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高速碰撞碎片云的单元分裂算法

胡威振  
【摘要】:当弹高速冲击靶板时,会在靶板背面产生大量的碎片,形成碎片云,研究碎片的数目,质量,速度分布规律和碎片云的特征对预测碎片可能造成的损害具有重要的意义。本文提出一种新的方法-单元分裂算法,模拟高速冲击过程中产生碎片和形成碎片云的过程。在有限元模拟高速冲击问题中,当单元达到失效时,根据碎片产生机理,求出碎片尺寸,若碎片尺寸比单元尺寸小,失效单元分裂成碎片大小的子单元,子单元继承父单元的状态量;若碎片尺寸比单元尺寸大,与失效单元相邻的单元共同形成碎片。实现过程分为两步:第一步,用实验室自主开发的显式动力学分析程序ESIA对高速冲击过程进行模拟,每隔几个时间步输出节点速度,节点应变率,材料密度、单元应变、应力等计算结果,生成Input文件;第二步,用自己编写的Fortran程序读取Input文件,找出每步中失效的单元,根据前一步单元的等效应变率,计算产生碎片的尺寸,根据单元分裂算法产生碎片。本文运用此方法,分别模拟了钨合金长杆侵彻均质钢板和钨合金弹丸侵彻混凝土靶板产生碎片和碎片云的过程,研究了延性材料和脆性材料产生的碎片云的特征和碎片的分布规律,并与实验结果和前人模拟结果对比,结论如下: 1.本方法能够较好地模拟碎片的产生过程,模拟所产生的碎片质量分布规律,速度分布规律和实验结果吻合较好; 2.本方法计算出的碎片云的特征和实验结果吻合较好,延性材料和脆性材料所产生碎片云形状不同,延性材料碎片分布在一个椭球区域内,脆性材料碎片分布在一个锥形区域内。 本文所提出的方法能较真实地给出高速碰撞靶后碎片云的形态,为模拟碎片云的二次破坏效应提供条件。


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