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多相介质爆炸冲击响应物质点法分析

王宇新  
【摘要】:有限元法是求解各种力学问题的主要数值计算方法,但在计算弹塑性大变形和爆炸冲击等问题时,重新划分网格和不同介质的耦合分析是有限元法的难题。为此,一种与网格无关的数值方法——无网格法成为目前的研究热点,无网格法的基本特征是将连续体划分为有限个质点集合,连续体的所有力学属性由这些质点来描述,在外部载荷作用下,通过质点来跟踪连续体的变形、移动和破坏,不存在重新划分网格的问题。物质点法(Material Point Method,简称MPM法)作为无网格法之一,它是在质点网格法(PIC)和FLIP基础上发展起来的一种新数值计算方法,MPM法将拉格朗日法和欧拉法的优势结合在一起,计算精度和效率相对较高。针对多相介质爆炸冲击响应问题,在单一计算域中,建立多物理场相互作用和计算结构动力学(CSD)与计算流体动力学(CFD)的耦合分析理论模型是本文的主要目标,为此开展了以下研究工作: (1)对目前常用的无网格法进行了介绍,重点叙述了MPM法的基本思想和求解爆炸冲击动力学问题的理论模型,并应用MPM法对固体中应力波传播问题进行数值计算,与理论解相比基本一致,验证了MPM法在计算固体力学问题中的有效性; (2)MPM法不需要考虑材料分界面处移动、变形,耦合条件自动满足,利用MPM法这一特征,对多层复合结构的爆炸冲击响应、各分层材料的载荷变化和塑性变形进行数值计算,为多层复合抗爆结构优化设计提供了新思路和研究方法。 (3)金属爆炸焊接是滑移爆轰问题的典型实例,有限差分或有限元等常规数值方法很难完成炸药滑移爆轰及其爆炸焊接过程的数值模拟。本文应用MPM法计算能够清楚地描述炸药爆轰过程、复板弯折变形和较为准确地计算了爆压变化,以及复板与基板之间碰撞点速度,获得了满意的数值精度。 (4)本文设计了带金属外壳和不带外壳炸弹两种模型,当炸弹爆炸后,爆轰波在室内空气中传播并作用于混凝土墙壁发生断裂和破碎,应用MPM法分别对这两种模型进行数值模拟,为多相介质爆炸冲击响应的求解和弹片与爆轰波对墙体协同破坏效应的耦合分析提供了一种有效的数值计算方法。 (5)目前无网格法还处于研究阶段,还没有可用地商品软件,本文应用面向对象技术开发了无网格法二维和三维可视化软件系统,包括前处理、主体计算模块和后处理,完全采用图形交互方式划分无网格的质点、定义载荷条件和各种约束条件,为促进无网格法从理论研究向工程应用构建了一个可行的计算平台。


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