有限元和光滑粒子耦合方法在爆炸问题中的应用研究

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材料的破坏及大变形问题广泛存在于工程实际应用中,如高速碰撞、爆炸等问题。研究解决大变形强冲击类问题的数值计算方法对工程实际应用有很重要的价值。有限元法对于小变形问题计算精度好、效率高,但对于大变形问题会产生单元畸变,其求解精度和效率都会显著降低。光滑粒子法具有很强的大变形求解能力,易于模拟材料的破碎和飞溅等复杂物理现象,但是在计算效率和边界条件处理方面不如有限元法。耦合有限元法与光滑粒子法,可以充分利用两种方法的优势,为大变形问题的模拟提供一条有效的途径。能克服大变形导致的单元畸变,且能保持较好的计算效率。同时,基于耦合方法的应用研究也逐渐为研究人员所重视。本文首先介绍了轴对称有限元法、光滑粒子法及其耦合方法,并根据耦合方法程序,模拟分析了近水面爆炸问题,表明采用耦合方法能在满足计算精度要求的同时更好的处理近水面爆炸水柱隆起过程。其次,文章介绍采用耦合方法计算单层介质水泥混凝土靶板爆炸问题。通过耦合方法分析混凝土靶爆炸问题具有较好的精度,且能够有效的提取包括炸药近场附近任意位置处的物理量历程曲线,再现爆炸过程中的隆起、抛掷和飞溅等现象。并通过不同埋深对混凝土爆炸毁伤效应进行研究,分析炸药埋深对毁伤效应的影响规律。文章最后通过实验研究了多层密实介质爆破鼓包运动规律。并基于AUTODY软件中的三维有限元和光滑粒子耦合模型,在与实验数据进行比较、验证数值分析模型有效性的基础上,研究了预留通道、地基条件、水泥混凝土板厚度及炸药埋深等因素对爆破鼓包运动的影响规律,并对理想炸药和含铝炸药爆破鼓包运动进行了对比分析。研究结果表明,在药量一定的条件下,多层密实介质鼓包运动受炸药埋深、地基条件影响较大,其他影响因素次之。
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