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基于EFG法的穿甲数值模拟研究

饶刚

  穿甲研究是冲击动力学研究和军事科学技术研究的重点领域。由于动能穿甲弹是未来反坦克武器的重要发展方向,需要人们去深入研究,而数值模拟方法以其经济性好,可多次重复观察的优点,是目前穿甲研究的重要手段之一。本文利用无网格Galerkin法进行了刚性弹体侵彻靶板的数值模拟研究,主要内容如下: 1.本文综述了穿甲方法的发展和研究现状以及无网格Galerkin法(Element Free Galerkin, EFG)在实际工程中的应用,在分析EFG法相对于有限元法的优劣势的基础上,针对有限元法数值模拟仿真过程中经常出现的负体积现象,提出了使用EFG算法来彻底解决此问题的方法。 2.根据移动最小二乘法的逼近原理和本文推导的弹塑性状态下应力应变增量关系,利用弹靶系统的三大守恒定律和初始状态等条件,推导出刚性弹体侵彻薄靶板的控制方程,给出了薄靶板弹塑性变形下侵彻控制方程的EFG法数值离散方程。通过对边界条件的处理和积分方案的选定,简单阐述了EFG法的计算步骤。 3.阐述了用于穿甲研究中常用的各向同性的Johnson-Cook材料模型、Gruneisen状态方程以及经过简化和假设之后的物理计算模型和几何尺寸模型,并基于EFG算法完成了刚性半球形弹丸垂直侵彻无限大薄板的数值仿真分析。通过比较空穴膨胀理论和同条件下有限元模拟的速度和加速度结果,说明了EFG算法不仅解决了负体积现象,而且在侵彻领域中相对于有限元算法具有精度高,准确性好和效率低的特点。 4.本文继续研究了基于形函数耦合的无网格伽辽金-有限元耦合(Element free Galerkin-Finite Element Method,EFG-FEM)算法,完成了耦合算法下的弹体垂直侵彻薄板的数值仿真分析。通过对比有限元算法结果,公开的试验图片和经验公式,证实了耦合算法不仅提高了计算效率,而且进一步验证了数值仿真结果的正确性。通过对比不同的EFG节点排布,EFG区域大小和薄靶板的厚度,研究了节点密度对耦合算法模拟侵结果的影响,得到了节点密度与计算效率之间的关系。 总之,本文将EFG法应用于穿甲研究中,彻底解决了穿甲数值模拟中负体积现象,采用EFG-FEM耦合算法,完成了侵彻仿真计算,提高了计算效率,为穿甲研究领域提供了新的思路。但是,该算法还不是很成熟,需要继续深入研究。……   
[关键词]:侵彻;无网格Galerkin法;EFG-FEM耦合法;负体积;数值模拟;节点排布;节点密度
[文献类型]:硕士论文
[文献出处]:湘潭大学2011年