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《浙江大学》 2007年
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无网格法及液体射流高速碰撞与侵彻模拟

马利  
【摘要】: 在处理高速碰撞、流固耦合、动态断裂以及超大变形等问题时,由于大变形一方面会导致有限元网格形状的畸变,致使计算精度丢失,甚至因奇异而计算中止;另一方面,有限元的计算时步取决于网格的最小尺寸,网格的畸变导致时间步变得非常小,从而大大延长了计算时间,并增加计算累积误差。在裂纹动态扩展问题中,由于裂纹的扩展而需不断进行网格的重构,也将消耗大量计算资源。针对有限元法的这些缺陷,近二十多年来,无网格法逐渐发展成为当前计算物理和计算力学的热点。由于无网格法用一系列离散的粒子表达连续系统,粒子相互之间不存在网格的关系,因此无网格法可以避免有限元法处理上述问题时所遇到的困难。 本文的主要研究工作是从无网格法算法和应用两方面展开的,无网格算法实施主要包括形函数的选择、边界条件处理以及积分方案等几个主要部分。生成形函数的主要方法有核函数近似、MLS方法和RKPM方法,并比较了这几种形函数的边界特性,对于SPH法的边界畸变现象,提出了“虚粒子”的改进办法。由于无网格法形函数通常不是插值函数,这给施加边界条件带来困难,为此,通过算例比较了直接法、Lagrange乘子法和点插值法等不同边界条件的处理方式以及对计算效率和计算精度的影响,结果表明Lagrange乘子法精度最高。采用EFG方法的悬臂梁算例表明,采用单点积分方案时,计算结果易受节点支撑域半径的影响,提高高斯积分点的个数可以降低对节点支撑域半径大小变化的敏感性,并提高计算精度。 关于无网格法的应用,本文分别采用Lagrange FEA方法、ALE方法和SPH方法计算了水射流与刚性平面的碰撞过程,从计算精度和计算成本综合来看,SPH方法是最优的。并利用SPH方法模拟了铝液射流与刚性平面的碰撞过程,在计算中使用Voronoi多边形分配初始粒子位置和质量,达到了粒子模型优化的目的,并考虑了大变形过程中随着粒子相互间距的变化而采用可变光滑半径。分析了铝液射流与刚性平面发生碰撞并进入稳定流动的过程,说明了射流中压力波的传播和弥散特性。 同时在射流与刚性表面碰撞研究的基础上,重点采用耦合的SPH方法与FEA方法探索了射流与塑性靶板的碰撞与侵彻过程。数值模拟中考虑了材料在高应变率下的响应以及率相关效应,采用Johnson-Cook本构模型,模拟并分析了半无限大靶体和中厚靶板的侵彻和破坏过程,靶体成坑孔径、侵彻深度与射流速度之间的线性关系符合文献实验结果。数值模拟结果还发现了材料的断裂是以有限速度发展的,它是一个能量积累的过程,在高应变率下呈现明显的断裂滞后现象。 最后介绍了重构核质点方法(RKPM)与小波分析相结合的多尺度分析理论,将多尺度分析与形函数相结合,直接利用多尺度形函数构造出了位移场或应力场的多尺度结构。此外并介绍了RKPM多尺度分析方法在自适应方面的应用以及小波有限元相关的理论和应用。
【学位授予单位】:浙江大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:O358

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【引证文献】
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1 陈沸镔;王长波;谢步瀛;冉修远;;流-固交互及可变形体破裂的真实感模拟[J];计算机辅助设计与图形学学报;2012年08期
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1 张忠;固体炸药冲击起爆的物质点法研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
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1 周玉军;水射流对钴结壳的破碎研究[D];中南大学;2010年
2 范晨阳;弹丸侵彻混凝土SPH数值模拟[D];中北大学;2010年
3 刘艳;手枪弹对骨骼复合靶标侵彻作用的数值模拟及力学响应研究[D];南京理工大学;2013年
【参考文献】
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3 徐洲,梁海弋,王秀喜;纳米丝应变率效应的分子动力学模拟[J];固体力学学报;2003年02期
4 黄丹,陶伟明,郭乙木;分子动力学模拟纳米镍单晶的表面效应[J];固体力学学报;2005年02期
5 杨海天,刘岩;一种FEM-EFGM耦合技术及其应用[J];计算力学学报;2003年05期
6 黄丹;陶伟明;郭乙木;;纳米镍板裂纹扩展的分子动力学模拟和宏微观分析[J];计算力学学报;2006年05期
7 仇轶,由长福,祁海鹰,徐旭常;无网格方法中结点搜索算法的改进[J];计算物理;2004年02期
8 曾清红,卢德唐;耦合径向基函数与多项式基函数的无网格方法[J];计算物理;2005年01期
9 倪国喜;王瑞利;林忠;;无网格方法中粒子分布与自适应研究[J];计算物理;2006年04期
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【共引文献】
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6 宋康祖;张雄;陆明万;;MESHLESS METHOD BASED ON COLLOCATION WITH CONSISTENT COMPACTLY SUPPORTED RADIAL BASIS FUNCTIONS[J];Acta Mechanica Sinica;2004年05期
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10 Serge Cescotto;Barbara Rossi;;A natural neighbour method based on Fraeijs de Veubeke variational principle for materially non-linear problems[J];Acta Mechanica Sinica;2009年01期
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1 李桂花;周风华;;金属带板中绝热剪切带传播速度的数值模拟研究[A];塑性力学新进展——2011年全国塑性力学会议论文集[C];2011年
2 周剑;张路青;王学良;;水平层状岩体边坡动力响应中的结构面效应研究[A];中国科学院地质与地球物理研究所第11届(2011年度)学术年会论文集(中)[C];2012年
3 王海涛;曾向阳;;B样条小波基无网格伽辽金封闭声场计算方法[A];2011'中国西部声学学术交流会论文集[C];2011年
4 杨卫;黄克智;;材料的多尺度力学与强韧化设计[A];“力学2000”学术大会论文集[C];2000年
5 刘光勇;;有孔纳米单晶铜薄膜拉伸断裂特性的分子动力学模拟[A];第十二届全国疲劳与断裂学术会议论文集[C];2004年
6 李琼;周进雄;张智谦;邹玮;;Lagrangian RKPM方法在非线性结构大变形分析中的应用[A];中国力学学会学术大会'2005论文摘要集(下)[C];2005年
7 赵光明;宋顺成;;高速冲击过程数值模拟的再生核质点法研究[A];中国力学学会学术大会'2005论文摘要集(下)[C];2005年
8 高凌天;刘凯欣;刘颖;;无网格方法在冲击动力学中的应用[A];计算爆炸力学进展[C];2006年
9 苑维然;陈璞;刘凯欣;;带有双重循环展开的非对称稀疏线性方程组快速直接解法[A];计算爆炸力学进展[C];2006年
10 张明;何煌;曾首义;;连结状况对陶瓷复合装甲抗弹性能的影响[A];计算爆炸力学进展[C];2006年
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1 陈艺冰;多介质流体力学计算的GKS方法研究[D];中国工程物理研究院;2010年
2 孙顺凯;流体力学方程与扩散方程有限点方法的若干研究[D];中国工程物理研究院;2010年
3 郑兴;SPH方法改进研究及其在自由面流动问题中的应用[D];哈尔滨工程大学;2010年
4 张忠;固体炸药冲击起爆的物质点法研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
5 田峰敏;水下地形导航模型求解与导航区初选策略研究[D];哈尔滨工程大学;2009年
6 徐刚;不规则波中浮体二阶水动力时域数值模拟[D];哈尔滨工程大学;2010年
7 杨庆年;武汉地铁车站深基坑变形特性分析[D];华中科技大学;2010年
8 张祖军;无网格法及其在注塑充填数值分析中的应用[D];华南理工大学;2010年
9 辛浩;石墨烯/碳纳米管力学性能的研究[D];华南理工大学;2010年
10 张洁;SiCp/Cu基复合材料的研制及性能研究[D];江苏大学;2010年
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1 孟庆辉;恐怖爆炸荷载作用下地铁隧道的冲击反应与防护研究[D];山东科技大学;2010年
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3 刘婷;用无网格Galerkin法求解地下水流拟三维问题[D];辽宁师范大学;2010年
4 陈娟;水下爆炸冲击载荷的SPH算法研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
5 宫妍;波动方程的非结构化网格改进有限差分方法研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
6 刘玚;面向机身颤振模型的结构拓扑优化方法研究[D];大连理工大学;2010年
7 刘博;自然元方法的分析及其在偏微分方程中的应用[D];湘潭大学;2010年
8 是晶;42CrMo钢流变特性与位错动力学模型研究[D];沈阳理工大学;2010年
9 王小惠;SPH方法的面向对象设计及其后处理[D];南昌大学;2010年
10 胡英芳;基于OpenGL的离散粒子系统仿真的设计与实现[D];南昌大学;2010年
【同被引文献】
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1 汪维;何煌;曾首义;;30mm口径半穿甲模拟弹侵彻陶瓷复合靶板SPH数值模拟[J];兵工自动化;2007年05期
2 王昌仁;球形破片对生动目标的致伤作用和杀伤判据[J];兵工学报;1992年02期
3 王海福,冯顺山;密实介质中冲击波衰减特性的近似计算[J];兵工学报;1996年01期
4 温万治,恽寿榕,赵衡阳,张月琴;欧拉程序中描述分界面的网格线示踪点法(MOCL)[J];兵工学报;1999年03期
5 伍俊英;陈朗;鲁建英;冯长根;王永杰;;高能固体推进剂冲击起爆特征研究[J];兵工学报;2008年11期
6 黄风雷,丁儆,浣石;固体推进剂冲击起爆及其反应区本构方程的整体标定研究[J];北京理工大学学报;1994年04期
7 韩丽;高世桥;李明辉;刘海鹏;;弹丸垂直贯穿混凝土靶的数值研究[J];北京理工大学学报;2006年11期
8 姚惠生;黄风雷;恽寿榕;李芳;周栋;;损伤炸药反应速率及起爆的数值模拟[J];北京理工大学学报;2007年04期
9 卫玉章;非均匀炸药的冲击引爆综合判据[J];爆炸与冲击;1982年01期
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1 邱长军;钴结壳和基岩的特性与模拟研究[D];中南大学;2002年
2 廖勇;高围压下磨料水射流切割的模糊建模和实验研究[D];重庆大学;2004年
3 徐依吉;超高压水射流理论与应用基础研究[D];西南石油学院;2004年
4 赵光明;无网格方法及其在冲击动力学中的应用研究[D];西南交通大学;2006年
5 陈广南;固体火箭发动机机械撞击载荷作用下安全性研究[D];国防科学技术大学;2005年
6 常宗旭;水射流非均质破岩理论及其应用[D];太原理工大学;2006年
7 杨慧群;炸药装药结构的易损性研究[D];南京理工大学;2005年
8 王峰;有限元方法及其在高速碰撞中的应用[D];中国科学技术大学;2007年
9 夏毅敏;深海钴结壳螺旋切削采集过程仿真和螺旋采集头工作参数优化研究[D];中南大学;2006年
10 许庆新;基于SPH方法的冲击动力学若干问题研究[D];上海交通大学;2009年
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1 史晓宁;高速飞行体与仿生材料相互作用的数值仿真[D];南京理工大学;2012年
2 丁光兴;基于个性化的长管骨有限元参数化建模及实验验证[D];南京理工大学;2012年
3 邓方刚;柱坐标系下光滑粒子流体动力学数值模拟[D];国防科学技术大学;2002年
4 蒋耘生;鸟撞冲击动力学的有限元数值仿真研究[D];西北工业大学;2002年
5 陶彬;高压水射流加工理论与技术基础研究[D];大连理工大学;2003年
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7 梁斌;弹丸对有界混凝土靶的侵彻研究[D];中国工程物理研究院;2004年
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9 孙迎丹;无网格算法研究[D];西北工业大学;2005年
10 李敏;混凝土损伤研究[D];河南大学;2005年
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1 黄中华;谢雅;;钴结壳水射流切削系统参数设计[J];机械设计;2012年07期
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1 陈浩;有限体积法在结构动力及可靠性分析中的应用[D];哈尔滨工程大学;2012年
2 方锡武;一类界面元建模与分析方法及其在装备设计中的应用研究[D];浙江大学;2013年
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1 卢元申;倾转旋翼机减速器润滑系统性能研究与仿真平台开发[D];中南大学;2010年
2 白威涛;槽式翻抛机工作部件的研究与设计[D];浙江理工大学;2012年
3 张振华;深海钴结壳采集头截齿破碎性能及截齿布置优化研究[D];中南大学;2012年
4 张帆;物质点法在冲击动力学中的应用研究[D];哈尔滨工程大学;2012年
5 张宏;淹没条件下水射流破岩效率数值模拟[D];重庆大学;2012年
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1 胡昌明,贺红亮,胡时胜;45号钢的动态力学性能研究[J];爆炸与冲击;2003年02期
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5 万建松,岳珠峰,耿晓亮,卢智先;一种镍基双晶材料疲劳裂纹扩展效应[J];固体力学学报;2003年02期
6 徐洲,梁海弋,王秀喜;纳米丝应变率效应的分子动力学模拟[J];固体力学学报;2003年02期
7 钟俐苹;45钢性能异常原因分析[J];钢铁研究;1997年01期
8 董玉斌,张万甲,经福谦,韩钧万,陈大年,苏林祥,封加波;动态断裂过程的数值分析及LY-12铝的层裂[J];高压物理学报;1988年04期
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1 阳恩会;电磁场无网格分析方法及纸基高频感应封合系统研究[D];上海交通大学;2009年
2 张祖军;无网格法及其在注塑充填数值分析中的应用[D];华南理工大学;2010年
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8 张见明;一种新的边界类型无网格法[D];清华大学;2002年
9 曾祥勇;筏板基础无网格计算方法及其在考虑上部结构共同作用分析中的应用[D];重庆大学;2007年
10 杨昌棋;力学测试与计算中的若干技术研究[D];重庆大学;2004年
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1 王德华;无网格伽辽金—有限元耦合法研究及应用[D];燕山大学;2010年
2 刘婷;用无网格Galerkin法求解地下水流拟三维问题[D];辽宁师范大学;2010年
3 郑保敬;基于滑动Kriging插值的无网格局部Petrov-Galerkin法研究[D];太原科技大学;2010年
4 陈瑜;RPIM无网格法计算精度的研究及应用[D];燕山大学;2010年
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6 苑素玲;无网格法及其在汽轮机转子结构分析中的应用研究[D];华北电力大学(河北);2003年
7 帅映勇;基于紧支径向基函数和小波基函数的无网格法[D];河海大学;2001年
8 隋晓艳;有限点法在地下水稳定流模拟中的应用[D];辽宁师范大学;2010年
9 刘昕;薄板屈曲分析的HRBF无网格法[D];苏州大学;2010年
10 王英霞;等离子体作用下内弹道过程的数值模拟[D];南京理工大学;2010年
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