基于擬流體模型的SPH新方法及其在彈丸超高速碰撞薄板中的應(yīng)用
發(fā)布時間：2020-12-05 00:18
引入顆粒動力學理論(擬流體模型)建立了適用于超高速碰撞的SPH新方法。將超高速碰撞中處于損傷狀態(tài)的碎片等效為擬流體,在描述其運動過程中引入了碎片間相互作用和氣體相對碎片的作用。采用該方法對球形彈丸超高速碰撞薄板形成碎片云的過程進行了數(shù)值模擬,得到了彈坑直徑、外泡碎片云和內(nèi)核碎片云的形狀、分布,并與使用傳統(tǒng)SPH方法、自適應(yīng)光滑粒子流體動力學(ASPH)方法的模擬結(jié)果進行對比,結(jié)果顯示:新方法在內(nèi)核碎片云形狀和分布上計算結(jié)果更加準確。同時對Whipple屏超高速碰撞問題進行了研究,分析了不同撞擊速度下防護屏彈坑尺寸及艙壁損傷特性等特性,計算結(jié)果與實驗吻合較好且符合Whipple防護結(jié)構(gòu)的典型撞擊極限曲線。
【文章來源】：爆炸與沖擊. 2017年06期 第990-1000頁 北大核心
【文章頁數(shù)】：11 頁
【部分圖文】：
算例模型結(jié)構(gòu)
圖2不同SPH方法數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果對比Fig．2ComparisonofdifferentSPHalgorithms'simulationresultsandtheexperimentalresult坑直徑，l為碎片云的膨脹距離，w為碎片云寬度，Δ為l/w的相對誤差。從表3可以看出，采用SPH新方法得到的結(jié)果與實驗吻合較好。與使用傳統(tǒng)SPH方法、ASPH方法的模擬結(jié)果進行對比，新方法在內(nèi)核碎片云形狀和分布上計算結(jié)果更加準確，與實驗更加符合。表明SPH新方法適合模擬鋁球沖擊鋁薄板等超高速碰撞問題。表3超高速碰撞數(shù)值模擬結(jié)果對比Table3Comparisonofhigh-velocityimpactsimulationresults方法D1D2l/mmw/mml/wΔ/%SPH新方法29．433．7105．781．41．306．5Hiermaier實驗［10］27．534．5－－1．39－Hiermaier模擬［10］35．0－－－1．1120．1Liu模擬［13］28．9－105．186．11．2212．2Zhou模擬［12］31．635．3102．875．51．362．2第6期強洪夫，等:基于擬流體模型的SPH新方法及其在彈丸超高速碰撞薄板中的應(yīng)用995
為形象展示了碎片云形成、膨脹的過程，圖3～4分別以俯視、左視兩種視角展示了不同時刻鋁球超高速撞擊鋁薄板三維數(shù)值模擬過程，其中圖4以左視角展示了“碎片云”形成、發(fā)展及最終形態(tài)，并與Zhou采用傳統(tǒng)SPH方法的三維數(shù)值模擬結(jié)果［12］進行對比。圖3鋁彈超高速碰撞鋁薄板俯視圖Fig．3Topviewofhypervelocityimpactofprojectileonthinplates2．2Whipple防護屏超高速碰撞數(shù)值模擬研究柳森等［21］進行了一系列有關(guān)Whipple防護屏的超高速碰撞實驗，本文中選取正碰撞04-0080，04-0090兩組典型過程［21］對其進行數(shù)值模擬研究。圖5為Whipple屏結(jié)構(gòu)示意圖。為了減小計算量，在不影響防護屏彈孔尺寸及艙壁彈坑分布的前提下，分別將防護屏和艙壁長寬減少至50和80mm。SPH粒子直徑為0．3mm，彈丸直徑為5mm，共離散為2440個粒子，撞擊速度為5．29和6．15km/s。防護屏和艙壁厚度均為2mm，分別離散為169344和427734個粒子。彈丸、防護屏及艙壁材料為LY12鋁合金。Johnson-Cook損傷模型的具體參數(shù)［22］見表4。由于本算例的撞擊速度處于超高速撞擊范疇中相對較低的撞擊速度范圍，碰撞過程中所有材料處于固體狀態(tài)，且Grüneisen狀態(tài)方程膨脹態(tài)實際上是固相材料的線性膨脹，且沖擊絕熱線關(guān)系與高壓固體狀態(tài)方程之間聯(lián)系密切，沖擊絕熱關(guān)系的實驗數(shù)據(jù)較多［23］。因此本算例中狀態(tài)方程采用Grüneisen狀態(tài)方程，LY12鋁合金式中各系數(shù)為ρ=2790kg/m3，Γ=2．0，CS=5328，SS=1．338。表4LY12鋁合金本構(gòu)模型參數(shù)Table4ParametersofLY12aluminiumalloyofconstitutivemodelA/MPaB/MPanCmTm/K?ε0/s－13696840．730．0831．77750．1CV/(J·kg－1·C－1)D1D2D3D4D58750．130．13－1．50．0110
本文編號：2898510
【文章來源】：爆炸與沖擊. 2017年06期 第990-1000頁 北大核心
【文章頁數(shù)】：11 頁
【部分圖文】：
算例模型結(jié)構(gòu)
圖2不同SPH方法數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果對比Fig．2ComparisonofdifferentSPHalgorithms'simulationresultsandtheexperimentalresult坑直徑，l為碎片云的膨脹距離，w為碎片云寬度，Δ為l/w的相對誤差。從表3可以看出，采用SPH新方法得到的結(jié)果與實驗吻合較好。與使用傳統(tǒng)SPH方法、ASPH方法的模擬結(jié)果進行對比，新方法在內(nèi)核碎片云形狀和分布上計算結(jié)果更加準確，與實驗更加符合。表明SPH新方法適合模擬鋁球沖擊鋁薄板等超高速碰撞問題。表3超高速碰撞數(shù)值模擬結(jié)果對比Table3Comparisonofhigh-velocityimpactsimulationresults方法D1D2l/mmw/mml/wΔ/%SPH新方法29．433．7105．781．41．306．5Hiermaier實驗［10］27．534．5－－1．39－Hiermaier模擬［10］35．0－－－1．1120．1Liu模擬［13］28．9－105．186．11．2212．2Zhou模擬［12］31．635．3102．875．51．362．2第6期強洪夫，等:基于擬流體模型的SPH新方法及其在彈丸超高速碰撞薄板中的應(yīng)用995
為形象展示了碎片云形成、膨脹的過程，圖3～4分別以俯視、左視兩種視角展示了不同時刻鋁球超高速撞擊鋁薄板三維數(shù)值模擬過程，其中圖4以左視角展示了“碎片云”形成、發(fā)展及最終形態(tài)，并與Zhou采用傳統(tǒng)SPH方法的三維數(shù)值模擬結(jié)果［12］進行對比。圖3鋁彈超高速碰撞鋁薄板俯視圖Fig．3Topviewofhypervelocityimpactofprojectileonthinplates2．2Whipple防護屏超高速碰撞數(shù)值模擬研究柳森等［21］進行了一系列有關(guān)Whipple防護屏的超高速碰撞實驗，本文中選取正碰撞04-0080，04-0090兩組典型過程［21］對其進行數(shù)值模擬研究。圖5為Whipple屏結(jié)構(gòu)示意圖。為了減小計算量，在不影響防護屏彈孔尺寸及艙壁彈坑分布的前提下，分別將防護屏和艙壁長寬減少至50和80mm。SPH粒子直徑為0．3mm，彈丸直徑為5mm，共離散為2440個粒子，撞擊速度為5．29和6．15km/s。防護屏和艙壁厚度均為2mm，分別離散為169344和427734個粒子。彈丸、防護屏及艙壁材料為LY12鋁合金。Johnson-Cook損傷模型的具體參數(shù)［22］見表4。由于本算例的撞擊速度處于超高速撞擊范疇中相對較低的撞擊速度范圍，碰撞過程中所有材料處于固體狀態(tài)，且Grüneisen狀態(tài)方程膨脹態(tài)實際上是固相材料的線性膨脹，且沖擊絕熱線關(guān)系與高壓固體狀態(tài)方程之間聯(lián)系密切，沖擊絕熱關(guān)系的實驗數(shù)據(jù)較多［23］。因此本算例中狀態(tài)方程采用Grüneisen狀態(tài)方程，LY12鋁合金式中各系數(shù)為ρ=2790kg/m3，Γ=2．0，CS=5328，SS=1．338。表4LY12鋁合金本構(gòu)模型參數(shù)Table4ParametersofLY12aluminiumalloyofconstitutivemodelA/MPaB/MPanCmTm/K?ε0/s－13696840．730．0831．77750．1CV/(J·kg－1·C－1)D1D2D3D4D58750．130．13－1．50．0110
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