基于物质点法冲击载荷下OFHC铜孔隙塌缩过程的数值模拟

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孔隙塌缩问题是爆炸压实、炸药起爆、水利工程和材料损伤等领域共同研究的课题。研究冲击载荷下的孔隙塌缩问题对制备优质致密材料有着重要的意义。孔隙塌缩过程是一个具有高应变率、强耦合性和强非线性的瞬时过程,很难进行实验研究。物质点法作为一种新型数值模拟方法,综合了拉格朗日法和欧拉法的优势,有效避免了有限元法的网格畸变和一般无网格法边界条件难以施加、接触不易处理的不足,在研究大变形问题具有极大潜力。本文基于物质点法对冲击载荷下OFHC铜的孔隙塌缩过程进行数值模拟,研究冲击载荷、孔隙形状和孔隙数量对OFHC铜孔隙塌缩过程的影响规律,探讨高冲击载荷下提高材料压实成形性能的机理。利用加权余量法推导控制方程以及动量方程中拉格朗日格式的弱形式,并给出了物质点法进行显式求解的具体过程。引入刚柔接触算法,采用FORTRAN语言编写了模拟冲击载荷下孔隙塌缩的物质点法程序。通过单个圆柱形孔隙塌缩和半球形孔隙塌缩两个算例,采用自编物质点法程序模拟一定冲击速度下的OFHC铜孔隙塌缩过程,将模拟结果与已有文献中的孔隙塌缩结果进行对比,验证了自编程序的有效性和可靠性。基于物质点法开展冲击载荷下OFHC铜孔隙塌缩过程的数值模拟研究。研究了冲击载荷、孔隙形状(球形、正三棱柱形、圆柱形)、孔隙数量(单孔、双孔、三孔、多孔)对OFHC铜孔隙塌缩的影响规律。结果表明:在相同冲击载荷下,球形孔隙塌缩时产生的射流速度和侵彻深度最大,正三棱柱次之,圆柱形孔隙最小。在高冲击载荷下三种形状孔均产生射流,而且单个三棱柱孔隙塌缩会产生奇特的双射流;两个孔隙塌缩,上方孔隙塌缩规律与单孔相似,下方孔隙塌缩较慢。三个及多排孔隙塌缩会产生斜射流,同排孔隙靠近中轴线的孔隙先闭合。当冲击载荷较低时,孔隙的闭合仅为紧密贴合。冲击载荷越大,射流速度和侵彻深度越大。当冲击载荷较高时出现强烈的射流侵彻会使孔隙内温度超过OFHC铜的熔点,边界的结合会更加牢固。因此可采用高冲击载荷对含有OFHC铜球形孔隙的材料进行压实可提高材料的性能。本文研究为冲击载荷下孔隙塌缩过程的数值模拟提供了新方法,同时也对材料冲击压实的实际生产起到一定的指导作用。
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