高效率、高精度耦合算法及對(duì)材料沖擊響應(yīng)特性應(yīng)用的研究.pdf

1、作為一種粒子類方法，光滑粒子法在沖擊動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的計(jì)算中具有其特定的優(yōu)勢(shì)，比如它很適合進(jìn)行大變形、斷裂和破碎的處理，并且可以很方便的追蹤物質(zhì)界面等。本文在介紹光滑粒子法一般理論的基礎(chǔ)上，研究了核函數(shù)和光滑長(zhǎng)度在應(yīng)力波的光滑粒子法模擬中的作用，并采用光滑粒子法完成了對(duì)材料層裂的數(shù)值模擬。相對(duì)素混凝土，鋼纖維混凝土具有更高的強(qiáng)度和韌性，適用于軍事防護(hù)工程和民事建筑，本文對(duì)鋼纖維混凝土的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行了深入研究，重點(diǎn)在于應(yīng)變率、損傷和鋼纖維含

2、量對(duì)混凝土的強(qiáng)度和韌性的影響及其耦合作用，并給出了相應(yīng)的本構(gòu)模型。FE-SPH耦合方法結(jié)合了光滑粒子法和有限元法的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)具有較高的效率和精度，非常適用于侵徹等沖擊動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的模擬，本文深入研究了FE-SPH耦合算法，重點(diǎn)在于單元-粒子接觸算法，并采用二維軸對(duì)稱FE-SPH耦合程序?qū)︿摾w維混凝土侵徹問(wèn)題進(jìn)行了數(shù)值模擬，驗(yàn)證了耦合算法的可靠性，并研究了鋼纖維混凝土的抗侵徹機(jī)理。本文的研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新成果主要包括:
　　本文第2章闡述

3、了光滑粒子法的基本思想，介紹了光滑粒子法中核近似和粒子近似的基本概念。將連續(xù)介質(zhì)力學(xué)守恒方程在直角笛卡爾坐標(biāo)系下進(jìn)行了光滑粒子離散，研究了利用光滑粒子方法進(jìn)行連續(xù)介質(zhì)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題計(jì)算需要考慮的一些基本問(wèn)題，包括CFL條件、核函數(shù)、可變光滑長(zhǎng)度、粒子搜索方法和本構(gòu)嵌入等。最后引入改進(jìn)的光滑粒子方法(CSPM)，說(shuō)明了其優(yōu)越性。
　　在第3章中將通量修正輸運(yùn)法引入光滑粒子法以進(jìn)行間斷面的處理，并對(duì)通量修正輸運(yùn)法與人工粘性法的處理效果進(jìn)行

4、了對(duì)比。研究了核函數(shù)和光滑長(zhǎng)度對(duì)光滑粒子法模擬應(yīng)力波的影響，給出了適用于應(yīng)力波模擬的核函數(shù)和相應(yīng)光滑長(zhǎng)度，并給出了一個(gè)代表模擬精度的參數(shù)。采用CSPM方法對(duì)45＃鋼的層裂進(jìn)行了模擬，以實(shí)驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)，對(duì)比了FDM和CSPM給出的自由面速度時(shí)程曲線，證明CSPM方法可以更好的模擬固體中的應(yīng)力波傳播和層裂問(wèn)題。
　　第4章首先對(duì)鋼纖維混凝土的霍普金森桿實(shí)驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行了研究，重點(diǎn)研究了整形器的原理:減少入射波高頻部分，更好的維持恒應(yīng)變率加

5、載和應(yīng)力均勻狀態(tài)。利用霍普金森桿研究了六種不同鋼纖維體積比混凝土的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為，分析了應(yīng)變率和鋼纖維體積比對(duì)混凝土強(qiáng)度、峰值應(yīng)變和能量耗散的影響，探討了應(yīng)變率效應(yīng)和鋼纖維增強(qiáng)效應(yīng)的機(jī)理。在分析總結(jié)了前人有關(guān)混凝土應(yīng)變率效應(yīng)方面成果的基礎(chǔ)上，提出了一個(gè)新的動(dòng)態(tài)增強(qiáng)因子公式，并對(duì)動(dòng)態(tài)增強(qiáng)因子公式嵌入本構(gòu)的方式進(jìn)行了修正?；谏鲜鰧?shí)驗(yàn)和理論分析結(jié)果，提出了一個(gè)新的混凝土粘塑性損傷軟化本構(gòu)模型，此模型在物理上更加嚴(yán)謹(jǐn)，在處理方法上更加簡(jiǎn)潔明了，

6、并且能夠很好的反映混凝土材料的應(yīng)變率效應(yīng)、應(yīng)變率突躍效應(yīng)、卸載非線性回滯效應(yīng)和損傷軟化效應(yīng)等各種力學(xué)行為;在對(duì)新本構(gòu)模型進(jìn)行擬合的過(guò)程中，發(fā)展了一種逐步積分最小二乘法，并采用這種方法擬合出本構(gòu)關(guān)系和損傷演化方程的全部參數(shù)，方法簡(jiǎn)潔有效，適用于一切含損傷的材料本構(gòu)關(guān)系參數(shù)的確定。
　　最后，第5章對(duì)有限元-光滑粒子耦合算法(FE-SPH)進(jìn)行了研究和改進(jìn)，重點(diǎn)是有限元單元-光滑粒子的轉(zhuǎn)化算法、有限元單元間的接觸算法、光滑粒子間的接觸

7、算法和有限元單元-光滑粒子間的接觸算法。基于本文對(duì)鋼纖維混凝土動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的研究成果，在二維軸對(duì)稱FE-SPH耦合程序中引入鋼纖維混凝土的本構(gòu)模型，對(duì)45＃鋼彈體侵徹鋼纖維混凝土的過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬;對(duì)比了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算得到的剩余速度，驗(yàn)證了程序的有效性;給出了不同時(shí)刻的侵徹圖形，分析了鋼纖維混凝土的抗侵徹機(jī)理，認(rèn)為加入鋼纖維增強(qiáng)了混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和韌性，并可有效阻止材料損傷裂紋的擴(kuò)展，這些因素都提高了鋼纖維混凝土的抗侵徹能力