随着计算机硬件和计算机语言的高速发展,大规模数值计算逐渐普及到普通高校的实验室,数值手段在科学研究中起到越来越重要的作用。尤其在冲击动力学领域,数值模拟不但成本低、效率高,还可以给出某些实验无法捕捉到的信息。尽管每年都有大量的文献提出新的算法,现有的商业软件仍旧使用着上世纪七、八十年代的算法,数值效果无法满足科研工作的需求。做算法的文献往往专注于算法本身的精度和稳定性,用一些十分简单的算例对算法进行验证。从一个新算法的提出,到解决实际的工程问题,这中间还有很多工作要做,有时甚至需要将多种不同功能的新算法结合到一起。　　 本文使用近年来兴起的CE/SE格式求解控制方程,水平集方法追踪物质界面,虚拟流体网格方法给定物理边界条件,构建了一个用于模拟高速撞击以及爆炸加载问题的欧拉型数值平台,通过数值手段重现整个动态力学过程,并在此基础上分析研究问题本身的力学机制,构建力学模型。本文的主要工作内容如下:　　 1.提出了一种用水平集函数描述裂纹的方法。在计算过程中记录每一个网格单元的断裂参数(孔洞率或应变等),若此参数达到临界值,即认为此单元失效,将其从计算区域中删除。具体的操作通过两个水平集函数之间的逻辑运算实现。当所有的失效单元被删除后,就会形成一条宏观的裂纹。这种方法即可以描述裂纹的起裂,又可以描述裂纹的扩展。　　 2.提出了适用于水平集函数所描述的断裂面的边界处理方法,用于给定物理边界条件。实践中发现,失效单元区域的水平集函数不再具有到界面距离的性质,无法求出断裂面外边界点的法向量,导致虚拟流体网格法不再适用。本文的做法是将断裂面外边界点周围8个点中在界面内的点向外做镜像插值,然后再以距离作为权函数向外边界点插值。这种方法的稳定性很好。　　 3.提出了更加细致的物质接触界面边界处理方法。原始的虚拟流体网格方法是为计算流体力学的问题设计的,主要的处理对象为气体或液体,且少有不同相态的物质之间的相互作用。由于本文的处理对象主要是固体,固体与固体之间一般是不传递拉力的,因此物质接触界面上的法向速度和应力就不再是简单的连续了。此外,在爆炸加载问题中还会遇到气体与固体的相互作用,固体和气体之间也是无法传递拉力的。因此本文分四种情况对物质接触界面的物理边界条件进行讨论,法向的速度和应力分量有选择性地连续。　　 4.提出了考虑包氏效应的孔洞增长模型。在层裂过程中,材料先被压缩至屈服,然后再被拉伸进入塑性,最终发生断裂,因此应该存在包氏效应。本文在描述微孔洞周围基体材料的屈服准则中加入Prager的线性随动强化模型来体现包氏效应,推导得出最终的孔洞率演化方程。　　 5.提出了适用于欧拉型数值程序的冲击温升近似计算方法。考虑到固体材料的冲击绝热线和卸载等熵线十分接近,假设加载和卸载过程都是等熵的,由热力学方程得到增量形式的温度计算公式,并写为欧拉守恒形式。这种方法的好处在于不需要在计算过程中判断加载还是卸载,且不需要跟踪物质点的始末,适用于欧拉型程序。　　 6.给出了适用于CE/SE格式的求解外边界点空间导数的方法。由于CE/SE格式需要用到物理量的空间导数,而原有的虚拟流体网格方法没有考虑外边界点的空间导数。本文利用导数的链式法则,根据具体的物理边界条件,给出了求解外边界点空间导数的方法。　　 7.利用本文构建的数值平台对平板撞击问题进行数值模拟,再现了层裂的演化过程,通过与实验结果的比较证实了数值方案的可行性和可靠性。使用本文提出的考虑包氏效应的孔洞增长模型对超高速球撞板问题进行了数值模拟,通过与实验结果的比较,证明了包氏效应对层裂过程有明显的作用。　　 8.对一维炸药棒的爆轰过程进行了数值模拟,并与相应的实验数据、理论解及别人的计算结果进行比较,证明了本数值平台具有较高的计算精度。对成型装药金属射流问题进行了模拟,再现了金属射流的形成过程,给出了射流的温度分布和速度历史,与实验数据吻合得较好。