153 / 2019-07-11 15:11:54

空间碎片防护问题的OTM无网格法与软件

超高速撞击,OTM方法,裂纹扩展,无网格方法

空间碎片超高速撞击的防护是航天器结构设计须重点考虑的问题。超高速撞击涉及材料局部超大变形、裂纹扩展、层裂与碎裂、多体动态接触、固液气相变与多相耦合等复杂的材料动态响应过程，对传统基于网格的数值方法提出了巨大挑战。作为新兴的无网格方法¬——最优输运无网格方法（Optimal Transportation Meshfree method，OTM）继承了拉格朗日法简洁的控制方程，高效的求解过程以及自动跟踪材料界面与状态变化的优势，同时通过有机结合最优输运时间积分理论、物质点节点空间离散方案以及局部最大熵无网格插值函数，克服了目前无网格法主要面临的插值函数不满足Kronecker-delta属性、数值积分困难、拉应力不稳定及缺乏可靠理论基础等困难。此外，在OTM方法中采用了基于断裂力学变分原理的物质点失效算法（EigenErosion），通过平均化局部弹性能来计算物质点等效能量释放率，判断是否在局部产生裂纹，无需显式描述裂纹表面，避免了网格或者离散相关性等困难，数学上已严格证明其收敛性。为精细求解超高速撞击问题提供了高效鲁棒的方法。
本文采用基于OTM方法自主研发的极限力学仿真软件ESCAAS/Impact，结合包含应变强化、应变率相关以及高温软化效应的J2-Power Law粘弹塑性本构模型，分别对Al2024-T4铝合金弹丸超高速（6.626km/s、6.532km/s）撞击Al2024-T4铝合金薄板和Ti/Mg/Al波阻抗梯度薄板的过程进行了数值仿真，获得了弹丸超高速撞击薄板后所形成的碎片云形貌、薄板穿孔信息（形状、尺寸）、碎片云速度分布信息（平均、径向、轴向）、碎片云温度信息（分布、熔化比例）、碎片云尺寸信息（分布、数量）等结果数据，从而实现对两种薄板防护能力的分析对比，模拟结果与实验测量数据吻合良好，显示出OTM方法及ESCAAS/Impact软件可以作为超高速撞击的有力数值分析手段。