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顯式動力學(xué)軟件(MPMLab) 

顯式動力學(xué)軟件MPMLab是一款采用物質(zhì)點粒子方法，用于對結(jié)構(gòu)沖擊、爆炸、裂紋擴展、流固耦合仿真分析。

圖 1  顯式動力學(xué)軟件

一、功能特點

 1. 超高速碰撞仿真，如空間碎片防護

 2. 沖擊侵徹仿真，如子彈穿甲

 3. 爆炸仿真，如爆轟驅(qū)動飛片問題

 4. 流固耦合仿真，如潰壩問題；

 5. 材料毀傷仿真，如金屬延性斷裂

二、特色優(yōu)勢

 1. 精度驗證 克服了傳統(tǒng)有限元方法模擬大變形時存在的網(wǎng)格畸變問題，允許結(jié)構(gòu)大變形仿真；

 2. 允許不同的物質(zhì)點具有不同的本構(gòu)關(guān)系，結(jié)合自適應(yīng)背景網(wǎng)格，具備多物質(zhì)材料、多尺度問題仿真能力；

 3. 豐富的材料模型：包括多種本構(gòu)模型、狀態(tài)方程以及失效模型，滿足了材料大變形、非線性仿真的各種場景需求。

三、精度驗證

   飛板高速沖擊試驗物質(zhì)點法驗證

     a. 計算模型

   飛板以一定速度V撞擊樣品，飛片厚2mm，高56mm；樣品厚2mm，高48mm，樣品右表面自由。取樣品右表面中心點為自由面探測點，如下圖所示。采用MPM模擬飛板撞擊樣品的過程，繪制樣品自由面探測點在撞擊載荷下的速度-時間曲線，并與實驗結(jié)果進行對比。

圖 2 飛板試驗?zāi)Ｐ褪疽鈭D

b. 計算結(jié)果

將MPM模擬得到的樣品自由面速度-時間曲線與實驗測得的曲線繪制于同一坐標(biāo)系下，對比結(jié)果如下：

圖3 樣品自由面速度實驗曲線與MPM方法模擬比較（440m/s和604m/s）

四、典型案例

   子彈高速傾徹仿真——選取接觸物質(zhì)點算法，Johnson-Cook模型，Mie-Gruneisen狀態(tài)方程進行侵徹分析。接觸物質(zhì)點算法考慮了彈靶界面之間的接觸關(guān)系和分離條件，更真實地模擬了彈靶之間的相互作用。

圖4 實驗結(jié)果，剩余彈度217m/s

圖5 接觸物質(zhì)點法模擬，剩余彈度207.8m/s

  滑塊-軌道三維鑿削仿真——在高速槍膛和火箭發(fā)射軌道表面由于高速滑移接觸產(chǎn)生破壞，這種現(xiàn)象一般叫做“鑿削”。由于鑿削是極端工況下軌道的瞬態(tài)損傷過程，很難用常規(guī)檢測技術(shù)進行在線檢測，因此采用物質(zhì)點法(MPM)軟件環(huán)境，模擬鑿削現(xiàn)象的超高速、大變形、彈塑性、高溫高壓、粒子絕熱以及非線性接觸等現(xiàn)象。

圖6 滑塊軌道幾何模型和應(yīng)力分布云圖

圖7 不同時刻鑿削效應(yīng)

  金屬延性斷裂仿真——金屬延性斷裂行為是工程中普遍關(guān)注的問題，但是準(zhǔn)確預(yù)測裂紋的擴展路徑以及斷裂載荷仍然是一難題。物質(zhì)點法具有不需要固定網(wǎng)格連接的特性，相比有限單元法對模擬不連續(xù)問題具有較明顯的優(yōu)勢。選取合適的脫聚模型預(yù)測多孔金屬試件的裂紋擴展。

圖8 金屬延性斷裂模擬對比

  炸藥爆炸仿真——炸藥的爆轟性能主要研究在炸藥爆轟后的壓力、速度、溫度、爆速性能等，由于歷時非常短，一般幾十毫秒左右，實驗測試難以捕捉整個爆轟過程。采用網(wǎng)格有限元方法仿真存在網(wǎng)格發(fā)生畸變和扭曲問題，會造成計算精度和速度嚴(yán)重下降，甚至導(dǎo)致計算過程終止。

圖9 炸藥爆炸仿真

五、行業(yè)客戶

  高校：西安交通大學(xué)

  兵器：重慶嘉陵特種裝備有限公司