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伴随挤压破碎的发射药床散粒体系统动力学仿真研究

作　者: 洪俊
导　师: 芮筱亭
学　校: 南京理工大学
专　业: 工程力学
关键词: 散粒体动力学发射药床接触识别离散单元法破碎模型接触模型物理仿真数值仿真
分类号: O347.7
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

散粒体系统的动力学特性研究是许多领域关心的课题。本文以发射装药发射安全性大课题为背景，比较系统的研究了散粒体系统的运动、堆积以及部分粒子挤压破碎的动力学现象。包括：采用离散单元法数值仿真了散粒体系统动力学行为，并用空间接触识别算法，提高了散粒体系统的接触识别效率；采用几何构建技术获得球形粒子组成的散粒体系统密实堆积结构；将单个粒子的破碎模型应用到散粒体系统中，建立了伴随破碎的散粒体系统动力学仿真方法，并进行了梯形载荷下伴随部分粒子破碎的散粒体系统动力学仿真。采用OpenGL图形库编制了所有数值仿真的后处理程序。针对六棱柱发射药粒组成的发射药床，进行了物理和数值仿真，两者仿真结果基本一致。研究结果对发射装药发射安全性课题提供了理论和实验基础。数值仿真包括：建立了发射药粒的破碎模型，对发射药粒冲击破碎动力学行为进行了仿真研究；采用动力学技术获得发射药床的密实堆积结构；将建立的发射药粒破碎模型和伴随破碎的散粒体动力学仿真方法应用到发射药床的挤压破碎数值仿真过程中，通过跟踪每一个药粒典型时刻运动破碎情况，用统计的方法定量获得发射药床破碎程度。物理仿真包括：通过发射药床膛内燃烧与力学环境物理仿真实验获得和真实情况类似的作用于发射药床上的挤压应力；通过发射药床挤压破碎物理仿真实验获得相应挤压应力下的破碎发射药；用破碎发射药进行密闭爆发器实验，测量其p～t曲线后，利用发射药动态活度的定义，通过引入初始动态活度比的概念，建立了准确描述发射药初始燃烧表面积的方法，从而建立了发射药破碎程度的表征方法。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-11
1 绪论  11-22
  1.1 课题的研究背景  11-12
    1.1.1 发射安全性是制约现代兵器发展的重要难题  11-12
    1.1.2 药粒破碎是导致膛炸事故的直接原因  12
  1.2 国内外研究现状  12-16
  1.3 散粒体力学研究现状  16-18
  1.4 脆性材料破坏过程研究现状  18-19
  1.5 本文的研究内容  19-21
  1.6 本文主要创新点  21-22
2 散粒体系统接触识别  22-39
  2.1 引言  22
  2.2 散粒体系统接触识别的邻居目录算法  22-30
    2.2.1 Verlet邻居目录算法(VL)  23
    2.2.2 连接单元法(LC)  23-25
    2.2.3 Schinner算法  25-27
    2.2.4 算法的比较  27-30
  2.3 两个球体粒子接触判断  30
  2.4 两个凸多面体粒子接触判断  30-38
    2.4.1 两个凸多面体粒子接触判断的直接检查法  31-32
    2.4.2 两个凸多面体粒子接触判断的公共面法  32-38
  2.5 小结  38-39
3 散粒体系统动力学仿真研究  39-61
  3.1 引言  39-40
  3.2 三维球体元离散单元法基本原理  40-56
    3.2.1 接触判据与相对位移  40-42
    3.2.2 接触力  42-47
    3.2.3 运动方程  47-48
    3.2.4 求解过程  48-50
    3.2.5 积分方法及计算时步的选取  50-51
    3.2.6 三维球体粒子组成的散粒体系统动力学仿真算例  51-56
  3.3 三维块体元离散单元法基本原理  56-60
    3.3.1 接触力  56-57
    3.3.2 运动方程  57-58
    3.3.3 三维凸多面体粒子组成的散粒体系统动力学仿真算例  58-60
  3.4 小结  60-61
4 基于离散单元法的发射药粒破碎动力学仿真研究  61-70
  4.1 引言  61-62
  4.2 发射药粒的破碎模型  62
  4.3 发射药粒破碎时的弹簧断裂准则  62-64
  4.4 发射药粒破碎动力学数值仿真  64-69
  4.5 小结  69-70
5 伴随破碎的散粒体系统动力学仿真研究  70-84
  5.1 引言  70
  5.2 散粒体系统的密实堆积问题  70-72
    5.2.1 球体粒子组成的散粒体系统的密实堆积问题  70-72
    5.2.2 任意凸多面体粒子组成的散粒体系统的密实堆积问题  72
  5.3 粒子的破碎模型  72-73
  5.4 伴随破碎的散粒体系统动力学理论及仿真  73-78
    5.4.1 散粒体系统离散模型  73-74
    5.4.2 伴随破碎的散粒体系统动力学仿真结果  74-78
  5.5 基于OpenGL的数值仿真后处理程序  78-83
    5.5.1 OpenGL的基本原理及内部处理流程  79-80
    5.5.2 OpenGL后处理程序流程  80
    5.5.3 工作场景以及绘图函数主要代码  80-83
  5.6 小结  83-84
6 发射药床挤压破碎系列物理仿真实验研究  84-99
  6.1 引言  84-85
  6.2 发射药床膛内燃烧与力学环境物理仿真实验  85-87
  6.3 发射药床挤压破碎物理仿真实验  87-90
    6.3.1 实验装置的工作原理及测试系统  88
    6.3.2 发射药床挤压破碎的作用力控制  88-89
    6.3.3 发射药床挤压破碎实验结果  89-90
  6.4 发射药床破碎程度表征方法及实验  90-98
    6.4.1 发射药动态活度定义  91-92
    6.4.2 初始动态活度比的概念  92-93
    6.4.3 破碎发射药初始动态活度比的数据处理  93-94
    6.4.4 密闭爆发器实验  94-98
  6.5 小结  98-99
7 发射药床挤压破碎数值仿真研究  99-108
  7.1 引言  99
  7.2 发射药床的初始非密实结构  99-100
  7.3 发射药床的密实堆积结构  100-102
  7.4 发射药床的挤压破碎数值仿真  102-107
  7.5 小结  107-108
8 结论及展望  108-111
  8.1 本文工作总结  108-109
  8.2 下一步工作展望  109-111
参考文献  111-123
攻读博士学位期间发表的学术论文  123

伴随挤压破碎的发射药床散粒体系统动力学仿真研究

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