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(shí)間：2020-12-05 00:18
引入顆粒動(dòng)力學(xué)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(yùn)動(dòng)過程中引入了碎片間相互作用和氣體相對(duì)碎片的作用。采用該方法對(duì)球形彈丸超高速碰撞薄板形成碎片云的過程進(jìn)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(dòng)力學(xué)(ASPH)方法的模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果顯示:新方法在內(nèi)核碎片云形狀和分布上計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確。同時(shí)對(duì)Whipple屏超高速碰撞問題進(jìn)行了研究,分析了不同撞擊速度下防護(hù)屏彈坑尺寸及艙壁損傷特性等特性,計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)吻合較好且符合Whipple防護(hù)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(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)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(duì)誤差。從表3可以看出，采用SPH新方法得到的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)吻合較好。與使用傳統(tǒng)SPH方法、ASPH方法的模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，新方法在內(nèi)核碎片云形狀和分布上計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確，與實(shí)驗(yàn)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(duì)比Table3Comparisonofhigh-velocityimpactsimulationresults方法D1D2l/mmw/mml/wΔ/%SPH新方法29．433．7105．781．41．306．5Hiermaier實(shí)驗(yàn)［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(qiáng)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(shí)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(jìn)行對(duì)比。圖3鋁彈超高速碰撞鋁薄板俯視圖Fig．3Topviewofhypervelocityimpactofprojectileonthinplates2．2Whipple防護(hù)屏超高速碰撞數(shù)值模擬研究柳森等［21］進(jìn)行了一系列有關(guān)Whipple防護(hù)屏的超高速碰撞實(shí)驗(yàn)，本文中選取正碰撞04-0080，04-0090兩組典型過程［21］對(duì)其進(jìn)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(jì)算量，在不影響防護(hù)屏彈孔尺寸及艙壁彈坑分布的前提下，分別將防護(hù)屏和艙壁長(zhǎng)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(gè)粒子，撞擊速度為5．29和6．15km/s。防護(hù)屏和艙壁厚度均為2mm，分別離散為169344和427734個(gè)粒子。彈丸、防護(hù)屏及艙壁材料為L(zhǎng)Y12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(duì)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(hào)：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(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)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(duì)誤差。從表3可以看出，采用SPH新方法得到的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)吻合較好。與使用傳統(tǒng)SPH方法、ASPH方法的模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，新方法在內(nèi)核碎片云形狀和分布上計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確，與實(shí)驗(yàn)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(duì)比Table3Comparisonofhigh-velocityimpactsimulationresults方法D1D2l/mmw/mml/wΔ/%SPH新方法29．433．7105．781．41．306．5Hiermaier實(shí)驗(yàn)［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(qiáng)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(shí)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(jìn)行對(duì)比。圖3鋁彈超高速碰撞鋁薄板俯視圖Fig．3Topviewofhypervelocityimpactofprojectileonthinplates2．2Whipple防護(hù)屏超高速碰撞數(shù)值模擬研究柳森等［21］進(jìn)行了一系列有關(guān)Whipple防護(hù)屏的超高速碰撞實(shí)驗(yàn)，本文中選取正碰撞04-0080，04-0090兩組典型過程［21］對(duì)其進(jìn)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(jì)算量，在不影響防護(hù)屏彈孔尺寸及艙壁彈坑分布的前提下，分別將防護(hù)屏和艙壁長(zhǎng)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(gè)粒子，撞擊速度為5．29和6．15km/s。防護(hù)屏和艙壁厚度均為2mm，分別離散為169344和427734個(gè)粒子。彈丸、防護(hù)屏及艙壁材料為L(zhǎng)Y12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(duì)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(shí)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(shí)驗(yàn)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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