冲击作用下多孔材料热力学特征的模拟与分析.pdfVIP

冲击作用下多孔材料热力学特征的 模拟与分析 许爱国，张广财，蔚喜军，潘小飞，朱建士 (北京应用物理与计算数学研究所计算物理实验室，北京100088) [摘要】 强冲击波的作用可在多孔材料中诱发复杂的时空耗散过程，在这期间系统整体处于远离平衡的状 态，对这一过程的稳定模拟和结果分析均具有较强的挑战性。使用近期针对超高速碰撞而发展起来的物质 点方法对这一过程进行模拟，引入积分几何和数值图像处理中的形态学描述来处理和分析系统热力学特征 统中“高温区”所占份额、“热点”在空间的分布方式之间的对应，揭示出Minkowski泛函演化特征与冲击波及 多孔材料相互作用过程之间的对应。研究了孔隙度和冲击波强度对物质状态参量的影响。 [关键词]冲击波；多孔材料；物质点法；形态学量度 l 前言 函(白色区域相对面积、边界总长度、欧拉特征量) 多孔材料广泛存在于自然界，并在日常生活和 与系统中“高温区”所占份额、“热点”在空间的分布 工业生产中起着非常重要的作用¨川。例如，人们 从很早以前就使用泡沫材料来保护精密设备和仪器 与冲击波与多孔材料相互作用过程之间的对应。 免受猛烈碰撞。材料的多孔特性能够极大地改变其 在冲击波作用下多孔材料的响应过程涉及到大 动力学与热力学特征。当物体受到弱冲击作用时， 变形和很强的非线性，其理论描述非常复杂，所以除 其中空隙的存在可能使两碰撞物体出现二次碰撞； 实验外，这方面的研究(特别是一些快速过程的再 当冲击作用较强时，材料内部空隙处可能会出现射 现和细节研究)在很大程度上依赖于数值模拟。从 流[2’41；在张力波作用下材料内空隙的集结控制着模拟方面来说，分子动力学可以揭示出空隙塌缩的 材料的破碎方式口1；在多孔炸药中，空隙特征对起 一些微观机制一’10J，但其所涉及的时间和空间尺度 爆所需的冲击阈值具有决定性影响MJ。以前的相 尚局限在纳秒和几十纳米量级，远不能满足实验要 关研究主要集中在冲击Hugoniots帕1和状态方程¨1。求。对于这类涉及到材料大变形的问题，纯拉氏和 然而，在冲击加载和卸载过程中，多孑L材料中会出现 纯欧氏算法均遇到了一些不易克服的困难：拉氏方 复杂的时空耗散结构，系统整体处于极度的非平衡 法能够很好地跟踪物质的界面，但在处理大变形时 状态。对这种非平衡过程动力学和热力学的研究还 会遇到网格畸变的问题；在欧氏方法中，网格不随物 非常薄弱。在文章中，引入积分几何和数值图像处 体的变形而变化，但是它不易跟踪物质的界面。为 充分发挥欧氏和拉氏算法的优点、避免其缺点，笔者 理中的Minkowski泛函怫1来处理系统热力学特征量 [收稿日期】 2008—·11·-05 [基金项目] 200980101012) [作者简介】 朱建士(1936一)，男，湖南长沙市人，中国工程院院士，研究方向为流体力学和爆炸力学 万方数据 等将使用最近发展起来的一种混合方法——物质点 以速度一秽沛。与固壁开始碰撞。在水平方向使用周 法来模拟多孔材料的冲击动力学与热力学。 期边界条件，这样，一个模拟单元的结果恰好对应于 由许多完全一样的模拟单元沿水平方向并列摆布而 2多孔材料的物理模型 构成的较大系统的情形。在文章中，集中考虑二维 在模拟系统中，多孔材料的初态是由一块完整 问题。初始温度取为300K。 的固体内嵌一定数量的空隙来构成。固体材料特性 3形态学量度与热力学特征的对应 用带线性硬化的vonMises塑性