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含能材料 2020年第1期28卷 25-31页

作者：孙琦董奇杨沙张刘成中国工程物理研究院化工材料研究所

利用单自由度模型对球壳弹塑性动态响应过程进行力学分析并推导出解析解,得到等向强化双线性弹塑性球壳在考虑准静态压力的内爆炸载荷作用下径向位移响应公式,解析结果与数值模拟结果吻合较好。对屈服发生于首个脉冲阶段和准静态压力阶... 详细信息

利用单自由度模型对球壳弹塑性动态响应过程进行力学分析并推导出解析解,得到等向强化双线性弹塑性球壳在考虑准静态压力的内爆炸载荷作用下径向位移响应公式,解析结果与数值模拟结果吻合较好。对屈服发生于首个脉冲阶段和准静态压力阶段的两种情况进行分析,获得了准静态压力对球壳弹塑性动态响应的影响规律。研究发现,若屈服发生于准静态压力阶段,进入屈服阶段时刻会受准静态压力幅值影响,随准静态压力的增大而减小;无论屈服发生于哪个阶段,最大位移均出现于准静态压力阶段,且出现时刻有明显差异,最大位移值随着准静态压力幅值的增大而显著增大;与弹性响应结果相比,在弹塑性响应分析中准静态压力幅值对最大位移的影响更为显著。研究表明,在炸药的威力评估工作中,针对准静态压力效应采取结构弹塑性响应分析更有实用价值和指导意义。

关键词：有限空间内爆炸爆炸容器准静态压力冲击载荷弹塑性动态响应

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改进SPH方法在冲击载荷下板壳结构动响应中的应用研究

改进SPH方法在冲击载荷下板壳结构动响应中的应用研究

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作者：耿航哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

水下爆炸形成的冲击波及气泡脉动等载荷可导致船体板发生大变形、塑性损伤甚至断裂。经典的有限元在计算时,网格通常会发生比较严重的扭曲,虽然重构网格可解决计算终止问题,但会影响计算效率和求解精度。无网格方法通过使用一系列粒子... 详细信息

水下爆炸形成的冲击波及气泡脉动等载荷可导致船体板发生大变形、塑性损伤甚至断裂。经典的有限元在计算时,网格通常会发生比较严重的扭曲,虽然重构网格可解决计算终止问题,但会影响计算效率和求解精度。无网格方法通过使用一系列粒子点构造形函数并求解对应的积分方程或微分方程,对处理大变形问题具有天然的优势。光滑粒子流体动力学方法SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics)是一种配点型无网格方法,该方法使用积分方式对场函数进行描述:首先将计算域离散为拉格朗日型粒子,然后采用核函数建立支持域内粒子间的相互作用,因此粒子可以任意地运动,不存在网格畸变问题。本文首先从SPH基本理论出发,给出粒子近似和核近似的思想以及核函数需要满足的基本条件,并分析边界处的精度问题。在此基础上结合Mindlin-Reissner平板理论,给出SPH三维壳体数值模型的平衡方程及显式更新公式。为使计算更加稳定,引入人工粘性、光顺过滤和应力点三种数值处理技术。针对传统SPH方法在边界处误差较大,不能准确模拟三维板壳动态响应的问题,本文采用K2PH方法对核函数进行了修正,同时为消除结构计算中的拉伸不稳定性,将其转化为拉格朗日型核函数,然后对拉格朗日型核函数的完备性进行了讨论,并与SPH、修正光滑粒子方法CSPM(Corrective Smoothed Particle Method)以及二阶移动最小二乘粒子流体动力学方法MLSPH(Moving Least Squares Particle Hydrodynamics)完备性进行了对比分析。最后,采用K2PH壳模型模拟结构动态响应,并与ABAQUS有限元结果进行对比以验证模型有效性。同时,针对以往采用Mindlin-Reissner平板理论研究时厚跨比适用范围不明确的问题,本文基于K2PH壳模型给出其适用的范围。随后就粒子分布的均匀性以及应力点的排布方式对计算结果的影响进行研究,并给出优化的粒子离散和应力点排布方式。针对壳体结构在冲击载荷下塑性响应问题,基于Mises屈服准则给出壳体的屈服函数以及塑性返回算法,然后基于理想弹塑性模型对方形平板的响应进行计算,并与ABAQUS有限元结果进行对比。由于金属材料的硬化效应对其力学性能有很大的影响,本文基于Johnson-C ook硬化模型对金属方板和圆盘的塑性变形进行了计算分析,同时与ABAQUS有限元计算结果进行对比。最后将该弹塑性壳模型应用于径向冲击载荷下圆柱壳的塑性响应研究,验证了该塑性模型的有效性和适用性。最后,通过SPH-BEM耦合模型对水下爆炸气泡与弹塑性壳体相互作用进行研究,其中,水下爆炸气泡采用边界元方法(BEM,Boundary Element Method)求解,板壳动态响应采用K2PH模型求解,得到气泡运动与壳体结构的弹塑性响应,并与LS-DYNA的计算结果进行了对比,验证本文耦合模型的可行性以及有效性。

关键词： SPH 壳结构弹塑性动态响应水下爆炸

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