三维显式有限元程序及炸药冲击起爆应用

冲击和爆炸数值模拟在军事工程和民用领域都应用广泛。基于显式有限元理论,本文介绍了自主研发的三维冲击和起爆流体动力学程序。该程序的功能包含了材料本构、状态方程、炸药反应速率方程和接触碰撞算法,能够模拟复杂条件下结构冲击和炸药起爆问题。由于采用面向对象的编程方法,程序结构相对简单并且容易修改。首先,进行了Taylor杆碰撞数值模拟,并将计算结果与实验结果以及DYNA2D结果进行了比较;接着,基于Lee-Tarver点火增长模型,模拟了冲击加载下裸炸药和带壳炸药的冲击起爆问题。计算结果表明,三维程序计算结果与实验值和商业软件结果都非常吻合,该程序能够较准确地模拟三维结构的冲击和炸药起爆问题。同时,基于面向对象开发的三维计算程序实现了模块化功能,易于后续开发,为冲击和爆炸计算程序的开发提供了参考。     

温度和压力对Au反射特性影响及动高压下的测温应用分析

基于金属电子气模型,进行了温度、压力对Au反射率变化影响的研究与分析。利用DAC装置开展了压力对Au反射率变化测量实验,以及激光加热的动态温升条件下温度对Au反射率变化测量实验,获得了探测光束波长为488 nm条件下,温度(室温至350 ℃)和压力(11 GPa范围内)对Au反射特性影响的实验结果。结果表明:在11 GPa压力范围内,与温度因素相比,压力对Au的反射率变化影响可忽略;Au对488 nm波长激光的反射率变化趋势为单调递增,变化幅值达约10%,且具有反射率与温度的一一对应特性。通过动高压加载下材料温度瞬态测量要求分析,认为基于Au在488 nm波长下的反射变化特性,可建立一种适用于动高压加载下低温段(低于1000 K)的瞬态测温方法,用于解决材料动高压领域的瞬态测温技术难点。     

电磁驱动45钢准等熵压缩的实验研究

在已有的众多准等熵加载技术中,磁驱动准等熵加载技术具有准等熵程度高、压力范围大、实验材料种类多、效费比高等特点。利用中物院流体物理研究所建成的磁驱动准等熵压缩和高速飞片实验装置CQ-1.5(最高加载压力为50GPa),成功开展了45钢的准等熵压缩实验,对装置的主要参数进行了介绍;利用激光干涉测试系统DPS获得了45钢飞片的自由面速度历史,通过反积分处理给出了材料准等熵压缩的p-V关系。通过分析实验数据,获得了45钢3种形式的等熵方程的参数。实验获得的最高等熵压力为47.5GPa。     

磁驱动飞片的三维数值模拟及分析

磁驱动准等熵加载和超高速飞片发射是一种全新的冲击动力学和高能量密度物理实验加载技术。利用三维磁流体动力学软件,模拟了磁驱动飞片的物理过程,计算得到的飞片自由面速度与实验结果符合较好。通过计算飞片横断面的温度、密度和磁场分布,得到了加载过程中磁扩散速度和飞片的剩余厚度。飞片加载过程中飞片边缘的卷曲变形严重,分析认为是由电流和磁场分布的不均匀导致飞片边侧受斜上方较大的加载力所致,并且电流分布的不均匀是主要因素。实验设计时,可利用极板构型的变化调节加载面的电流分布,从而提高飞片的平面性,减小边侧的卷曲变形。     

磁驱动飞片的一维磁流体动力学数值研究

磁驱动高速飞片技术是近年来发展的一种新型实验技术,在冲击波物理领域得到应用。该过程伴随着磁场扩散,并由此引起焦耳加热,使得飞片加载面的相状态发生变化,这决定了飞片厚度的范围。基于拉格朗日坐标系,利用磁流体动力学方程组、电阻率方程和状态方程数据库,对磁驱动铝飞片进行了一维磁流体动力学数值计算,获得了不同时刻铝飞片密度、温度的剖面分布,得到了磁场扩散速率随加载电流密度的变化关系。文章所选取的电导率方程只考虑到汽化点为止,对于等离子体形成的过程无法描述,如果要精确描述更高电流密度下的驱动过程,需考虑更为普适的电导率方程。磁场扩散速率随加载电流密度的变化存在转折点,在转折点前后可分别用两个线性关系表达式加以刻画。利用这些关系和冲击波物理相关知识,对磁压加载等熵驱动飞片实验样品厚度的选择进行了研究。     

激光辐照下静止及旋转充压柱壳结构变形的对比分析

 采用3维实体单元模拟激光辐照下静止及旋转充压柱壳的应力和应变分布,分析了柱壳可能发生破坏的位置和条件。通过对计算结果的分析表明,对于激光辐照下静止及旋转充压柱壳,裂纹都有可能在光斑边缘附近产生。但由于在旋转充压柱壳上,在过光斑中心圆周上有高应力带状区域,因此旋转柱壳有可能在这一环带区域也发生破坏。在相同的激光加载条件下,静止充压柱壳更容易在局部区域开始发生破坏。     

激光辐照下旋转柱壳温度场的数值模拟

 采用有限元方法数值模拟在连续激光辐照下旋转柱壳温度场的变化和分布情况,并分析了热性能参数对温度场造成的影响,同时还比较分析了不同旋转频率对柱壳温度场分布的影响。结果表明,激光作用下旋转柱壳的温升大大低于静止柱壳的温升, 外表面温度呈现出与旋转频率相符的周期性上升过程,而内表面温升由于热传导的原因在较小频率下才表现出这种周期性,当频率增大到一定值时,内表面温升不出现周期性的台阶而是曲线上升。     

ICE自由面台阶靶数据处理的直接计算方法

斜波压缩台阶靶实验中，不同厚度界面粒子速度历史与材料压缩特性参数存在联系。然而利用普遍采用的数据处理方法无法直接获得该联系。本文中借助特征线理论在建立上述关联的基础上，实现未知EOS下斜波压缩流场的直接计算过程。经数值计算表明，该方法不仅在无强度效应数据处理中能够准确计算理论值，而且在含有强度效应数据处理中也能够较好地逼近理论值，并可在真实实验数据处理中获得与文献符合较好的结果。该研究可为探索具有较完整理论的强度效应数据处理方法提供新途径。     

连续和重复频率激光对旋转壳体加热效率比较的数值模拟

基于有效利用激光能量的目的,开展了连续和重复频率激光对旋转壳体加热效率的比较研究。在一定条件下,重复频率激光要比连续激光的加热效率高,而且加热效率与重复频率、占空比等有关。数值计算结果表明:以平均功率密度相同为前提,在频率相同条件下,占空比减小,温度上升加快,即加热效率随占空比的减小而增大;在相同占空比条件下,重复频率越低,温度周期变化越明显,振荡峰值越大;当占空比较小时,随着辐照时间增加,重复频率对加热效率影响减小。     

斜波压缩下锡的相变动力学特性

利用磁驱动加载装置(CQ-4)和高精度速度测试装置(DPV),开展了斜波加载下锡的动态压缩实验。实验结果表明:锡在加载阶段经历了弹塑性转变和相变等物理过程,相变压力约为7.5 GPa。β–γ相变对应的特征速度随着锡厚度的增加,从676.3 m/s减小到636.8 m/s,对应的压力从7.62 GPa降低到7.11 GPa。结合Hayes多相状态方程和非平衡相变动力学模型,对锡的斜波压缩实验过程进行了模拟,数值计算结果可以较好地描述锡在加载阶段的弹塑性转变和相变等物理过程。讨论了体模量在不同热力学过程中的物理形式,计算结果显示,斜波压缩过程需考虑压力对体模量的修正。分析了相变弛豫时间、体模量等典型物理参数对速度波形的影响,结果表明,相变弛豫时间和各相初始自由能主要影响混合区部分速度波形,γ相的体模量参数只影响相变后的速度波形,β相的体模量参数会影响整体速度波形。