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爆炸驱动金属结构运动作为一类在军事技术和工业应用中广泛存在的问题,在科学和工程上具有重要的研究意义。由于该物理过程涉及多种材料介质、多相、运动界面、大变形和强流固耦合等复杂特征,传统基于网格的计算方法很难对这类问题作出可靠的预测和模拟。
光滑粒子动力学(SPH)是一种拉格朗日型无网格粒子方法,兼具欧拉网格方法与拉格朗日网格方法的优势,能够自然追踪运动特征,方便处理大变形,已经成功应用于科学和工程的众多领域,在数值模拟爆炸驱动金属结构运动方面具有较好的优势。然而因为爆炸驱动金属结构运动物理过程的复杂性,即使采用传统的SPH方法也很难对爆炸驱动金属结构运动进行有效的数值模拟。有鉴于此,本文旨在改进传统SPH方法,探索数值模拟爆炸驱动金属结构运动的可行性,进一步研究和分析典型爆炸驱动金属结构运动问题涉及的机理和规律。
本文首先应用商用软件ANSYS/AUTODYN中SPH求解器对接触爆炸和高速碰撞及穿透两类简单问题进行了测试,并根据模拟结果对相关物理问题进行了深入讨论。本文研究表明,商用软件中SPH求解器能对简单爆炸、冲击问题进行模拟,但无法对涉及爆炸驱动金属结构运动问题进行有效模拟。因此,本文进一步从算法上对SPH方法提出了改进,最终应用含有改进SPH算法的自编程序对线性聚能射流与毁伤效应及爆炸焊接过程两类爆炸驱动金属运动问题,进行了模拟研究。因此,本文研究工作主要集中在SPH计算方法改进和应用改进的SPH方法模拟分析爆炸驱动金属结构运动。
在计算方法方面上,本文通过引入核梯度修正格式提高了SPH求解精度,并通过引入人工应力有效缓解了张力不稳定性问题(本文第2章)。同时,为处理爆炸驱动金属结构运动问题中多种物质材料耦合问题,本文提出了一种能够既保证计算精度又能有效处理密度强间断问题的密度自适应SPH连续性方程求解格式(本文第4章)。通过对SPH方法的改进,本文成功地将SPH方法应用于线性聚能射流与毁伤及爆炸焊接过程等两类爆炸驱动金属结构运动问题全过程数值模拟(第5、6章)。
本文在应用方面主要包括以下工作:
1)应用商用软件ANSYS/AUTODYN中的SPH求解器对典型的接触爆炸和高速撞击问题进行了模拟、分析。在接触爆炸问题中,针对已有经验公式的不足,提出了改进的广义表达形式。在高速撞击问题中,提出了一个能够更好预测破口尺寸的经验公式(第3章)。
2)应用自编SPH程序对经典算例进行了计算,所得结果能够很好地与实验或其他计算方法给出的结果吻合。通过对理想、非理想炸药爆轰过程模拟,表明SPH方法能够准确地模拟非理想炸药爆轰过程(第4章)。
3)应用自编SPH程序对线性聚能射流问题进行了研究。结果表明,改进的SPH方法能够对聚能射流问题进行可靠的数值模拟。是否考虑外壳结构对于形成的聚能射流的长度以及速度并没有明显影响,但对射流尖端形状会产生影响(第5章)。
4)应用自编SPH程序对爆炸焊接问题进行了研究。结果表明SPH能够用于模拟爆炸焊接的整个物理过程。本文还给出了一套更具一般性的爆炸焊接结构变形几何分析,模拟结果和几何分析能够有效地相互验证(第6章)。