本文關鍵詞：應力波傳播和噴發(fā)彈侵徹數(shù)值模擬中的SPH方法，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《中國科學技術大學》 2015年

應力波傳播和噴發(fā)彈侵徹數(shù)值模擬中的SPH方法

章杰  

【摘要】：應力波傳播和鉆地彈侵徹規(guī)律研究是沖擊工程中的重要課題,直接與防護工程和武器研制有關,噴發(fā)彈是一種通過噴發(fā)高壓高速氣流提高鉆地彈侵徹威力的新概念武器,是當前各國沖擊力學和軍事科學研究中的熱點問題。本文采用一種無網(wǎng)格算法一SPH法對應力波傳播和噴發(fā)彈的侵徹行為開展數(shù)值模擬研究,不但在學術上有著重要的意義,而且在軍事上也有明顯的應用背景。SPH方法是一種Lagrange型的無網(wǎng)格粒子算法,它將連續(xù)體離散為一系列具有質(zhì)量的粒子,通過核近似建立粒子間的聯(lián)系,將連續(xù)的微分方程離散為代數(shù)方程進行數(shù)值求解。和傳統(tǒng)的網(wǎng)格法相比,SPH法的主要優(yōu)勢在于取消了網(wǎng)格,因此成功避免了網(wǎng)格法在數(shù)值模擬沖擊力學問題時所出現(xiàn)的諸多弊端,如計算大畸變問題時所出現(xiàn)的網(wǎng)格異常形態(tài),單一的網(wǎng)格法難以數(shù)值模擬流固耦合等,更為重要的是SPH法的粒子屬性,確定了它可以比較直接和自然地模擬氣體的噴發(fā)及其運動,因此采用SPH法進行噴發(fā)彈的數(shù)值模擬更為合適。 本文在闡述SPH方法基本原理的基礎上,重點針對方法中的一些核心問題展開討論,如函數(shù)及其導數(shù)和離散后函數(shù)及其導數(shù)的核近似精度、守恒方程的SPH離散方法、強間斷面的數(shù)值模擬等,特別是從SPH方法的Lagrange屬性出發(fā),證明了在求解連續(xù)介質(zhì)力學問題時,沒有必要單獨建立三大守恒方程的離散格式,只需建立動量守恒方程的離散格式就能完成守恒方程組的計算問題,質(zhì)量守恒方程和能量守恒方程所確定的物理量,完全可以通過動量方程計算后的本構(gòu)計算中獲得,由此便可將原先需要獨立求解的三個守恒方程減少為一個,最大限度地減少了離散方程的個數(shù),簡化了計算邏輯,提高了計算效率。 應力波是沖擊工程中極為重要的物理現(xiàn)象,準確模擬應力波傳播是沖擊力學數(shù)值計算的基本要求。本文從波動方程的粒子離散格式出發(fā),詳細分析了核函數(shù)形式和光滑長度在計算應力波問題中的作用,通過計算實例說明準確模擬應力波傳播所必需滿足的條件。同時本文還探討了一種精度高于CSPM法的SPH算法模擬非均布粒子桿中應力波的傳播,結(jié)果表明當粒子分布不均勻時,該方法可以降低波形的擾動,提高應力波的計算精度。在此基礎上開展了陶瓷靶和陶瓷復合靶的一維應變波層裂計算,獲得了若干有意義的計算結(jié)果。 針對侵徹彈侵徹問題的特點,提出了采用有限元和SPH相結(jié)合的耦合算法開展噴發(fā)彈侵徹的數(shù)值模擬,給出了有限元法和SPH法守恒方程組的顯式計算格式,指出在Lagrange描述下,無論有限元方法或SPH方法,在守恒方程組的離散計算中,只需求解動量守恒方程的離散格式,質(zhì)量守恒方程和能量守恒方程是不需要單獨建立離散格式的,由這二個方程所決定的物理量可以在動量守恒方程計算后的后續(xù)計算中獲得,從而簡化了守恒方程的邏輯計算過程。針對耦合計算中的各類界面計算問題開展研究,提出了不同算法和不同物質(zhì)粒子界面的耦合計算方法,從而為開展包括流固耦合計算在內(nèi)的噴發(fā)彈侵徹數(shù)值模擬提供了依據(jù)。 采用本文所開發(fā)的耦合算法開展了噴發(fā)彈侵徹混凝土靶板和土壤靶板的數(shù)值模擬計算。針對噴發(fā)彈的工作原理和具體特點,提出了數(shù)值模擬噴發(fā)氣流的方式及噴發(fā)粒子生成的方法。結(jié)果表明,噴發(fā)氣流具有降低侵徹阻力并加大靶板破壞范圍的作用,因此明顯提高了彈體的侵徹破壞效果,噴發(fā)氣體的壓力在提高侵’徹彈侵徹能力方面具有比噴發(fā)速度更為顯著的作用,靶板密度是抗侵徹的重要指標,但是對于軟材料構(gòu)成的靶板,例如土壤靶板的強度對侵徹彈的侵徹行為幾乎沒有什么影響,這些工作可以為噴發(fā)彈的進一步研究提供參考,具有一定的軍事應用價值。

【關鍵詞】：
【學位授予單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：O347.4
【目錄】：

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