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本文分析比较了分裂小球类接触算法和自动接触算法各自的特点,并将两种算法嵌入了自编三维有限元冲击动力学程序中。同时,在已有计算程序的基础上,针对高速撞击问题数值模拟的需要,添加了流体弹塑性本构模型、Johnson-cook本构模型和Gruneisson状态方程计算模块。数值模拟了弹塑性波在长杆中传播和泰勒杆撞击刚性墙等问题,考核了所用接触算法、本构模型和计算程序的准确性和可靠性。数值模拟了薄壁结构相互撞击的结构响应和长杆弹丸斜侵彻靶板等问题,重点比较了两种接触算法的优缺点和适用范围,为后续接触算法的研究和程序开发打下基础。使计算程序初步具有模拟结构接触碰撞、弹丸高速侵彻等冲击动力学问题中的波动效应和塑性大变形的能力,为高速冲击问题的研究提供了有效的数值手段。
本文主要内容如下:
(1)第一章介绍了研究背景、相关研究进展和本文主要内容。
(2)第二章简要介绍了数值计算的控制方程和计算流程,沙漏控制、稳定性条件和边界处理等,还介绍了流体弹塑性本构、Johnson-cook本构关系、Gruneisson状态方程、断裂准则和单元失效处理方法。
(3)第三章简要介绍了ASN(Assembly Surface Normal)和Cell搜索方法,详细介绍了小球接触算法、分裂小球接触算法和自动接触算法,包括接触搜索的优化、接触状态的判断和接触力的施加。
(4)第四章给出了验证算例和两个典型的高速撞击问题。包括(1)弹塑性杆对撞和泰勒杆撞击等验证算例,目的是考核本文接触算法和计算模块。(2)薄壁圆管冲击大变形问题。(3)高速侵彻问题。最后,比较了两种接触算法的优缺点并讨论了其适用范围。
(5)第五章给出了本文结论和下一步研究建议。