基于FE-SPH自适应耦合方法的弹靶侵彻动态响应分析

摘要

弹靶侵彻问题的研究有着广泛的工程应用背景。在材料科学、武器设计及其防护等领域，通常都需要研究材料或结构在强冲击载荷作用下的物理特性和响应规律。而弹靶侵彻问题的实际发生过程非常短暂，涉及的变形、应力以及破坏等参量随时间的变化规律很难通过实验的手段准确获取。目前，数值计算已成为研究此类大变形、高应变率、瞬态动力学问题的重要手段。
　　 虽然目前已经有多种数值方法应用于求解弹靶侵彻问题，但这些方法都还存在一定的困难：基于欧拉网格的方法往往难于追踪物质界面和移动边界；基于拉格朗日网格的方法常会遇到网格畸变的困难；而众多的无网格方法则大都有计算效率过低的缺陷。所以，为了满足弹靶侵彻问题研究的需要，必须发展更为有效的数值方法来克服上述困难。
　　 本文采用有限元-光滑粒子自适应耦合算法(FE-SPH)来研究弹靶侵彻动态响应问题。FE-SPH采用有限元建立计算模型，在变形过程中大变形单元自适应转化为光滑粒子。从而，实现了在小变形区域采用有限元算法计算，提高计算效率；在大变形区域采用光滑粒子算法计算，更好地描述材料大变形，免除了网格畸变带来的困扰。以下为本文开展和完成的主要工作：
　　 (1)研究了二维轴对称及三维FE-SPH自适应耦合算法的基本理论，并在此基础上编写了计算程序。本文研究了有限元、SPH方法的传统算法以及FE-SPH自适应耦合算法相关理论，包括：有限单元转变为SPH粒子的转化算法、粒子搜索算法、单元边界与粒子的接触算法及耦合算法等。
　　 (2)分析了二维轴对称及三维FE-SPH自适应耦合算法的计算效率及精度。本文采用二维和三维FE-SPH方法分别模拟了混凝土靶和铝靶的侵彻实验。结合实验数据，分别对FE方法、SPH方法及FE-SPH方法的计算结果进行了对比研究。结果表明FE-SPH较FEM提高了计算精度，较SPH方法提高了计算效率。
　　 (3)采用三维FE-SPH自适应耦合算法模拟分析了多层间隔金属靶的侵彻问题。结果表明FE-SPH方法可有效地模拟侵彻过程中产生的碎片及碎片对后层靶的毁伤，这是有限元侵蚀算法无法实现的。此外，研究表明多层间隔靶的合理布局可以提高靶体的抗侵彻性能。