高速衝擊破碎問題的Hamilton粒子重構單元方法

《高速衝擊破碎問題的Hamilton粒子重構單元方法》是依託北京航空航天大學，由張曉天擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：高速衝擊破碎問題的Hamilton粒子重構單元方法
• 依託單位：北京航空航天大學
• 項目負責人：張曉天
• 項目類別：青年科學基金項目

項目摘要

高速衝擊破碎問題廣泛存在於太空飛行器防護、火炮彈丸高速穿甲、在軌解體等工程實際問題中。這類問題實驗難度大，研究其數值模擬技術能夠有效揭示物理機理、縮短設計周期、降低成本。由於有限元與無格線方法各有優勢，因此將兩者相融合的算法是近年的一個研究熱點。本項目擬提出一種新的高速衝擊破碎模擬方法——Hamilton粒子重構單元方法。從能量角度建立高速衝擊問題狀態量演化方程，並將熱傳導和接觸碰撞作用處理為系統非完整約束。顯式疊代中首先對粒子進行積分，然後通過粒子重構單元，進而採用粒子與單元耦合算法計算固體本構關係。通過節點分離技術處理材料斷裂與損傷演化過程。用連續單元表征連續材料，節點分離表征斷裂，而純粒子僅用於表征無法維持自身形狀的畸變或相變材料。Hamilton粒子重構單元方法結合了Hamilton力學方法的優勢以及單元粒子融合算法的優勢，為工程中的高速衝擊問題提供一種精度更高、適用性更強的預測手段。

結題摘要

高速衝擊破碎問題廣泛存在於太空飛行器防護、火炮彈丸高速穿甲、在軌解體等工程實際問題中。這類問題實驗難度大，研究其數值模擬技術能夠有效揭示物理機理、縮短設計周期、降低成本。由於有限元與無格線方法各有優勢，因此將兩者相融合的算法是近年的一個研究熱點。 本項目提出了一種新的高速衝擊破碎模擬方法——Hamilton粒子重構單元方法。從能量角度建立高速衝擊問題狀態量演化方程，並將熱傳導和接觸碰撞作用處理為系統非完整約束。顯式疊代中首先對粒子進行積分，然後通過粒子重構單元，進而採用粒子與單元耦合算法計算固體本構關係。通過節點分離技術處理材料斷裂與損傷演化過程。用連續單元表征連續材料，節點分離表征斷裂，而純粒子僅用於表征無法維持自身形狀的畸變或相變材料。 本項目完成了Hamilton粒子重構單元方法的完整理論推導，能夠套用於一維、二維和三維問題。利用MATLAB和C++語言開發了一維和二維的算法軟體程式，能夠導入前處理軟體建立的模型，實現具有一定複雜度的高速衝擊問題計算。利用一維wall-shock問題和激波管問題的解析解對一維算法程式的正確性進行了驗證。利用高速泰勒撞擊問題以及彈丸穿透靶板問題對二維算法和程式進行了驗證。本算法和軟體可用於太空飛行器多層防護結構的超高速撞擊仿真分析。 另外，算法和軟體的兩個重要子模組節點分離單元斷裂技術和粒子重構單元技術既可以與Hamilton粒子重構單元算法結合，也可與商業軟體聯合分析。節點分離方法可用於有限元仿真，通過分離節點實現單元間斷裂界面的生成，能夠避免單元刪除。該技術可用於模擬複合材料的分層問題。粒子重構單元技術可用於無格線方法中識別材料破壞界面和孤立碎片，可套用於高速衝擊破片分析問題。 Hamilton粒子重構單元方法結合了Hamilton力學方法的優勢以及單元粒子融合算法的優勢，為工程中的高速衝擊問題提供一種精度更高、適用性更強的預測手段。