基于物质点法棱形弹丸撞击靶材表面形貌的数值模拟研究

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1、学校代码10530学号201510161673分类号TB122密级公开硕士学位论文基于物质点法棱形弹丸撞击靶材表面形貌的数值模拟研究学位申请人陆文举指导教师谢桂兰教授学院名称机械工程学院学科专业材料科学与工程研究方向材料成形技术及数值模拟二〇一八年六月NumericalSimulationforSurfaceMorphologyofPrismaticProjectileImpactingTargetBasedonMaterialPointMethodCandidateLuWenjuSupervisorProf.XieGuilanCollegeScho

2、olofMechanicalEngineeringProgramMaterialsScienceandEngineeringSpecializationMaterialFormingandNumericalSimulationDegreeMasterofEngineeringScienceUniversityXiangtanUniversityDateJun.2018摘要摘要研究弹丸撞击侵蚀靶材对工业发展具有深远的影响，可靠预测撞击效果和复杂表面形貌是此类问题研究的重中之重。弹丸撞击侵蚀靶材是十分复杂和难以控制参数的过程，且伴随着靶体材料的堆积、破碎

3、和分离等大变形现象，给仿真研究带来了极大的挑战。物质点法采用质点和背景网格的双重描述，对背景网格施加边界约束，每步计算结束丢弃变形的网格并采用新的背景网格，有效避免了有限元网格法中网格畸变及无网格法中边界施加困难等问题，适合处理弹丸撞击侵蚀靶材这类大变形问题。本文基于物质点法开展棱形弹丸撞击靶材表面形貌的数值模拟研究，探究弹丸以不同初始入射条件撞击靶材时弹丸翻转现象及靶材表面形貌的变化规律。基于物质点法编写了弹丸撞击靶材的程序并进行了验证。首先利用加权余量法推导出物质点法控制方程，建立弹丸撞击靶材的求解格式，给出物质点法的显式求解过程；其次引入刚体模

4、型和刚柔接触算法，采用Fortran语言编写了弹丸撞击靶材的物质点法程序；最后使用自编程序对棱形弹丸垂直撞击金属靶材的过程进行了数值模拟，分析弹丸翻转现象、弹坑轮廓的切屑堆积高度和弹坑深度，并将MPM仿真结果与文献中SPH-FEM仿真结果和实验结果进行了对比，结果吻合较好，验证了程序的正确性。基于物质点法开展了棱形弹丸撞击靶材表面形貌的数值模拟研究。探究弹丸不同入射前倾角、撞击角度和撞击速度对弹丸翻转效应和靶材表面形貌的影响，对比分析弹坑轮廓的切屑堆积高度和弹坑深度的变化规律。结果表明：弹丸入射前倾角不同的情况下，入射前倾角较小时，弹丸在顺时针扭矩的

5、作用下向后翻转，其前刀面对靶体材料产生铲削作用，迫使切屑材料和靶材分离，靶材表面弹坑轮廓比较光滑平缓，粗糙度较小，且入射前倾角越小，分离的切屑越少；入射前倾角较大时，弹丸在逆时针扭矩的作用下向前翻转，其前刀面对靶体材料产生碾压作用，迫使切屑材料堆积在弹丸前刀面处，靶材表面弹坑轮廓比较尖锐，粗糙度较大，且入射前倾角越大，切屑堆积效果越明显。弹丸撞击速度越大，弹丸垂直撞击不翻转时切屑堆积效果越明显，弹丸向后翻转时铲起的切屑及弹丸向前翻转时碾压的切屑越多。通过仿真手段进行了正交试验。极差分析得到对弹坑深度影响最大的参数组合为入射前倾角为33、撞击角度为6

6、0、撞击速度为150m/s，方差分析得到三个因素显著性水平关系为：入射前倾角＞撞击速度＞撞击角度。本文研究为数值模拟棱形弹丸侵蚀靶材表面提供了一种新的研究手段，同时为工业应用领域的基础性研究提供一定的指导意义。关键词：数值模拟；表面形貌；棱形弹丸；撞击侵蚀；物质点法I湘潭大学硕士学位论文AbstractStudyofprojectileimpactingorerodingtargetsurfacehasfar-reachinginfluenceonthedevelopmentofindustry.Reliablyforecastingtheeffe

7、ctofprojectileimpactingandtheformingofcomplexsurfacemorphologyarealwaysthemostimportantissues.Theprojectileimpactingtargetwithlargedeformationofaccumulation,crushingandseparationisaverycomplexprocessinwhichitisdifficulttocontroltheparameters,whichbringsgreatchallengetothenumeri

8、calsimulation.Thematerialpointmethodusesparticleandbac