岩石中强爆炸动力学过程数值模拟

在地下结构抗强爆炸作用的安全和防护研究中，需要对强爆炸的力学效应进行三维数值模拟。强爆炸的早期过程很复杂，在计算强爆炸的力学作用时一般可将其初始反应阶段结束时刻作为初始时刻，把强爆炸力学作用过程简化为铁蒸汽球等熵膨胀过程中对周围介质的作用。利用LS-DYNA^3D软件的用户自定义材料模型接口，将上述简化的强爆炸源作为一种独立的材料模型，实现了LS-DYNA^3D软件模拟强爆炸力学作用的功能。使用加入了强爆炸模型后的LS-DYNA^3D软件计算了花岗岩中强爆炸自由场应力波参数和空腔解耦强爆炸对壁面的压力，得到的结果与实测值和其他学者研究结果符合较好。研究结果为各种地下结构受强爆炸作用问题的三维数值模拟提供了计算工具。

多物质流体动力学方法与结构动力学方法结合的流固耦合计算技术

建立一种基于重叠网格空间覆盖判断的流固耦合计算技术,把流场计算的Euler多物质流体动力学计算过程和Lagrange结构动力学计算过程相结合以描述流固间的相互作用.介绍该计算技术的具体实现过程,讨论提高几何判断效率、避免耦合遗漏、流固计算时间步协调等处理技术.应用建立的流固耦合计算程序模拟爆炸容器中爆炸流场对容器内部结构、容器壳体的作用过程.计算结果表明其可以反映流场发展过程、流场结构相互作用和结构的运动变形和破坏过程.

用于爆炸流场与结构间相互作用分析的Euler-Lagrange耦合模拟技术

介绍了1种把Eulerian计算过程和Lagrangian计算过程耦合起来的数值技术,编写了计算程序,把爆炸流场作用过程和结构动力学响应过程的计算结合起来,实现了爆炸流场对结构加载和结构动力响应及对爆炸流场反作用过程的模拟。利用Eulerian过程的流体弹塑性有限差分计算程序MMIC(multi-materials in cell)模拟爆炸流场发展过程,利用Lagrangian过程的结构动力学有限元计算程序模拟结构响应。应用Euler-Lagrange耦合技术分析了爆炸作用下飞片的变形、破坏和对靶体的侵彻过程,计算结果表明,本文的方法可以较好地反映流场与结构各自的运动发展及相互间作用过程。

入水问题的Euler-Lagrange流固耦合数值模拟技术研究

针对结构入水过程的特点,建立了一种把Eulerian计算过程和Lagrangian计算过程耦合起来的数值技术,编写了计算程序,把结构对水作用的过程和结构动力学响应过程的计算结合起来,实现了结构与水之间流固耦合作用过程的模拟.其中水、空气的运动利用Eulerian过程的流体弹塑性有限差分计算程序进行模拟,结构的运动变形利用Lagrangian过程的结构动力学有限元计算程序模拟结构响应.通过板入水问题的计算结果与商业软件计算结果进行比较,验证了计算方法对流固间相互作用处理的正确性.本文计算程序可用于一般入水问题的结构响应-流场运动分析中.

基于MATLAB的单周期控制PFC Boost变换电路建模与仿真

阐述了单周期控制及单周期控制Boost电路功率因数校正的工作原理。利用MATLABSIMULINK/PSB,建立了单周期控制的功率因数校正PFC Boost变换电路的仿真模型,并给出了相应的仿真结果。

入水后爆炸问题的数值模拟技术

应用各种数值计算方法及计算处理技术,编制程序实现了对弹体入水后爆炸问题全过程的数值模拟。其中弹体与水、爆轰产物气体与弹壳之间的相互作用通过流固耦合技术来描述;水面与空气、爆轰产物与水、空气之间的相互作用采用VOF方法(Volume-of-Fluid)来描述;采用了刚体-柔体转换、单元失效删除等计算技术以更高效、更好地模拟弹体入水后爆炸整个过程。应用本文的计算程序对的弹体入水后爆炸过程进行了数值模拟,计算结果表明本文的计算程序可以较好地模拟弹体破坏过程和水-空气、水-爆炸轰产物气体界面运动过程。

流固耦合方法在侵彻弹体磨蚀研究中的应用

针对高速侵彻问题中磨蚀过程的特点,初步实现了磨蚀处理模型与流固耦合计算程序的结合。其中弹体运动由拉氏网格描述,靶板材料运动由欧拉网格描述,弹靶间的相互作用以流固耦合技术实现,弹体表面磨蚀等局部效应采用节点回退的弹形修正方法描述。弹体和靶板之间的相互作用由流固耦合方法描述。流固耦合技术的引入可以使得磨蚀处理时回避节点回退与Lagrangian接触算法协调的问题。该方法已经编程实现,数值算例结果表明该处理方法基本可行。

基于量纲分析的爆炸冲击波作用后钢化玻璃碎片质量分布规律研究

为研究爆炸冲击波作用于钢化玻璃产生碎片造成的次级毁伤效应,开展了钢化玻璃毁伤效应试验,进行了碎片质量分布统计。通过整理分析试验数据,得到了每发次试验碎片质量在不同飞散距离的试验统计结果。利用量纲分析,推导了碎片质量与飞散距离的无量纲函数关系式。基于该关系式,结合试验统计结果,利用最小二乘法拟合得到了碎片质量与飞散距离的半经验预测公式,并分析了公式的特点,验证了预测公式的合理性。研究结果表明,对于相同厚度的钢化玻璃,在相同破坏模式下其碎片质量分布规律一致,满足相同的分布规律预测公式。

钢化玻璃冲击波毁伤效应测试结果分析

为研究爆炸冲击波对钢化玻璃的毁伤阈值,开展了钢化玻璃冲击波毁伤效应实验。对每一发实验进行了爆炸参数测试,获得了冲击波超压随时间变化历程的实验数据。通过对实验数据的处理与分析,得到了爆炸冲击波基本参数,包括正反射超压、冲击波到时、正压作用时间、正反射冲量、负反射超压、负压作用时间和负反射冲量等。将实验结果与CONWEP计算结果进行了比较,比较结果表明二者误差很小,证明冲击波测试结果准确可靠。对冲击波正负反射参数进行了比较,结果表明冲击波正反射参数明显高于冲击波负反射参数。

空中强爆炸冲击波地面反射规律数值模拟研究

为准确预测空中强爆炸产生的冲击波载荷分布,基于欧拉坐标系建立了能够模拟具有高密度比、高压力比的强激波问题的二维多介质流体数值方法。结合网格自适应技术,对1 kt TNT当量的空中强爆炸在不同爆炸高度下的冲击波地面反射过程进行了数值模拟,并考虑了真实气体状态方程和空气随高度不均匀分布的影响。计算得到了地面上距爆心投影点大尺度范围内的反射超压和冲量等冲击波载荷分布,并给出了冲击波载荷随爆高的变化规律。

TNT空中爆炸冲击波传播数值模拟及数值影响因素分析

利用LS-DYNA有限元软件模拟了无限空间中TNT装药爆炸产生的冲击波传播过程,通过调整JWL状态方程参数,得到了与相关实测结果比较一致的超压峰值和正压冲量等冲击波参量。讨论了网格密度和无反射边界条件对计算结果的影响,并对当量为1kg、1t和1kt TNT空中爆炸产生的冲击波进行了数值分析,数值模拟结果符合空中爆炸相似律理论。

平面激波加载下砂墙结构的冲击响应特性

砂墙结构在爆炸安全防护领域具有广泛应用,为了研究激波加载下砂墙结构的冲击响应特性,基于水平激波管实验装置,开展平面激波冲击砂墙结构系列实验,采用高速纹影摄像系统捕捉流场中激波波系的演化过程和砂墙结构的运动过程。入射激波马赫数为1.827~2.413,相应入射激波载荷强度为0.378~0.724 MPa。砂墙结构利用铁砂、矾土、石英砂3种实验用砂制备,所制备砂墙结构孔隙度分别为56.6%、69.3%、56.6%。高速纹影照片显示:平面激波冲击砂墙结构发生反射和透射,伴随入射激波和透射激波的传播,在百微秒内,砂墙未产生显著运动,表现出显著的类固体动力学响应特性。基于冲击理论,确定了铁砂墙、矾土砂墙、石英砂墙的线性冲击关系,冲击关系中线性常数λ值量级为100,根据凝聚介质实用状态方程推断:较低强度载荷冲击作用下,砂墙主要产生体积变形,而由冲击引起的热能效应则可以忽略。

筒状弹体垂直侵彻钢筋混凝土墙的数值模拟

采用ANSYS/LS-DYNA软件,对钢筋混凝土墙在受到筒状弹体侵彻撞击、钢筋约束力、及壁面摩擦力等综合作用下的力学效应进行了数值模拟,展现了弹体冲击作用下,钢筋混凝土靶体破碎、飞溅成坑、墙体整体滑移和背面层裂等现象,计算结果与试验宏观破坏现象吻合良好,说明材料模型和参数正确,模拟方法可行。

厚壁圆筒的载荷特征与变形规律研究

为了研究厚壁圆筒在受到相同冲量但载荷特征不同时材料的变形规律,分别采用解析解、LS-DYNA软件和有限元计算程序对厚壁圆筒在受到内压作用下的力学响应进行了计算比较,在得到基本一致的结果后,利用有限元计算程序对冲量相同时四种加载方式下厚壁圆筒的动力学响应进行了计算,计算结果表明冲量相同时,不同载荷特征的载荷作用下的应变是不同的,应变与载荷作用时间和大小相关.

基于量纲分析法的地运动折合位移势规律研究

地运动折合位移势是空腔解耦爆炸、应力波传播、地下爆炸、地震耦合效应等研究中的重要物理量。将数值计算与量纲分析相结合,分析了折合位移势关于载荷和材料模型参数的依赖关系,建立了一定条件下折合位移势的经验估算公式,并使用最小二乘法和牛顿迭代法拟合得到了待定系数。该公式定量地反映了折合位移势与空腔半径、压力峰值、作用时间、介质密度、屈服强度和弹性模量之间的函数关系,计算值与程序的模拟值吻合较好,可为折合位移势的预测提供有效参考。在此基础上讨论了折合位移势的变化规律。

密闭空腔内强爆炸冲击波壁面反射规律研究

为合理模拟强爆炸过程中的冲击波传播过程,将变γ状态方程加入LS-DYNA3D971接口用户子程序中。利用该程序对一维球对称密闭空腔内强爆炸冲击波反射过程进行了数值模拟,并通过参数敏感性分析确定了合理的强爆炸源初始参数,计算得到的固壁处冲击波到时、反射超压和反射冲量等数值模拟结果与实验结果基本一致,验证了数值模拟程序和强爆炸源参数选取的合理性。

基于SD_Toolbox和Cantera的气体C-J爆轰参数计算及规律分析

为研究混合气体爆轰问题,通过利用冲击爆轰专业计算工具箱SD_Toolbox和开源的化学反应动力学计算代码Cantera研究了气体C-J爆轰参数计算方法与规律。结果表明:将SD_Toolbox和Cantera耦合可以进行混合气体爆轰问题的C-J爆轰参数计算;以H_2/O_2、CH4/O_2和C_2H_2/O_2三种不同的混合气体组分为例,在化学反应比初始条件下,分别计算了其C-J爆轰参数;通过与文献中结果的比较,验证了计算的准确性。可见,基于SD_Toolbox和Cantera可以进行气体C-J爆轰参数规律分析,包括初始温度、初始压力和爆炸气体浓度对爆轰产物压力、密度、温度和爆轰波速的影响规律等。

基于AFEPack软件包的并行显式有限元程序开发

为实现对大型复杂结构在冲击载荷下的高效率数值模拟,采用弹-塑性流体力学模型,设计了区域分解的显式动力学有限元并行算法,并基于面向对象的、具有并行与网格自适应功能的有限元软件包AFEPack,方便地解决了非结构网格的自动区域划分、内边界上的数据通信和动态负载平衡等关键技术问题,并开发了三维拉格朗日动力学有限元程序。通过算例验证,计算结果合理,与LS-DYNA3D计算结果符合较好,表明关键算法及程序正确,具有较高的并行效率。

多层柱壳容器弹塑性动态结构响应和优化研究

在轴对称平面应变条件下,对多层柱壳的静态载荷弹塑性响应和单层柱壳的动态载荷弹性响应进行了理论分析和优化研究。在多层柱壳的静态载荷弹塑性响应中,建立了求解多层柱壳的静态载荷弹塑性响应,并对多层的静态载荷响应问题进行了初步的优化。对单层柱壳动态载荷的位移分布进行了理论求解,利用微分方程变换理论,得到了柱壳位移级数解。以此为基础,开展了多层柱壳容器结构响应行为的数值模拟,验证了理论计算结果,同时改变各层柱壳厚度和间隙,进行了优化分析,给出了较为合理的厚度和间隙尺寸。

多用途流固耦合结构动力学计算程序研究

结合Eulerian流体弹塑性计算方法和Lagrangian结构动力学计算方法的特点,自主提出了一种比较通用的Euler-Lagrange流固耦合数值模拟计算技术,幵编制形成了一套包含多种材料模型、状态方程及加载方式的多用途流固耦合计算分析程序。测试算例表明,自主开发的流固耦合算法使得流固间的相互作用可以更好地被监控、评价,从而可以更好地分析流场传递到结构中的载荷作用及流固相互作用过程。同时可为核工程中的爆炸、冲击载荷下结构安全性评价提供了一个较好的分析平台,也可为相关多物理场耦合计算技术的开发提供基础平台。