冲击引起的岩石压裂、预置裂纹扩展和弹靶侵彻的初步数值模拟

摘要

本文主要研究(1)冲击载荷作用下的流固耦合问题。(2)固体接触冲击问题。固体解算器采用三维等参有限单元求解Lagrange坐标系下的虚功方程，流场解算器采用MUSCUL格式求解ALE方程，接触冲击采用Pinball方法求解接触面上主从单元的接触力。基于现有计算程序平台，添加了粘弹性材料与可压缩型岩土和泡沫材料两种本构关系。计算了复合射孔弹起爆后火药燃气流场及其对岩石的压裂作用。将流场冲击载荷施加到岩石表面，模拟了岩石动力学响应，得到了岩石动态破碎区域分布及其与加载参数的关系。针对预置不同角度裂纹的板结构，分析了受到冲击载荷后的裂纹扩展规律，给出了裂纹周围应力场分布。采用Pinball方法实现了接触冲击算法，给出了依据侵彻距离和侵彻速度的两种接触力求法，并进行了算例考核。最后对不同材质子弹侵彻靶板的接触冲击进行了数值模拟。主要内容简述如下：
　　 1．第一章介绍了本文研究背景，相关研究进展和本文主要内容。
　　 2．第二章介绍了本文固体和流体解算器、接触冲击算法思路等，重点介绍了固体有限元和接触冲击算法的控制方程、定解条件和数值格式等。
　　 3．第三章介绍了所添加的材料本构关系。给出了岩石受高温高压燃气压裂过程和动态破碎区分布、预置不同角度裂纹板受冲击载荷后的裂纹扩展规律及裂纹应力场演化。
　　 4．第四章介绍了Pinball方法、接触判断条件和接触力求法，给出了验证算例，并对不同材质多物体和靶板接触冲击问题进行了数值模拟。
　　 5．第五章给出了本文结论和下一步研究建议。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外相关研究进展

1.2.1 高温高压燃气对岩石的压裂作用

1.2.2 含裂纹固体结构受冲击载荷作用

1.2.3 接触冲击算法

1.3 本文主要内容

第二章 控制方程和数值方法

2.1 流、固耦合问题描述方法

2.2 固体解算器

2.2.1 虚功方程离散

2.2.2 时间步长

2.2.3 数值积分

2.2.4 定解条件

2.3 流场解算器

2.4 接触冲击算法

2.4.1 接触面方程

2.4.2 接触冲击的虚功方程和离散形式

2.4.3 Lagrange乘子法

2.4.4 一维接触碰撞简化

2.5 本章小结

第三章 岩石射孔压裂与预置裂纹板受拉裂纹扩展

3.1 两种材料的本构关系

3.2 岩石射孔压裂问题

3.2.1 问题描述

3.2.2 火药燃气流场计算

3.2.3 岩石本构关系与动态破碎的近似表征

3.2.4 岩石射孔压裂过程

3.2.5 岩石射孔压裂的主要影响因素分析

3.3 预置裂纹板受拉裂纹扩展

3.3.1 问题描述与计算模型

3.3.2 预置不同角度穿透裂纹弹塑性板的拉伸断裂过程

3.3.3 不同幅值载荷对裂纹产生和扩展的影响

3.4 本章小结

第四章 接触冲击算法及其应用

4.1 罚算法和Pinball方法及其计算流程

4.2 接触冲击的验证算例

4.2.1 一维弹性杆接触碰撞

4.2.2 三维低速碰撞

4.2.3 三维高速碰撞

4.3 不同材质子弹同时侵彻靶板

4.4 本章小结

第五章 结论和建议

5.1 本文主要工作和结论

5.2 下一步研究建议

参考文献

致谢

作者在攻读硕士学位期间发表的论文