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中国科学：物理学、力学、天文学 2017年第7期47卷 205-213页

作者：刘岩张雄清华大学航天航空学院北京100084

多尺度计算方法近年来受到了广泛关注,如何实现分子模拟方法与连续介质模拟方法的平滑过渡,以及如何高效、逼真地构建微细观尺度计算模型,是多尺度计算中需重点解决的问题.近二十年来迅速发展的无网格粒子类方法,特别是物质点法,以其优... 详细信息

多尺度计算方法近年来受到了广泛关注,如何实现分子模拟方法与连续介质模拟方法的平滑过渡,以及如何高效、逼真地构建微细观尺度计算模型,是多尺度计算中需重点解决的问题.近二十年来迅速发展的无网格粒子类方法,特别是物质点法,以其优异的性质,在众多领域内得到了关注与成功应用.本文综述了近年来物质点法及其派生方法在多尺度计算领域的发展情况,包括分子动力学与物质点法的无缝连接、高频波反射抑制、微细观结构建模等方面的算法理论与应用情况,展示出基于物质点法的多尺度计算方法的优势.

关键词：多尺度计算无网格粒子类方法物质点法波传播耦合微细观建模

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极端变形问题的物质点法研究进展

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计算力学学报 2017年第1期34卷 1-16页

作者：张雄刘岩张帆陈镇鹏清华大学航天航空学院北京100084

物质点法采用了拉格朗日和欧拉双重描述,将物体离散为一组在固定于空间的网格(欧拉描述)中运动的质点(拉格朗日描述),有效地综合了拉格朗日法和欧拉法的优点,是分析冲击爆炸等极端变形问题的一种有效方法。本文系统总结了本课题组近年... 详细信息

物质点法采用了拉格朗日和欧拉双重描述,将物体离散为一组在固定于空间的网格(欧拉描述)中运动的质点(拉格朗日描述),有效地综合了拉格朗日法和欧拉法的优点,是分析冲击爆炸等极端变形问题的一种有效方法。本文系统总结了本课题组近年来针对冲击、爆炸和流固耦合等极端变形问题在物质点法算法方面的研究进展,并简要介绍了开发的三维显式并行物质点法数值仿真软件MPM3D及其在超高速碰撞、侵彻、爆炸、边坡失效、金属切削和流固耦合等问题中的应用。

关键词：物质点法冲击爆炸超高速碰撞流固耦合

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纺织复合材料高速撞击的细观直接模拟与实验研究

纺织复合材料高速撞击的细观直接模拟与实验研究

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2018年全国固体力学学术会议

作者：刘岩司雪娜苏浩清华大学航天航空学院

纺织复合材料的力学性能优异,得到了广泛应用,其中三维纺织复合材料以其优越的层间性能在冲击防护中备受关注。本报告结合细观结构直接模拟和弹道实验,研究了三维纺织复合材料在高速撞击下的力学性能。建立了三维机织复合材料和三维编... 详细信息

纺织复合材料的力学性能优异,得到了广泛应用,其中三维纺织复合材料以其优越的层间性能在冲击防护中备受关注。本报告结合细观结构直接模拟和弹道实验,研究了三维纺织复合材料在高速撞击下的力学性能。建立了三维机织复合材料和三维编织复合材料的质点型细观模型,与传统建模方案相比,新型质点型建模方案所得纱线路径、截面形状等细观细节与实际更加吻合。生成纺织结构增强相模型后,基体的离散可以通过点集操作完成,高效且离散质量良好。基于上述质点模型,采用无网格物质点法对高速撞击过程进行了细观直接模拟,可以很好地再现细观结构的断裂破碎过程,体现出细观结构对宏观吸能机制的影响。开展了三维机织复合材料板在不同速度下的高速撞击实验,给出了机织复合材料的各种失效模式。细观结构直接模拟所得的试件破坏形态、剩余弹速等结果与实验结果吻合良好。结合实验数据和数值模拟结果,给出了机织复合材料板剩余速度随参数变化的经验公式。

关键词：纺织复合材料高速撞击细观结构无网格法物质点法

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三维机织复合材料高速冲击的细观直接模拟

三维机织复合材料高速冲击的细观直接模拟

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北京力学会第二十四届学术年会

作者：司雪娜刘岩张雄清华大学航天航空学院

近年来,三维机织复合材料以其优越的力学性能而受到广泛关注。由于其增强相为整体成型的复杂纺织结构,且在厚度方向存在接结纱,因此三维机织复合材料比传统层压复合材料具有更好的层间性能和更强的抗冲击能力[1]。三维机织复合材料已经... 详细信息

近年来,三维机织复合材料以其优越的力学性能而受到广泛关注。由于其增强相为整体成型的复杂纺织结构,且在厚度方向存在接结纱,因此三维机织复合材料比传统层压复合材料具有更好的层间性能和更强的抗冲击能力[1]。三维机织复合材料已经被应用于多个工程领域,特别是一些撞击防护领域,对其在高速冲击下的动力学响应规律和防护性能的研究具有重要意义。三维机织复合材料在冲击载荷下的宏观响应与其细观纺织结构密切关联,其宏观力学性能在很大程度上受纱线交织方式、纱线构型和纱线截面性质、纤维体积含量等细观参数影响。三维机织复合材料的冲击失效行为也与细观结构的各种失效机制相互作用有关。因此三维机织复合材料高速冲击过程的模拟很有必要建立符合真实情况的细观结构模型。传统网格类方法(如有限元方法)建立细观机织结构时,通常需要引入大量几何简化,而且冲击下细观结构的大变形和破碎也给传统有限元法带来了诸多困难。采用网格重构和侵蚀算法虽然可以使得出现结构超大变形和破坏时不致计算意外中止,但对精度影响较大,且可能带来物理量的不守恒。近年来无网格粒子类方法得到了迅速发展,展现出相对于传统有限元法的独特优势。作为一种无网格粒子类方法,物质点法可方便地处理断裂破碎过程,大变形问题计算效率很高,没有网格畸变问题困扰;复杂细观结构易于生成物质点模型,逼近真实细节;因此物质点法在复杂结构建模和极端载荷工况模拟中展示出很大优势[2],特别适合于材料高速冲击问题的细观直接模拟。物质点法已经成功应用于泡沫材料[3]和蜂窝夹芯材料[4]的细观建模和高速碰撞的细观直接模拟。本报告首先基于纱线真实形状和截面构型,建立了三维正交机织复合材料的质点型细观模型。由于纱线和基体区域只需要离散成质点,无需质点间连接关系,且增减质点非常便利,因此各纱线可以分别形成离散质点模型,再直接合并成机织结构的质点模型。当增强相结构生成后,可以很方便地均匀插入基体质点,形成最终的机织复合材料细观模型。基于所建立的细观结构质点模型,模拟了不同参数的三维正交机织复合材料的高速撞击过程。撞击弹丸的剩余速度、靶板破坏形貌等与实验及其他数值方法所得结果吻合良好,如图1所示。实验中所出现的经纱/纬纱拔出和断裂、接结纱解绑、基体断裂破碎等典型细观尺度失效模式在计算结果中得到了很好的体现。对高速撞击下各组分的吸能特性进行了分析。

关键词：机织复合材料细观结构高速冲击无网格粒子类方法物质点法

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蜂窝板高速撞击防护的内结构质点模型直接模拟研究

蜂窝板高速撞击防护的内结构质点模型直接模拟研究

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北京力学会第21届学术年会暨北京振动工程学会第22届学术年会

作者：刘平刘岩张雄清华大学航天航空学院

蜂窝夹芯板是常用的航天器承载结构,可基于其构建低成本、高效能的空间碎片撞击防护结构。蜂窝芯质的内部结构对于碎片高速撞击防护性能有重要影响,存在碎片汇聚效应。本文建立了蜂窝板内结构的质点模型,采用物质点法对蜂窝板高速撞击... 详细信息

蜂窝夹芯板是常用的航天器承载结构,可基于其构建低成本、高效能的空间碎片撞击防护结构。蜂窝芯质的内部结构对于碎片高速撞击防护性能有重要影响,存在碎片汇聚效应。本文建立了蜂窝板内结构的质点模型,采用物质点法对蜂窝板高速撞击过程进行了直接模拟。基于大量模拟结果总结了不同内结构参数和不同撞击参数对防护性能的影响,并提出了一种蜂窝芯质改进结构,可在不增加夹芯板重量的前提下大幅改善防护性能。

关键词：高速撞击内结构模型蜂窝物质点法

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