極端高壓條件下強度材料混合問題的數值模擬

《極端高壓條件下強度材料混合問題的數值模擬》是依託北京套用物理與計算數學研究所，由馮其京擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：極端高壓條件下強度材料混合問題的數值模擬
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：馮其京
• 依託單位：北京套用物理與計算數學研究所

項目摘要

帶有缺陷或雜質的金屬界面受衝擊而形成的微噴射流和金屬界面不穩定性的發展是內爆作用過程中引起混合的兩個關鍵因素，航天領域中研究空間碎片對太空飛行器作用機理和防護設計也是各應察航天大國的重要的研究內容。在這些問題的研究中，強度（金屬）材料在強衝擊或強卸載過程中會發生各類斷裂行為，需要從機理層面深化對這些斷裂行為的認識，數值模擬是重要的研究手段，但目前的數值模擬方法還較為欠缺。本項目以強度材料界面在衝擊或卸拜舉全載過程中產生的斷裂道寒嚷定、破碎問題為研究對象，開展歐拉數值模擬方法研究，在物質界面的追蹤和描述、混合質團的物理量計算、斷裂演化過程的計算建模、大規模並行計算等方面開展工作，開發描述強度材料特別是金屬材料的斷裂、破碎數值模擬工具，套用於微噴射和金屬界面不穩定性的發展等混合問題、以及太空飛行器超高速撞擊等問題的研究。

結題摘要

本項目以武器物理中混合問題的兩個關鍵因素-微噴射流、金屬界面不穩定性的研究為牽引，針對高密度比大變形多介質流場，在物質界面的追蹤和描述、高密度比混合質團中各組分的物理量計算、材料的斷裂計算模型、大規模自適應格線並行計算等方面開展數值模擬方法研究。在界面處理方面，從“形心”的定義、任意多邊形體積和“形心”的統一計算公式，到疊代方法出發，擴展了基於介質形心和體積的二維平面界面重構方法到二維軸對稱幾何，並實現了三維幾何下的二階精度界面重構，以及宙故槳根據流場特徵自適應選擇的多種方式耦合的介質界面捕捉方法；在混合質團計算方面，在考慮壓力馳豫的壓力增量相等封閉性模型的基礎上，將混合格線的各介質密度視為可變數，與壓力一同求解，結合近似Riemann解進行修正，發展了適用於任意形式狀態方程的混合質團封閉計算；在材料層斷裂模擬方面，從彈塑性本構模型、自由面物理量處理、斷裂模型、斷裂判據、材料斷裂後的處理等方面研究了用歐拉方法模擬材料斷裂、破碎的方法；在數值方法的大規模並行計算方面，實現了考慮計算區域動態變化的格線自適應細分及高效並行計算技術。形成了具有獨立自主智慧財產權的描述強度材料特別是金屬材料的斷裂、台提射破碎歐拉方法及程式。利用新開發的程式，模擬了飛片撞擊板靶形成材料層裂的實驗現象及自由面速度演化數值模擬結果與實驗結果的比較；分析了內爆載入條件下金屬界面不穩定性的發展規律，進行了充氣環境下微噴射流的發展形態及與真空環境的比較；模擬分析了內爆情況下的爆轟對碰區飛層凸起機理；數值模擬了彈靶超高速碰撞形成碎片雲過程中，材料損傷破碎規律。部分研究內容以期刊論文或會議論文的形式進行了交流，共發表有資助標註的論文15篇（其中12篇為Sci/Ei收錄）。到2017年底，本酷恥煮榆項目完成了所有研究內容，達到預期的研究目標，所研製的數值方法在武器物理的機理研究、構型設計、作用過程和結果分析等實際研再匪牛究工作中發揮了重要作用。