基于近场动力学的层裂问题初步研究

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层裂是材料在高速冲击下发生的极端失效现象,广泛存在于军事、航空航天以及各种工程领域,因而引起了学界的广泛关注。自Hopkinson于1914年首次发现层裂现象以来的百余年里,诸多学者从理论、实验以及数值模拟各方面开展了大量的研究工作,取得了巨大的进展。而随着计算机技术的飞速发展,更由于层裂问题的特殊性,数值模拟愈来愈受到学界的重视。同时,由于层裂问题本质上的不连续性,使得采用基于连续介质假设的数值方法如有限差分法、有限单元法等模拟层裂问题存在着较大的困难。近十多年来兴起的近场动力学理论抛弃了连续介质假设,其所建立的基本方程为微分(对时间域)-积分(对空间域)方程,因此更适宜于求解诸如层裂、爆炸类本质非连续问题。为此,本文采用近场动力学理论研究高速冲击产生的层裂问题。主要研究内容及结论如下:1、基于近场动力学态理论,采用连续介质力学中变形梯度和第一Piola-Kirchhoff应力分别来表述近场动力学中的变形态和力态,从而建立起近场动力学态理论与连续介质力学描述间的桥梁,进而避免了导出近场动力学态理论中的本构关系的麻烦;通过文献检索分析,确定了适用于高速冲击下层裂问题模拟的本构方程以及状态方程;最后获得了适用于描述高速冲击问题的近场动力学基本方程组。2、基于上述基本方程组,推导了相应的计算格式;基于该计算格式,完成了相应的计算流程分析,并采用FORTRAN语言编写了分析程序;通过一个简单算例以及飞片撞击靶板算例(材料均为LY12铝)做了数值验证,两个算例的结果与有限元计算结果均较为吻合,从而表明本文给出的基于近场动力学理论研究层裂问题的方法是可行的,程序实现是正确且可靠的。3、采用上述飞片撞击靶板模型对比分析不同邻域大小、不同影响函数以及不同粒子间距对数值计算结果的影响。结果表明,就邻域大小的影响而言,第一近邻方案最佳;对于第一邻域而言,均权影响函数在数值计算中结果更好;考虑粒子间距的影响时则是粒子间距小的较优。4、对含孔洞材料受到飞片冲击进行数值计算,刻画了冲击过程中孔洞演化的整个过程以及层裂初步发生时孔洞对周围材料的影响。
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