基于拟流体模型的SPH新方法及其在弹丸超高速碰撞薄板中的应用

引入颗粒动力学理论(拟流体模型)建立了适用于超高速碰撞的SPH新方法。将超高速碰撞中处于损伤状态的碎片等效为拟流体,在描述其运动过程中引入了碎片间相互作用和气体相对碎片的作用。采用该方法对球形弹丸超高速碰撞薄板形成碎片云的过程进行了数值模拟,得到了弹坑直径、外泡碎片云和内核碎片云的形状、分布,并与使用传统SPH方法、自适应光滑粒子流体动力学(ASPH)方法的模拟结果进行对比,结果显示:新方法在内核碎片云形状和分布上计算结果更加准确。同时对Whipple屏超高速碰撞问题进行了研究,分析了不同撞击速度下防护屏弹坑尺寸及舱壁损伤特性等特性,计算结果与实验吻合较好且符合Whipple防护结构的典型撞击极限曲线。

SPH算法在超高速碰撞数值模拟中的应用

采用大型动力学软件Ls-dyna中的SPH求解器,对球形弹丸超高速碰撞靶板的过程进行数值模拟。给出由于碰撞速度不同,而引起的不同的碎片云图像,以及不同的靶板破碎孔的尺寸。同时模拟了入射角度不同,而得到不同的超高速碰撞物理过程。初步分析结果表明数值模拟结果是合理的,较清晰地模拟了超高速碰撞下碎片云的生成、膨胀过程。另外,通过数值模拟结果与实验结果的比较分析,表明SPH方法得到的结果能描述相应的超高速碰撞现象。所以采用SPH算法针对超高速碰撞物理过程进行数值模拟是可行的。

空间碎片超高速碰撞的数值方法研究

应用非线性动力学数值仿真软件AUTODYN-2D对空间碎片的超高速碰撞问题进行模拟,研究不同数值计算方法和材料模型的适用范围,空间碎片形状对碎片云的影响,冲击相变等问题。结果表明,在研究超高速碰撞中普遍采用的SPH方法可以很好地模拟碎片云的情况,但是难以对冲击相变问题进行模拟,而采用侵蚀模型的拉格朗日方法可较好地反映冲击相变现象。Tilloston状态方程适用于描述冲击相变问题,包括汽化问题。Johnson-Cook强度模型用来对应变硬化、应变率硬化以及熔化等问题进行模拟。因此,在当速度足以使材料发生相变时,Tilloston状态方程和Johnson-Cook强度模型是比较好的选择。

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.

球形弹丸超高速碰撞破碎特性

讨论超高速碰撞数值模拟方法,用ANSYS/AUTODYN程序的SPH方法对球形弹丸超高速撞击时弹丸破碎、碎片云形成过程进行数值模拟并与实验结果比较,验证计算方法及模型参数的正确性。在此基础上研究钨合金、轧制均质装甲(Rolled Homogeneous Armor,RHA)两种材料球形弹丸破碎的临界速度随比值(ts/dp,ts为靶板厚,dp为弹丸直径)的变化规律,给出两种材料超高速碰撞时应变率及平均碎片尺寸随撞击速度的变化曲线以及碎片质量分布规律。

SPH方法在超高速撞击问题中的应用研究

基于自编SPH程序,模拟了球形弹丸超高速撞击薄板。将模拟结果与实验X照片、弹丸变形后的轴向径向尺寸等数据进行对比,定量研究了不同靶板厚度时弹丸内部应力波分布。结果表明,模拟结果与实验数据基本吻合。相同弹丸速度时,靶板越薄弹丸内部冲击波越容易被卸载,速度较低的弹丸后半部分未出现明显塑性变形。弹丸内部冲击波在弹丸后表面反射形成的拉伸波与冲击波相互作用,弹丸后半部分材料剥落,弹丸速度较大时甚至会使剩下的弹丸主体部分破碎,弹丸速度较小时,内部冲击波强度低,弹丸后表面材料并未剥落。

圆柱形长杆超高速正碰撞薄板结构破碎效应

超高速碰撞多层板结构破碎效应研究对空间碎片防护及动能武器毁伤效应研究有着重要意义。采用ANSYS/AUTODYN程序的SPH方法,对超高速碰撞碎片云的形成过程进行了数值模拟,某典型时刻一次及二次碎片云形貌的数值模拟结果与实验结果吻合较好,验证了计算方法和模型参数的正确性。在此基础上采用数值模拟方法,对钨合金、轧制均质装甲(Rolled Homogeneous Armor,RHA)及LY12铝三种材料的圆柱形弹体超高速碰撞薄板的破碎规律进行了研究,基于量纲分析方法得出了弹体破碎长度随弹靶材料特性、弹靶尺寸及初始撞击速度变化的关系式。并研究了钨合金及RHA两种材料的长杆弹对八层RHA板结构的超高速碰撞效应。

蜂窝夹芯板超高速碰撞仿真

蜂窝夹芯板是一种多用于航天器的特殊结构,采用光滑粒子流体动力学算法(SPH)对蜂窝夹芯板进行超高速碰撞研究时主要存在2个问题:蜂窝芯的几何建模过程复杂;蜂窝芯层非常薄,为保证仿真精度采用相等的粒子间距必然生成超过计算容忍的粒子数量.结合参数化程序设计语言(APDL)、用户界面设计语言(UIDL)进行结构建模,编制了AP-DL生成蜂窝芯的程序,采用UIDL将该程序集成到ANSYS交互式界面中,能够方便快捷的生成任意尺度的正六边形蜂窝芯.针对此方法得到的模型,采用SPH单元与壳单元相结合的方法,其中蜂窝芯采用壳单元,入射体、蜂窝夹芯板的前、后面板采用SPH单元,对蜂窝夹芯板进行了超高速碰撞仿真研究.仿真结果与相关试验进行了对比,仿真得到的后板破口尺寸与试验比较接近,证实了该方法适用于蜂窝夹芯板的超高速仿真.

超高速碰撞形成一次碎片云特性

对超高速碰撞数值模拟方法进行了讨论。采用ANSYS/AUTODYN程序的SPH方法,对球形弹丸超高速撞击时弹丸的破碎、碎片云的形成及扩展过程进行数值模拟,其结果与实验结果进行比较,并验证了计算方法和模型参数的正确性。在此基础上采用数值模拟方法,对钨合金、轧制均质装甲及LY12铝三种材料的球形弹丸超高速撞击靶板之后形成的一次碎片云形貌及演化规律进行了研究,并基于量纲分析方法得出了碎片云特征参数(碎片云头部速度、径向最大膨胀速度及膨胀角)随初始撞击条件的变化规律。

基于SPH-FEM方法的舷侧与冰山碰撞结构响应

传统的有限元数值仿真对于研究高速碰撞大变形等问题具有一定的局限性,建立一套基于光滑粒子流体动力学(SPH)的水介质中小型冰山与船舶舷侧碰撞数值模拟方法,验证SPH模拟冰材料与船-水-冰耦合的合理性,对不同舷侧部位与不同冰山碰撞工况进行数值模拟,分析碰撞形状、面积和速度等对舷侧结构的应力、应变、结构损伤等的影响规律。研究表明,提出的冰山与舷侧碰撞数值模拟方法具有较高的计算精度,对冰山-船舶碰撞的研究具有重要的参考价值。

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。

球弹丸超高速碰撞双层板防护结构撞击极限分析

防护结构的撞击极限是空间防护领域的重要研究内容。基于对理想弹塑性薄板的分析,得到了双层板结构的撞击极限方程。所得方程适用于球形弹丸超高速正撞击双层板结构的情况,分析时采用了Rayleigh-Ritz法及Tresca屈服准则。为验证方程的有效性,对实验进行了预报分析,并且与已有的经验方程的撞击极限曲线进行了对比。结果发现,方程预测结果的准确率为80%,且所得的撞击极限曲线与已有的经验方程曲线吻合得很好。

超高速斜碰撞碎片云形态的研究

针对航天器的碰撞毁伤程度与超高速斜碰撞所产生碎片云的形态的关系,利用光滑质点流体动力学(SPH)方法研究了超高速斜碰撞所产生碎片云的形态.主要分析了碰撞参数,如弹丸速度、靶板厚度、弹丸直径对碎片云形态的影响.仿真结果表明,二次碎片云的膨胀速度以及膨胀尺寸随碰撞速度和弹丸直径的增加而增加,随靶板厚度的增加而减小.

SPH方法在剪切式碰撞能量吸收器中的应用

剪切式碰撞能量吸收器是提高汽车被动安全性的一种实用新型设计。建立了剪切式碰撞能量吸收器数值分析模型,采用SPH方法数值模拟了碰撞吸能器的碰撞过程,研究了其碰撞吸能特性,并通过不同碰撞速度的台车碰撞试验进行了试验验证研究。数值模拟结果同试验结果相符,表明SPH方法在碰撞吸能器性能研究中是行之有效的数值计算方法。同时分析了在碰撞吸能器的复杂碰撞情况下,SPH方法相比有限元法的优势。

镁、铝合金板在超高速撞击下响应特征对比研究

为研究镁合金在超高速撞击条件下的响应特征,采用SPH(光滑粒子流体动力学)方法对球形弹丸超高速碰撞镁合金靶板进行数值模拟,并与铝合金进行对比。结果表明:钢球高速撞击靶板后,镁合金产生的孔径略大于铝合金,均高达3倍钢球直径;镁合金碎片云的膨胀距离和铝合金的相差不大,但镁合金碎片云前端粒子的动能明显低于铝合金的,能起到较好的前级防护作用。从而说明镁合金板在航空航天飞行器上具有较好的应用前景。

基于SPH方法的燃油箱碰撞工况优化设计

为解决某车型正碰过程中燃油箱固定机构失效问题,建立了某车型燃油箱在64 km/h偏置碰撞工况中的模型。应用SPH方法有限元模型,分析油箱固定机构失效过程,发现油箱脱落主要是因为油箱绑带从安装孔中滑脱。针对此原因制定了相应的优化方案,在有限元模型中证明效果明显,可以有效解决油箱脱落问题,并进行了整车碰撞试验验证。

硼化物基超高温复合陶瓷超高速撞击作用下破坏模式研究

随着各国航天实验和航天器的增加,太空中存在微小碎片垃圾越来越多,对航天器正常运行有着极大的危害。研究弹丸超高速撞击硼化物基复合陶瓷产生的碎片云特性,采用非线性动力学分析软件AUTODYN,利用光滑质点动力学方法对圆柱形弹丸超高速撞击硼化物基超高温复合陶瓷单层板形成的碎片云进行数值模拟,分析相同质量不同速度弹丸撞击靶板的破坏模式,不同质量相同速度弹丸撞击靶板的破坏模式。结果表明在不同速度和质量弹丸撞击靶板的破坏模式中,穿孔半径变化规律为穿孔半径随着弹丸速度和质量的增大而增大。根据不同质量弹丸超高速撞击板靶的穿孔半径变化规律,得到弹丸撞击相同厚度靶板的击穿速度临界值。该结果可为航天器超高速撞击风险评估和防护设计提供了参考。

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1.5～2.5km/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.

平滑粒子流体动力学(SPH)方法的进展

平滑粒子流体动力学(SPH)方法是一种无网格 Lagrangian 计算技术,在处理一些问题时,比以 Lagrangian 坐标系和 Eulerian 坐标系为基础的常规网格有独特的优越性,特别适用于处理物质质点的流动性极大的问题,如超高速碰撞问题。文章对 SPH 的理论和计算方法做了简单的介绍,并对其发展过程和现状做了简单的回顾。

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。