值模拟,得到的弹坑直径、碎片云长度与宽度以及内核碎片云的形态和分布与实验吻合较好.此外,对超高速撞击双层靶板问题也进行了数值模拟,模拟得到的碎片云形貌参数符合实验结果,二次碎片云的模拟长度与实验结果仅相差2.6%.数值模拟结果表明OTM方法非常适合于模拟超高速碰撞问题.     

基于新型轴对称无网格方法的水下爆炸冲击波和气泡运动数值模拟

采用无网格光滑粒子流体动力学（smooth particle hydrodynamics,SPH）方法,结合粒子体积自适应技术（volume adaptive scheme, VAS）构建高精度、高效率的新型轴对称SPH模型,实现水下爆炸冲击波和气泡运动模拟。在冲击波传播阶段,通过与经验公式及文献理论值对比,验证了该轴对称SPH模型的精度。针对气泡脉动模拟,选取典型的双气泡耦合问题,分析气泡形态和压力载荷的力学特性,讨论了两气泡之间的距离参数对气泡相互作用过程的影响。结果表明,该新型轴对称SPH模型可实现水下爆炸过程压力载荷和气泡形态演化的精确预报。     

基于SPH方法的球形弹丸撞击薄板研究

基于显示中心差分计算格式,应用光滑粒子流体力学方法(SPH)模拟计算了直径为6.35 mm铝球正撞薄铝板的过程,并将计算结果与闪光X射线照相系统所拍摄的结果相比较。对比研究结果大致得出了球形弹丸内部应力波传播的规律。并定性验证了靶板厚度与球形弹丸变形与破碎间的规律。所得结论为进一步深入研究弹丸破碎以及Whipple防护结构撞击极限取相参数优化提供一定的依据。     

SPH方法在溃坝数值模拟中的应用

光滑粒子流体动力学(SPH)方法是一种纯拉格朗日无网格方法,适用于模拟波浪破碎、高速水流、高速冲击碰撞等瞬时极大变形的问题。介绍了SPH方法的基本原理、核函数及离散格式的控制方程、边界处理方法等,建立了数值水槽模型,验证了模型的有效性。应用SPH方法模拟了二维溃坝问题,考虑了添加无孔障碍物和有孔障碍物的2种情形,将模拟得到的结果进行对比分析。结果表明,SPH方法能够很好地捕捉流体自由面变形、飞溅及融合现象,在一定程度上有孔障碍物有更好的消能效果。     

基于分子间作用力改进的液体表面张力处理算法

基于光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)方法处理液体自由表面是一个挑战性问题,其主要原因是液体自由表面张力难以真实模拟以及气-液交界面的粒子不足造成的边界截断所引发的数值计算不稳定。文章在传统的处理表面张力的粒子间相互作用力(inter-particle interaction force,IIF)模型基础上,结合气体压力法,构造了一种新的液体表面张力处理算法。仿真实验结果表明,该文方法能够稳定和比较准确地模拟液体自由表面张力,模拟的液体自由表面更光滑、更真实。此外,该文还提出了一种新的核函数,提高了模拟效率。