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聚能射流问题的自适应物质点法模拟

马上  张雄  
【摘要】:聚能射流[1]通常是利用在圆柱形的装药一端安置锥形的金属药型罩,在爆炸的驱动下,药型罩坍塌汇聚,进而形成高速射流。高速射流的速度可达8km/s左右,可以用来穿透装甲、岩石、混凝土等高强度目标,在国防工业以及石油工业有重要应用。在聚能装药的设计以及射流形成和穿甲性能研究中,数值模拟起着越来越重要的作用。由于爆炸、射流形成以及穿甲过程涉及非常大的变形(射流形成过程中的应变可达到10),对聚能射流的数值模拟多采用欧拉方法的流体动力学代码。但由于拉格朗日方法更容易应用历史相关的本构关系,可以追踪变形历史,易于处理界面,拉氏方法在聚能射流的研究中也具有竞争力。其中质点类的无网格法,如SPH和MPM,可以避免网格畸变,比基于网格的传统方法更适合聚能射流问题的模拟。物质点法(Material Point Method,MPM)[2]结合了欧拉方法和拉格朗日方法的优势,长于处理大变形问题,已被成功的应用与冲击和爆炸问题。然而在物质点法中,对于分离距离大于一个背景网格的质点会发生数值断裂,使得模拟的射流容易比实际情况更早发生断裂,难以准确描述药型罩形成射流过程中巨大的延展性。针对这一问题,我们提出了自适应的物质点法(Adaptive Material Point Method,AMPM)。当质点在某一方向的累积应变达到一定阈值,即在这一方向拉伸变形达到一定程度时,将质点一分为二。从而可以更有效的表达射流形成过程中强烈的拉伸变形。我们采用C++语言编制了可自适应分裂质点的三维物质点法程序MPM3DPP。应用Johnson-Cook材料模型用来考虑应变率效应和热软化效应,Mie-Gruneisen状态方程用于金属在高压下的压力计算,Jones-Wilkins-Lee(JWL)状态方程用于描述爆炸产物等膨胀过程。压力项加入人工粘性用来稳定的刻画冲击波。采用MPM3DPP模拟了爆炸、药型罩坍塌、射流形成以及穿甲的完整过程。通过数值模拟,可以对射流形成过程中的变形情况以及温度、速度的分布进行细致的分析。模拟结果和经验公式以及试验结果吻合。

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