基于SPH方法的高速沖擊動力學(xué)及應(yīng)用研究.pdf

1、光滑粒子流體動力學(xué)(SPH)方法是一種無網(wǎng)格數(shù)值方法,能夠有效模擬高速碰撞、強(qiáng)沖擊波、大變形、物質(zhì)交界面的穿透與侵蝕以及爆炸等問題,已成為沖擊動力學(xué)應(yīng)用研究的一個熱點問題。本文以國家自然基金“強(qiáng)脈沖激光驅(qū)動飛片加載金屬箔板微成形基礎(chǔ)研究”項目為背景,開展基于SPH方法的高速沖擊動力學(xué)及應(yīng)用研究,對于研究與揭示材料在瞬變、動載荷作用下運動、變形和破壞規(guī)律有著重要的理論研究意義與實際應(yīng)用價值。
　　 首先,介紹了SPH方法的基本理論

2、、基本方程和流體動力學(xué)控制方程組的SPH近似形式。著重介紹了SPH方法的關(guān)鍵技術(shù)問題,如光滑核函數(shù)、光滑長度、邊界處理和人工粘度等,并給出了常見的數(shù)值積分方法。
　　 其次,在研究基于SPH方法的高速沖擊動力學(xué)數(shù)值模擬關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上,編寫了基于理想彈塑性模型、Mie-Gruneisen狀態(tài)方程、Libersky型虛粒子和跳蛙數(shù)值積分格式的高速沖擊動力學(xué)SPH程序。數(shù)值模擬了泰勒碰撞問題。泰勒鐵柱體的穩(wěn)定形態(tài)、穩(wěn)定長度以及寬度都

3、與文獻(xiàn)中的研究十分吻合,證明所編寫的高速沖擊動力學(xué)SPH程序的正確性。采用Johnson-Cook強(qiáng)度模型,編寫了高速沖擊穿透SPH程序,數(shù)值研究了金屬箔板的高速穿透問題。分析研究了彈丸高速碰撞金屬靶板、形成彈坑、蘑菇頭并最終穿透的完整過程,良好的模擬效果表明編寫的基于SPH方法的高速沖擊穿透程序在處理高速碰撞以及大變形問題的優(yōu)越性。
　　 最后,采用Jaumann應(yīng)力率、Johnson-Cook強(qiáng)度模型、Mie-Gruneis

4、en狀態(tài)方程和Libersky型反射虛粒子,編寫了基于SPH方法的飛片高速沖擊動力學(xué)程序,模擬研究了飛片加載下金屬箔板的微成形和微沖裁的沖擊動學(xué)力行為。在微成形模擬中,工件和飛片不同時刻的粒子狀態(tài)分布圖能夠清楚地表明飛片碰撞加載金屬箔板、擠壓并最終實現(xiàn)微成形的完整過程。粒子場變量等高線圖可以清楚地看出微成形過程中的等效應(yīng)力值、壓力值、等效塑性應(yīng)變值和等效塑性應(yīng)變率值。粒子場變量(速度、等效應(yīng)力、壓力、等效塑性應(yīng)變和等效塑性應(yīng)變率)時間歷

5、程曲線可以清晰地捕捉到飛片碰撞加載金屬箔板時的強(qiáng)沖擊波、工件碰撞凹模時的波動,以及最終成形完成時的靜止?fàn)顟B(tài)。在微沖裁模擬中,粒子不同時刻的狀態(tài)分布圖能夠清楚表明飛片碰撞、擠壓并最終完全微沖裁金屬箔板的完整過程。飛片和工件中心粒子速度、等效應(yīng)力、壓力、等效塑性應(yīng)變以及等效塑性應(yīng)變率時間歷程曲線既可以順利捕捉到飛片加載金屬箔板產(chǎn)生的壓縮沖擊波,以及最終微沖裁完成時的平衡運動狀態(tài)。壓力時間歷程曲線的分析結(jié)果滿足MeyerS提出的關(guān)于平面平行碰