高速冲击破碎问题的Hamilton粒子重构单元方法

High velocity impact physics is widely used in many engineering areas, such as: spacecraft shielding, projectiles penetrating the target, on-orbit breakup, etc. It is difficult to carry out physical experiments to this kind of problems. Numerical investigation can expose the inherent physical mechanisms and reduce the design cycle and the cost. Since either the finite element method or meshfree particle method has its own advantages, the hybrid algorithm is the recent research hotspot. A new method for high velocity impact fragmentation simulation, Hamilton particle-finite element reconstruction method, is supposed to be proposed in this project. The states evolutionary equations are built from the perspective of energy. The thermal conduction and the collision forces are dealt with nonholonomic constraints. In the explicit iteration, the particles are integrated first; following that finite elements are reconstructed from the particles; and then the solid constitutive model is computed with the coupled algorithm of element and particle. Node separation technique is introduced to handle the material fracture and the damage evolution process. The continuum materials are represented with continuum elements; the fracture is reproduced with node separation; only the distorted and phase changed materials are represented by pure particles. Hamilton particle-finite element reconstruction method combines the advantages of both the Hamilton mechanics and the hybrid algorithm. It is a potential prediction scheme with higher accuracy and stronger applicability for high velocity impact fragmentation problems in the engineering design.

高速冲击破碎问题广泛存在于航天器防护、火炮弹丸高速穿甲、在轨解体等工程实际问题中。这类问题实验难度大，研究其数值模拟技术能够有效揭示物理机理、缩短设计周期、降低成本。由于有限元与无网格方法各有优势，因此将两者相融合的算法是近年的一个研究热点。本项目拟提出一种新的高速冲击破碎模拟方法——Hamilton粒子重构单元方法。从能量角度建立高速冲击问题状态量演化方程，并将热传导和接触碰撞作用处理为系统非完整约束。显式迭代中首先对粒子进行积分，然后通过粒子重构单元，进而采用粒子与单元耦合算法计算固体本构关系。通过节点分离技术处理材料断裂与损伤演化过程。用连续单元表征连续材料，节点分离表征断裂，而纯粒子仅用于表征无法维持自身形状的畸变或相变材料。Hamilton粒子重构单元方法结合了Hamilton力学方法的优势以及单元粒子融合算法的优势，为工程中的高速冲击问题提供一种精度更高、适用性更强的预测手段。

高速冲击破碎问题广泛存在于航天器防护、火炮弹丸高速穿甲、在轨解体等工程实际问题中。这类问题实验难度大，研究其数值模拟技术能够有效揭示物理机理、缩短设计周期、降低成本。由于有限元与无网格方法各有优势，因此将两者相融合的算法是近年的一个研究热点。.本项目提出了一种新的高速冲击破碎模拟方法——Hamilton粒子重构单元方法。从能量角度建立高速冲击问题状态量演化方程，并将热传导和接触碰撞作用处理为系统非完整约束。显式迭代中首先对粒子进行积分，然后通过粒子重构单元，进而采用粒子与单元耦合算法计算固体本构关系。通过节点分离技术处理材料断裂与损伤演化过程。用连续单元表征连续材料，节点分离表征断裂，而纯粒子仅用于表征无法维持自身形状的畸变或相变材料。.本项目完成了Hamilton粒子重构单元方法的完整理论推导，能够应用于一维、二维和三维问题。利用MATLAB和C++语言开发了一维和二维的算法软件程序，能够导入前处理软件建立的模型，实现具有一定复杂度的高速冲击问题计算。利用一维wall-shock问题和激波管问题的解析解对一维算法程序的正确性进行了验证。利用高速泰勒撞击问题以及弹丸穿透靶板问题对二维算法和程序进行了验证。本算法和软件可用于航天器多层防护结构的超高速撞击仿真分析。.另外，算法和软件的两个重要子模块节点分离单元断裂技术和粒子重构单元技术既可以与Hamilton粒子重构单元算法结合，也可与商业软件联合分析。节点分离方法可用于有限元仿真，通过分离节点实现单元间断裂界面的生成，能够避免单元删除。该技术可用于模拟复合材料的分层问题。粒子重构单元技术可用于无网格方法中识别材料破坏界面和孤立碎片，可应用于高速冲击破片分析问题。.Hamilton粒子重构单元方法结合了Hamilton力学方法的优势以及单元粒子融合算法的优势，为工程中的高速冲击问题提供一种精度更高、适用性更强的预测手段。