超高速碰撞下相變效應的交錯網格物質點法研究

周若璞, 曾治鑫, 張 雄

(清華大學 航天航空學院,北京 100084)

1 引 言

超高速碰撞HVI(Hyper velocity impact)是指彈體以極高的速度撞擊靶體成坑或穿透的過程,其研究對于航天器空間碎片防護技術、反彈道導彈技術和核反應堆外殼安全防護設計等具有重要意義[1]。

超高速碰撞過程往往伴隨著沖擊波強間斷、材料的極端變形和損傷破壞問題,理論分析十分困難,實驗研究成本較高,周期較長,結果隨機性較大,因此數值模擬是相關研究的重要手段。有限元法是目前固體力學最常用的數值分析方法。Kimsey等[2]將侵蝕算法引入EPIC有限元程序以計算超高速碰撞薄靶問題。然而,有限元法計算此類問題具有嚴重的網格依賴性,極易因網格畸變而產生數值困難。且侵蝕算法刪除了失效單元,不能描述碎片云的產生和演化。

物質點法MPM(Material point method)是由Sulsky等[3,4]將用于流體動力學的質點網格法擴展到固體力學問題中提出的一種完全拉格朗日質點類無網格法。物質點法結合了拉格朗日方法和歐拉方法的優勢,避免了網格畸變等問題,是分析超高速碰撞問題的最有效方法之一。馬上等[5]基于空間碎片防護問題采用MPM研究彈丸碰撞薄板問題,并將MPM與FEM耦合應用于超高速碰撞問題。黃鵬等[6]采用并行的MPM方法模擬了鉛彈超高速碰撞薄鉛板問題。馬上等[7]從接觸算法、穩定性和計算效率等方面詳細比較了MPM和SPH方法在計算超高速碰撞問題時的性能。Ren等[8]使用PAGOSA程序中的FILP和MPM功能模擬了超高音速爆炸碎片撞擊殼體等問題。……