物质点法在冲击动力学中的应用研究

摘要

冲击动力学是动力学的一个重要研究方向，涉及到航天航空工业等关键国防领域。研究的难点包括了材料的冲击波传播、弹塑性本构、屈服准则、物态的状态方程、材料的损伤失效破坏等。所以要完整的研究一个冲击动力学的动态响应过程在理论上是一个时间相关的强非线性体系，会遇到很大的困难。本文采用一种新的无网格算法--物质点法，研究了冲击动力学中几个关键性的问题，包括：固体的高速碰撞、超高速冲击成坑、层裂、碎片云现象、气体的激波、空气中炸药爆炸响应。并与传统的数值算法、实验结果和理论结果进行了一系列的对比，证明了物质点法在冲击动力学中巨大的优势。
　　 具体内容包括：
　　 1.系统总结了冲击动力学的两类数值研究方法--传统的基于网格的数值方法和无网格数值方法，重点对物质点法的提出、发展、创新过程进行了论述。对物质点法的应用和挑战做出了一个清晰的阐述。
　　 2.引出物质点法的基本方程。对物质点法的空间离散、时间离散、映射函数、边界条件、应力更新格式、人工体积粘性和时间步等关键问题进行了归纳。对物质点法的三种基本形式：标准物质点法(MPM)、广义物质点法(GIMP)、对流域物质点法(CPDI)的本质差别进行了论述。
　　 3.研究了物质点法在固体高速、超高速问题中的动态模拟能力。采用Mie-Gruneisen状态方程研究了强冲击波，用Johnson-Cook本构方程研究了高温、高压、高应变率情况下的屈服应力，采用几种典型的损伤失效模型研究了最大等效塑性应变失效、最大拉应力失效、熔化失效等，研究了大变形框架下的.Jaumann率增量型本构积分算法，研究了应力、状态方程的更新算法，考虑了绝热情况下的温升效应。综合以上因素计算了Taylor杆冲击问题、厚板高速成坑现象、中板高速冲击层裂现象、超高速冲击碎片云现象。并和已有的实验或相关文献结果对比发现，物质点法的精度和效率均提高不少。
　　 4.针对气体中的激波问题，用广义物质点法进行了研究，其精度相对标准物质点法提高很多，但在二维问题中精度有所下降。所以本文首次提出广义自适应分裂的物质点法，有效解决了广义物质点法的拉伸不稳定问题，并进一步研究了固体炸药在气体中的爆炸效应。