極端高壓條件下強度材料混合問題的數(shù)值模擬項目摘要

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)爆作用過程中引起混合的兩個關(guān)鍵因素，航天領(lǐng)域中研究空間碎片對航天器作用機理和防護設(shè)計也是各航天大國的重要的研究內(nèi)容。在這些問題的研究中，強度（金屬）材料在強沖擊或強卸載過程中會發(fā)生各類斷裂行為，需要從機理層面深化對這些斷裂行為的認識，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。本項目以強度材料界面在沖擊或卸載過程中產(chǎn)生的斷裂、破碎問題為研究對象，開展歐拉數(shù)值模擬方法研究，在物質(zhì)界面的追蹤和描述、混合質(zhì)團的物理量計算、斷裂演化過程的計算建模、大規(guī)模并行計算等方面開展工作，開發(fā)描述強度材料特別是金屬材料的斷裂、破碎數(shù)值模擬工具，應用于微噴射和金屬界面不穩(wěn)定性的發(fā)展等混合問題、以及航天器超高速撞擊等問題的研究。

本項目以武器物理中混合問題的兩個關(guān)鍵因素-微噴射流、金屬界面不穩(wěn)定性的研究為牽引，針對高密度比大變形多介質(zhì)流場，在物質(zhì)界面的追蹤和描述、高密度比混合質(zhì)團中各組分的物理量計算、材料的斷裂計算模型、大規(guī)模自適應網(wǎng)格并行計算等方面開展數(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)一計算公式，到迭代方法出發(fā)，擴展了基于介質(zhì)形心和體積的二維平面界面重構(gòu)方法到二維軸對稱幾何，并實現(xiàn)了三維幾何下的二階精度界面重構(gòu)，以及根據(jù)流場特征自適應選擇的多種方式耦合的介質(zhì)界面捕捉方法；在混合質(zhì)團計算方面，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)團封閉計算；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)模并行計算方面，實現(xiàn)了考慮計算區(qū)域動態(tài)變化的網(wǎng)格自適應細分及高效并行計算技術(shù)。形成了具有獨立自主知識產(chǎn)權(quán)的描述強度材料特別是金屬材料的斷裂、破碎歐拉方法及程序。利用新開發(fā)的程序，模擬了飛片撞擊板靶形成材料層裂的實驗現(xiàn)象及自由面速度演化數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(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)爆情況下的爆轟對碰區(qū)飛層凸起機理；數(shù)值模擬了彈靶超高速碰撞形成碎片云過程中，材料損傷破碎規(guī)律。部分研究內(nèi)容以期刊論文或會議論文的形式進行了交流，共發(fā)表有資助標注的論文15篇（其中12篇為Sci/Ei收錄）。到2017年底，本項目完成了所有研究內(nèi)容，達到預期的研究目標，所研制的數(shù)值方法在武器物理的機理研究、構(gòu)型設(shè)計、作用過程和結(jié)果分析等實際研究工作中發(fā)揮了重要作用。 2100433B

《復雜地形條件下重氣擴散數(shù)值模擬》共分7章，主要內(nèi)容包括：重氣擴散的個舊地形風洞實驗和nomcy場地測試數(shù)據(jù)引用；重氣擴散相關(guān)機理，包括傳輸模型、泄漏源噴射模型和重氣液滴云團參與的重氣擴散模型的建立；流體動力學偏微分方程組算法優(yōu)化和改進；以存在規(guī)則障礙物的Thorney場地測試26和以曲折山地城市地貌為背景的風洞實驗的測試結(jié)果為復雜地形條件的兩種典型情景，使用實驗數(shù)據(jù)對改進的淺層模型和CFD模型進行驗證；模型對動態(tài)、氣態(tài)噴射源條件下不同泄漏口面積重氣擴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的重氣和液滴重氣云團的擴散行為模擬。

《復雜地形條件下重氣擴散數(shù)值模擬》對從事重氣擴散研究及管理的人員具有一定的參考價值，同時可供高等院校相關(guān)專業(yè)的師生閱讀。

先進高強度鋼(AHSS)是目前最具潛力的汽車輕量化材料，然而其相對較低的延伸率導致的成型或碰撞過程中發(fā)生的早期斷裂，妨礙了它的廣泛應用。汽車和鋼鐵工業(yè)界迫切需要可靠的斷裂預測和數(shù)值模擬方法，應用于AHSS部件成型和碰撞安全性設(shè)計中的斷裂預測和控制。AHSS板料為各向異性材料，在成型和碰撞過程中的復雜載荷歷程和高應變率顯著影響了其斷裂特性。本項目研究復雜載荷歷程和高應變率條件下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、宏觀斷裂準則和相應的用戶自定義材料模型子程序，開發(fā)高效的殼單元分割算法，應用于基于大規(guī)模殼單元的成型和碰撞仿真分析，最終實現(xiàn)AHSS部件成型和碰撞安全性設(shè)計中斷裂失效的預測和數(shù)值模擬。本項目屬固體力學、計算力學和材料科學交叉前沿課題，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AHSS在汽車輕量化領(lǐng)域的應用，因而具有重要研究價值。 2100433B