[发明专利]一种基于LS-DYNA的二维ALE聚能射流映射三维SPH聚能射流的方法

说明书

本发明公开了一种基于LS‑DYNA的二维ALE聚能射流映射三维SPH聚能射流的方法，首先基于LS‑DYNA的二维ALE算法的聚能射流仿真，得到任意时刻A的射流物质节点坐标和网格节点信息，并设置SPH粒子尺寸和材料密度，然后由射流物质节点坐标提取射流轮廓，并结合SPH粒子尺寸确定每一个SPH粒子的坐标，去除在射流轮廓外的SPH粒子，随后基于网格节点信息，赋予每一个SPH粒子的速度、应力和应变，以矩阵形式表达，最后添加关键字，输出后缀名为.k的文本文件。本发明所提出的基于LS‑DYNA的二维ALE聚能射流映射三维SPH聚能射流的方法能够实现将二维ALE算法得到的聚能射流在保留形态、速度、应力和应变这些物理量的条件下，映射为三维SPH算法的聚能射流以进一步计算。

技术领域

本发明属于有限元数值模拟技术领域，具体涉及一种基于LS-DYNA的二维ALE聚能射流映射三维SPH聚能射流的方法。

背景技术

聚能射流穿深大，能够侵彻并穿透现有的大多数规格的装甲钢板，同时产生靶后破片，已有的试验结果表明，聚能射流靶后破片的杀伤威力不容小觑，是毁伤评估、目标易损性领域的重要研究对象，也是武器研发领域中作战性能的重要设计指标之一。由于聚能射流及其靶后破片试验较为危险，成本较高，因此数值仿真技术的应用可以极大减少人力物力，那么仿真与试验结果的匹配便是对数值仿真技术的核心价值体现。

由于射流速度梯度大，在高速碰撞过程中材料在瞬间产生大变形，甚至靶板被击穿破裂，弹体和靶体材料的粒子飞溅形成碎片云，传统的Lagrange算法和Euler算法在该情况下具有明显的局限性，具体表现为接触界面的处理非常困难、网格大变形会带来计算精度损失甚至计算中断、难以描述靶后碎片云。

ALE算法（Arbitrary Lagrangian Eulerian,任意拉格朗日-欧拉）是一种结合Lagrange和Euler两种算法各自优点的方法，计算网格具有特殊的移动方式，既不固定，也不依附于流体质点，而是可以相对于坐标系作任意运动，同时，计算网格不一定描述物体的几何形状，而只是用来表征物体可能运动的空间。由于这种描述既包含Lagrange观点，也保留了Euler观点，克服了纯Lagrange方法常见的网格畸变的不足之处，适用于计算流体或固体的大变形问题，但是对于固体物质破碎、断裂、飞散这类问题则显得束手无策。

SPH算法（Smoothed Particle Hydrodynamics,光滑粒子流体动力学）是一种典型的无网格数值仿真方法，它通过带质量、动量、能量等的离散节点来构成计算域，不同材料的节点自然地构成界面，材料间的相互作用可以由节点间的相互作用来自然地模拟；同时由于这种方法不需要网格，特别适宜于模拟大变形问题，尤其当其中含有固体物质破碎、断裂、飞散的现象时。

而LS-DYNA求解器本身的ALE-SPH耦合算法的计算结果与试验结果匹配程度不足，根据现有仿真结果发现，三维SPH算法的聚能射流侵彻装甲钢板产生靶后破片与试验结果匹配程度较好，而且比较理想地克服了侵彻过程中的质量不守恒问题。但是，SPH算法本身存在计算成本高，拉伸不稳定，粒子较少时出现“过刚”现象等不足，尤其对于大炸高、超高速聚能射流，直接从起爆开始由SPH算法计算，容易出现各种各样的问题，因此在射流成型过程中采用二维ALE轴对称算法，而在射流头部临近靶板即将进行侵彻时，采用三维SPH算法，兼顾了ALE算法适用于描述物质流动的剧烈变形的优点和SPH算法适用于描述物质破碎飞散的优点，同时有效降低仿真计算成本，与试验结果匹配更好。

发明内容

本发明的目的是针对LS-DYNA求解器无法实现二维ALE算法映射为三维SPH算法的缺陷，提供一种基于LS-DYNA的二维ALE聚能射流映射三维SPH聚能射流的方法，可以由二维ALE算法计算得到的聚能射流，以保留轮廓形态、速度、应力和有效塑性应变这些物理参数，实现映射产生三维SPH算法的聚能射流，以进一步侵彻靶板，产生靶后破片。

实现本发明目的技术解决方案为：一种基于LS-DYNA的二维ALE聚能射流映射三维SPH聚能射流的方法，步骤如下：