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固体炸药冲击起爆的物质点法研究

张忠  
【摘要】:开展起爆动力学方面的研究对军事科学领域的发展具有非常重要的意义,由于问题的复杂性,其实验和理论的研究进展非常缓慢。随着计算机技术的迅速发展,数值模拟技术逐渐成为解决此类问题的重要手段。 对于冲击起爆问题,涉及大变形、化学动力学、多相介质耦合等问题,这给传统的基于网格算法带来了极大地困难。对于拉格朗日型网格,网格畸变导致时间步的急剧减小,大大降低了计算效率,并增加累计误差;对于欧拉型网格,由于对流项的存在,计算也有一定的困难。针对传统网格算法的缺陷,无网格法逐渐发展成为当今计算力学的热点。物质点法就是一种无网格算法,它由质点网格法(Particle-in-Cell, PIC)和流体代码FLIP的基础上发展而来。物质点法集合了拉格朗日法和欧拉法两者的优点,避免了网格畸变和对流误差。物质点法最大的特点是它自动满足无滑移边界条件,在计算碰撞接触问题时,无需设置主从接触面,在求解本文所研究课题时具有较大的优势。 建立了冲击动力学的物质点法计算模型,采用集中质量法,给出了控制方程的显式求解格式。物质点法采用固定的背景网格,为方便本质边界条件的处理,采用有限元形函数进行位移函数近似;为保证大变形分析时材料标架的客观性,采用焦曼应力率进行应力的更新;在处理冲击波波阵面的强间断性时,引入了人工粘性;为满足显式时间积分算法的条件稳定性,对时间步控制和声速计算等进行了讨论。采用不同的强度模型对冲击碰撞问题进行了研究,结果表明在高速撞击条件下,强度模型对压力的计算结果影响不大。分别采用物质点法、有限元法、光滑粒子流体动力学方法对高速冲击问题进行了数值模拟,从计算效率来看,采用物质点法来求解本文所研究的问题是相对较优的。对超高速碰撞下碎片云的形状进行了数值模拟,计算得到的碎片云形状与实验结果基本一致。 进一步发展了物质点法,提出了多物质物质点计算格式并将其成功应用到固体炸药冲击起爆问题。在本文的计算中,未反应炸药和爆轰产物的状态方程均采用JWL状态方程,炸药的反应速率方程采用点火增长方程。通过物质点内两相介质的热力学平衡假设等给出了合理的两相混合准则,并在此基础上提出了多物质物质点法计算格式。由于爆轰过程燃烧速率过快,采用传统时间步控制方法求解时,计算精度较低,本文提出了通过控制燃烧质量分数增量修正时间步的方法来提高计算精度。对冲击起爆问题进行了数值模拟,通过升降法得到了破片冲击下固体炸药起爆的临界速度,并与实验结果吻合较好。与传统算法进行了比较,物质点法计算的结果与实验结果相比更为接近,并且物质点算法简单,计算方便,物质点法在冲击起爆领域中具有较大的发展潜力和应用前景。 采用冲击波理论推导了在破片冲击下炸药内部冲击波的强度和宽度,对冲击起爆的工程计算方法进行了研究,并用数值模拟结果验证了工程计算方法的有效性,此工程计算方法可与数值模拟方法互为补充。 目前物质点法还处于研究阶段,没有可用的商业软件,本文开发了相应的计算程序,为计算冲击动力学和冲击起爆问题提供了一个全新的数值模拟平台。该程序包括前处理(可划分背景网格和物质点)和主体计算模块,并编制了相应接口导出数据,可采用Tecplot或Origin等科学绘图软件进行后处理分析。


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