SPH的粒子生成方法及其在弹体侵彻金属靶中的应用

摘要

金属材料在军用车辆的防护装甲等结构中得到广泛使用。由于这类防护结构经常遭受枪弹、爆炸碎片等的威胁，因而，开展金属靶板在弹体侵彻作用下的防护性能研究对于这类结构的设计具有重要意义。弹体侵彻靶板过程是一个高温、高压、高应变率的大变形问题。数值模拟是研究该问题的一种经济、高效的途径。光滑粒子流体动力学（SPH）作为一种无网格拉格朗日粒子法，在处理这类问题时较其他传统的数值方法具有优势。但 SPH的计算需要采用尽可能规则和均匀的粒子以保证计算精度和稳定性，而对于比较复杂的结构其生成较为困难。为此，本文开展了 SPH的粒子生成方法研究，并应用开发的粒子生成方法生成弹体侵彻Weldox460 E钢靶的粒子模型，采用 SPH方法开展参数化的数值模拟分析，系统地研究了弹靶结构对弹体侵彻 Weldox460 E钢靶过程的影响。具体而言，完成了以下工作：
　　（1）粒子生成方法研究。提出了一种新的SPH粒子生成方法，基于ABAQUS的二次开发实现了该方法。同时，给出了几个典型的粒子生成算例，对比了该方法与其他粒子生成方法生成的粒子，验证了本文方法的优越性。最后，基于该粒子生成方法，开发了二维SPH粒子自动生成软件。
　　（2）弹体结构对Weldox460 E钢靶侵彻过程的影响研究。应用前面提出的粒子生成方法生成不同头部形状和长径比的弹体侵彻Weldox460 E钢靶的粒子模型，建立了弹体侵彻钢靶的SPH计算模型。应用轴对称SPH方法进行求解，通过已有的实验数据对模拟结果的有效性进行了验证。在此基础上，开展了参数化的数值模拟研究，分析了弹体头部形状和长径比对弹体剩余速度、靶板失效模式和弹道极限速度的影响。同时，采用一种解析方法计算了不同结构的弹体侵彻该靶板的弹道极限速度，并将其结果与数值模拟结果进行了对比。
　　（3）靶板结构对Weldox460 E钢靶侵彻过程的影响研究。建立了平头弹和锥头弹侵彻不同厚度的单层靶和不同分层方案的多层靶的SPH计算模型，采用轴对称SPH方法进行求解。根据数值模拟结果建立了单层靶弹道极限速度的经验公式，得到了层数、总厚度、厚度组合、板间间隙等因素对多层靶抗弹性能的影响。同时，采用一种解析方法计算了多层靶的弹道极限速度，并将计算结果与 SPH数值模拟结果进行了对比。
　　（4）多弹重复侵彻钢靶Weldox460 E过程的研究。建立了多弹重复侵彻Weldox460 E钢靶的 SPH计算模型，得到了多弹重复侵彻下靶板的弹道极限速度，对比了多弹和单弹侵彻下击穿钢靶所需的临界能量。
　　本文提出的粒子生成方法可以提高SPH模拟的建模效率和精度，方便SPH方法的应用。文中关于弹靶结构对Weldox460 E钢靶抗侵彻性能影响的结果可以为基于该材料或类似材料的防护结构设计提供参考和指导。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 本文研究内容

1.4 本章小结

第二章 轴对称SPH的基本理论

2.1 控制方程

2.2 轴对称SPH的基本方程

2.3 本章小结

第三章 SPH的粒子生成方法研究

3.1 粒子生成方法

3.2 粒子生成算例

3.3 粒子生成软件开发

3.4 本章小结

第四章 弹体结构对侵彻过程影响的SPH模拟研究

4.1 弹体侵彻Weldox 460 E钢靶的SPH模型

4.2 SPH模型的验证

4.3 弹体结构对侵彻过程影响的数值模拟

4.4 不同结构弹体侵彻靶板的解析研究

4.5 本章小结

第五章 靶板结构对侵彻过程影响的SPH模拟研究

5.1 弹体侵彻多层Weldox 460 E钢靶的SPH模型

5.2 SPH模型的验证

5.3 靶板结构对侵彻过程影响的数值模拟

5.4 弹体侵彻不同结构多层靶板的解析研究

5.5 本章小结

第六章 多弹重复侵彻金属靶板的SPH模拟研究

6.1 多弹重复侵彻Weldox 460 E钢靶的SPH模型

6.2 多弹重复侵彻Weldox 460 E钢靶的数值模拟

6.3 本章小结

第七章 总结

参考文献

个人简历 在读期间发表的学术成果

致谢