極端高壓條件下強(qiáng)度材料混合問(wèn)題的數(shù)值模擬

本項(xiàng)目以武器物理中混合問(wèn)題的兩個(gè)關(guān)鍵因素-微噴射流、金屬界面不穩(wěn)定性的研究為牽引，針對(duì)高密度比大變形多介質(zhì)流場(chǎng)，在物質(zhì)界面的追蹤和描述、高密度比混合質(zhì)團(tuán)中各組分的物理量計(jì)算、材料的斷裂計(jì)算模型、大規(guī)模自適應(yīng)網(wǎng)格并行計(jì)算等方面開(kāi)展數(shù)值模擬方法研究。在界面處理方面，從“形心”的定義、任意多邊形體積和“形心”的統(tǒng)一計(jì)算公式，到迭代方法出發(fā)，擴(kuò)展了基于介質(zhì)形心和體積的二維平面界面重構(gòu)方法到二維軸對(duì)稱幾何，并實(shí)現(xiàn)了三維幾何下的二階精度界面重構(gòu)，以及根據(jù)流場(chǎng)特征自適應(yīng)選擇的多種方式耦合的介質(zhì)界面捕捉方法；在混合質(zhì)團(tuán)計(jì)算方面，在考慮壓力馳豫的壓力增量相等封閉性模型的基礎(chǔ)上，將混合網(wǎng)格的各介質(zhì)密度視為可變量，與壓力一同求解，結(jié)合近似Riemann解進(jìn)行修正，發(fā)展了適用于任意形式狀態(tài)方程的混合質(zhì)團(tuán)封閉計(jì)算；在材料層斷裂模擬方面，從彈塑性本構(gòu)模型、自由面物理量處理、斷裂模型、斷裂判據(jù)、材料斷裂后的處理等方面研究了用歐拉方法模擬材料斷裂、破碎的方法；在數(shù)值方法的大規(guī)模并行計(jì)算方面，實(shí)現(xiàn)了考慮計(jì)算區(qū)域動(dòng)態(tài)變化的網(wǎng)格自適應(yīng)細(xì)分及高效并行計(jì)算技術(shù)。形成了具有獨(dú)立自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的描述強(qiáng)度材料特別是金屬材料的斷裂、破碎歐拉方法及程序。利用新開(kāi)發(fā)的程序，模擬了飛片撞擊板靶形成材料層裂的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及自由面速度演化數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較；分析了內(nèi)爆加載條件下金屬界面不穩(wěn)定性的發(fā)展規(guī)律，進(jìn)行了充氣環(huán)境下微噴射流的發(fā)展形態(tài)及與真空環(huán)境的比較；模擬分析了內(nèi)爆情況下的爆轟對(duì)碰區(qū)飛層凸起機(jī)理；數(shù)值模擬了彈靶超高速碰撞形成碎片云過(guò)程中，材料損傷破碎規(guī)律。部分研究?jī)?nèi)容以期刊論文或會(huì)議論文的形式進(jìn)行了交流，共發(fā)表有資助標(biāo)注的論文15篇（其中12篇為Sci/Ei收錄）。到2017年底，本項(xiàng)目完成了所有研究?jī)?nèi)容，達(dá)到預(yù)期的研究目標(biāo)，所研制的數(shù)值方法在武器物理的機(jī)理研究、構(gòu)型設(shè)計(jì)、作用過(guò)程和結(jié)果分析等實(shí)際研究工作中發(fā)揮了重要作用。 2100433B

帶有缺陷或雜質(zhì)的金屬界面受沖擊而形成的微噴射流和金屬界面不穩(wěn)定性的發(fā)展是內(nèi)爆作用過(guò)程中引起混合的兩個(gè)關(guān)鍵因素，航天領(lǐng)域中研究空間碎片對(duì)航天器作用機(jī)理和防護(hù)設(shè)計(jì)也是各航天大國(guó)的重要的研究?jī)?nèi)容。在這些問(wèn)題的研究中，強(qiáng)度（金屬）材料在強(qiáng)沖擊或強(qiáng)卸載過(guò)程中會(huì)發(fā)生各類斷裂行為，需要從機(jī)理層面深化對(duì)這些斷裂行為的認(rèn)識(shí)，數(shù)值模擬是重要的研究手段，但目前的數(shù)值模擬方法還較為欠缺。本項(xiàng)目以強(qiáng)度材料界面在沖擊或卸載過(guò)程中產(chǎn)生的斷裂、破碎問(wèn)題為研究對(duì)象，開(kāi)展歐拉數(shù)值模擬方法研究，在物質(zhì)界面的追蹤和描述、混合質(zhì)團(tuán)的物理量計(jì)算、斷裂演化過(guò)程的計(jì)算建模、大規(guī)模并行計(jì)算等方面開(kāi)展工作，開(kāi)發(fā)描述強(qiáng)度材料特別是金屬材料的斷裂、破碎數(shù)值模擬工具，應(yīng)用于微噴射和金屬界面不穩(wěn)定性的發(fā)展等混合問(wèn)題、以及航天器超高速撞擊等問(wèn)題的研究。

《復(fù)雜地形條件下重氣擴(kuò)散數(shù)值模擬》共分7章，主要內(nèi)容包括：重氣擴(kuò)散的個(gè)舊地形風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和nomcy場(chǎng)地測(cè)試數(shù)據(jù)引用；重氣擴(kuò)散相關(guān)機(jī)理，包括傳輸模型、泄漏源噴射模型和重氣液滴云團(tuán)參與的重氣擴(kuò)散模型的建立；流體動(dòng)力學(xué)偏微分方程組算法優(yōu)化和改進(jìn)；以存在規(guī)則障礙物的Thorney場(chǎng)地測(cè)試26和以曲折山地城市地貌為背景的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果為復(fù)雜地形條件的兩種典型情景，使用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)改進(jìn)的淺層模型和CFD模型進(jìn)行驗(yàn)證；模型對(duì)動(dòng)態(tài)、氣態(tài)噴射源條件下不同泄漏口面積重氣擴(kuò)散污染模擬的比較和恒定噴射源條件下存在重氣液滴相時(shí)的重氣和液滴重氣云團(tuán)的擴(kuò)散行為模擬。

《復(fù)雜地形條件下重氣擴(kuò)散數(shù)值模擬》對(duì)從事重氣擴(kuò)散研究及管理的人員具有一定的參考價(jià)值，同時(shí)可供高等院校相關(guān)專業(yè)的師生閱讀。

先進(jìn)高強(qiáng)度鋼(AHSS)是目前最具潛力的汽車輕量化材料，然而其相對(duì)較低的延伸率導(dǎo)致的成型或碰撞過(guò)程中發(fā)生的早期斷裂，妨礙了它的廣泛應(yīng)用。汽車和鋼鐵工業(yè)界迫切需要可靠的斷裂預(yù)測(cè)和數(shù)值模擬方法，應(yīng)用于AHSS部件成型和碰撞安全性設(shè)計(jì)中的斷裂預(yù)測(cè)和控制。AHSS板料為各向異性材料，在成型和碰撞過(guò)程中的復(fù)雜載荷歷程和高應(yīng)變率顯著影響了其斷裂特性。本項(xiàng)目研究復(fù)雜載荷歷程和高應(yīng)變率條件下AHSS板料的各向異性斷裂特性和數(shù)值模擬方法，建立其各向異性塑性本構(gòu)模型、宏觀斷裂準(zhǔn)則和相應(yīng)的用戶自定義材料模型子程序，開(kāi)發(fā)高效的殼單元分割算法，應(yīng)用于基于大規(guī)模殼單元的成型和碰撞仿真分析，最終實(shí)現(xiàn)AHSS部件成型和碰撞安全性設(shè)計(jì)中斷裂失效的預(yù)測(cè)和數(shù)值模擬。本項(xiàng)目屬固體力學(xué)、計(jì)算力學(xué)和材料科學(xué)交叉前沿課題，具有理論深度和難度，又可滿足汽車和鋼鐵工業(yè)的迫切需要，推動(dòng)AHSS在汽車輕量化領(lǐng)域的應(yīng)用，因而具有重要研究?jī)r(jià)值。 2100433B