极端高压条件下强度材料混合问题的数值模拟

本项目以武器物理中混合问题的两个关键因素-微喷射流、金属界面不稳定性的研究为牵引，针对高密度比大变形多介质流场，在物质界面的追踪和描述、高密度比混合质团中各组分的物理量计算、材料的断裂计算模型、大规模自适应网格并行计算等方面开展数值模拟方法研究。在界面处理方面，从“形心”的定义、任意多边形体积和“形心”的统一计算公式，到迭代方法出发，扩展了基于介质形心和体积的二维平面界面重构方法到二维轴对称几何，并实现了三维几何下的二阶精度界面重构，以及根据流场特征自适应选择的多种方式耦合的介质界面捕捉方法；在混合质团计算方面，在考虑压力驰豫的压力增量相等封闭性模型的基础上，将混合网格的各介质密度视为可变量，与压力一同求解，结合近似Riemann解进行修正，发展了适用于任意形式状态方程的混合质团封闭计算；在材料层断裂模拟方面，从弹塑性本构模型、自由面物理量处理、断裂模型、断裂判据、材料断裂后的处理等方面研究了用欧拉方法模拟材料断裂、破碎的方法；在数值方法的大规模并行计算方面，实现了考虑计算区域动态变化的网格自适应细分及高效并行计算技术。形成了具有独立自主知识产权的描述强度材料特别是金属材料的断裂、破碎欧拉方法及程序。利用新开发的程序，模拟了飞片撞击板靶形成材料层裂的实验现象及自由面速度演化数值模拟结果与实验结果的比较；分析了内爆加载条件下金属界面不稳定性的发展规律，进行了充气环境下微喷射流的发展形态及与真空环境的比较；模拟分析了内爆情况下的爆轰对碰区飞层凸起机理；数值模拟了弹靶超高速碰撞形成碎片云过程中，材料损伤破碎规律。部分研究内容以期刊论文或会议论文的形式进行了交流，共发表有资助标注的论文15篇（其中12篇为Sci/Ei收录）。到2017年底，本项目完成了所有研究内容，达到预期的研究目标，所研制的数值方法在武器物理的机理研究、构型设计、作用过程和结果分析等实际研究工作中发挥了重要作用。 2100433B

带有缺陷或杂质的金属界面受冲击而形成的微喷射流和金属界面不稳定性的发展是内爆作用过程中引起混合的两个关键因素，航天领域中研究空间碎片对航天器作用机理和防护设计也是各航天大国的重要的研究内容。在这些问题的研究中，强度（金属）材料在强冲击或强卸载过程中会发生各类断裂行为，需要从机理层面深化对这些断裂行为的认识，数值模拟是重要的研究手段，但目前的数值模拟方法还较为欠缺。本项目以强度材料界面在冲击或卸载过程中产生的断裂、破碎问题为研究对象，开展欧拉数值模拟方法研究，在物质界面的追踪和描述、混合质团的物理量计算、断裂演化过程的计算建模、大规模并行计算等方面开展工作，开发描述强度材料特别是金属材料的断裂、破碎数值模拟工具，应用于微喷射和金属界面不稳定性的发展等混合问题、以及航天器超高速撞击等问题的研究。

《复杂地形条件下重气扩散数值模拟》共分7章，主要内容包括：重气扩散的个旧地形风洞实验和nomcy场地测试数据引用；重气扩散相关机理，包括传输模型、泄漏源喷射模型和重气液滴云团参与的重气扩散模型的建立；流体动力学偏微分方程组算法优化和改进；以存在规则障碍物的Thorney场地测试26和以曲折山地城市地貌为背景的风洞实验的测试结果为复杂地形条件的两种典型情景，使用实验数据对改进的浅层模型和CFD模型进行验证；模型对动态、气态喷射源条件下不同泄漏口面积重气扩散污染模拟的比较和恒定喷射源条件下存在重气液滴相时的重气和液滴重气云团的扩散行为模拟。

《复杂地形条件下重气扩散数值模拟》对从事重气扩散研究及管理的人员具有一定的参考价值，同时可供高等院校相关专业的师生阅读。

先进高强度钢(AHSS)是目前最具潜力的汽车轻量化材料，然而其相对较低的延伸率导致的成型或碰撞过程中发生的早期断裂，妨碍了它的广泛应用。汽车和钢铁工业界迫切需要可靠的断裂预测和数值模拟方法，应用于AHSS部件成型和碰撞安全性设计中的断裂预测和控制。AHSS板料为各向异性材料，在成型和碰撞过程中的复杂载荷历程和高应变率显著影响了其断裂特性。本项目研究复杂载荷历程和高应变率条件下AHSS板料的各向异性断裂特性和数值模拟方法，建立其各向异性塑性本构模型、宏观断裂准则和相应的用户自定义材料模型子程序，开发高效的壳单元分割算法，应用于基于大规模壳单元的成型和碰撞仿真分析，最终实现AHSS部件成型和碰撞安全性设计中断裂失效的预测和数值模拟。本项目属固体力学、计算力学和材料科学交叉前沿课题，具有理论深度和难度，又可满足汽车和钢铁工业的迫切需要，推动AHSS在汽车轻量化领域的应用，因而具有重要研究价值。 2100433B