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材料在冲击荷载下细观变形特征的数值模拟初步研究

傅华  
【摘要】:从细微观层次研究材料的力学和物理行为,是当前固体力学和材料科学的一个重要方向。本文采用有限元和离散元相结合的方法,开展炸药在冲击载荷下细观响应特征的数值模拟。对炸药颗粒采用有限元算法,对粘结剂采用离散元算法,炸药颗粒与粘结剂界面接触处采用有限元与离散元算法相结合的方法。细观尺度的响应计算到热点生成为止,未考虑化学反应。 本文的研究内容主要包括: 1) 对有限元与离散元两种计算方法的特点进行了调研,比较了它们的异同,评估了两种方法相结合模拟材料在冲击载荷下细观响应特征的可能性。 2) 根据两种数值方法各自的特点,提出一种可应用于冲击加载下,适合均匀材料与非均匀材料细观响应特征模拟的有限元与离散元的结合方法,并编制了二维计算程序。通过两个验证算例,我们可以看出,采用本文所述的结合方法,冲击波不仅可以顺利地通过均匀材料过渡层,而且也可以在非均匀材料中的过渡层面上发生反射和透射现象,模拟结果与理论值较吻合,验证了所用方法的可行性。 3) 通过加入断裂判据,改进和完善了结合方法和计算程序,使过渡层中有限元与离散元之间的变形在超过断裂应变时,发生分离,并模拟了冲击条件下炸药晶体与粘结剂的脱粘以及粘结剂断裂的细观变形现象。 4) 根据有限元与离散元各自计算温升的特点,编写了有限元与离散元相结合的热点生成程序,初步模拟了塑料粘结炸药在冲击载荷下的热点生成现象。 本论文力图对塑料粘结炸药在冲击加载过程中的细观变形特征和热点生成等现象进行数值模拟。本文的分析在很大程度上仍是定性的,数值模拟结果仅能初步说明冲击过程中炸药细观变形的某些特征。下一步的工作主要是对炸药的细观响应行为进行定量模拟和描述,并与起爆建立联系。


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