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爆炸冲击现象数值模拟 (“十一五”国家重点图书)

爆炸冲击现象数值模拟
爆炸冲击现象数值模拟 (“十一五”国家重点图书)
作者:杨秀敏 (编著) 朱兆祥 郑哲敏 (审校)

图书详细信息:
ISBN:978-7-312-02713-0
定价:78.00元
版本:1
装帧:软精装
出版年月:201010
丛书名称:当代科学技术基础理论与前沿问题研究丛书:中国科学技术大学校友文库

图书简介:

        本书作者是杨秀敏院士,他将系统工程的分析方法应用到军事工程的论证实践中,在我国最先完成了爆炸成坑和地冲击波传播数值模拟,本书阐述了关于爆炸、冲击与毁伤效应的计算模型、数值方法和模拟仿真技术,是一本十分难得的有关爆炸力学数值模拟方法和技术的图书,书后附有20余张彩图,为研究此方面的研究人员作为参考书。

前言:

  1960~1965年,我在中国科学技术大学近代力学系爆炸力学专业学习。爆炸力学主要研究高强瞬时动载作用下的棱变形状态,它显然是起源于战场环境,又服务于战略需求的。我毕业后穿上军装,先后在总参工程兵所属的研究所和设计所工作,致力于武器爆炸效应及其工程防护对策研究。在同班同学中算是所学专业与需求最对口者之一。毕生从事爆炸力学相关工作,有幸见证了这一新兴学科的发展进程。现将从事爆炸冲击效应数值计算的工作经验整理成书,作为向母校五十华诞的献礼,并被纳入“中国科学技术大学校友文库”,我感到十分荣幸。
  20世纪六七十年代,正是世界两大阵营对峙的冷战时期,面对美苏双方核讹诈的严重威胁,我国不得不花费巨大的人力、物力开展防御核袭击的准备工作。为此,必须首先搞清核武器在不同袭击条件下的毁伤因素及其破坏规律,进而找出有效的工程防护对策。我毕业后即加入到这一工程防护的研究队伍行列之中,并于1972年被派到中科院力学所协作两年多,在郑哲敏先生的指导下求解在封闭爆炸条件下的岩体应力波传播规律问题。
  按照传统理论,岩体介质受核爆压力作用只产生剪切畸变的弹塑性变形,由此计算得出的爆炸空腔体积明显小于实测数据。郑先生认为,在高温高压条件下,岩体中存在压实(密度增大)效应。据此,他首次提出用流体弹塑性模型来描述岩体本构关系,从而合理解释了封闭爆炸空腔的形成机理。我回到本单位后,又将流体弹塑性模型应用于触地核爆炸的理论研究之中,编制出二维轴对称流体弹塑性波动问题的有限差分程序,形象地描绘出爆炸弹坑及岩体破坏分区的形成过程,并得出了二维弹塑性应力波随距离而衰减的传播规律。
  前苏联解体后,世界形势发生了巨大变化,核战争的威胁逐渐降低,却爆发了多次利用精确制导常规武器实施远距离打击的高技术局部战争。因此,20世纪90年代后的防护工程研究重心逐步转移到常规弹头击中目标后的各种破坏效应方面。我从1997年开始为本单位培养这一专业领域的博士生,至今已毕业十名,他们分别完成了有关弹丸侵彻、弹丸冲击、弹片飞散、爆炸震塌、隔土爆炸、钻地爆炸、室内爆炸以及重复打击等弹着点近区的破坏机理研究,进行了相关破坏现象的数值模拟和现场试验,基本摸清了精确制导常规武器的各种主要破坏效应规律,并找出了降低工程毁伤等级的有效防护措施,改写了相应的工程设计规范,为增强我军战场生存能力提供了有力支持。
  当研究重点集中到弹着点近区的破坏机理时,介质的大畸变特征就显得十分突出,相邻质点之间可能会发生碰撞、错动甚至飞散,成为典型的几何非线性问题,还会出现多种物质相互交换、混合等界面非线性问题。在此种条件下,传统的弹塑性解析方法已经无能为力,规则网格前提下的有限差分求解手段也无法保证其计算精度,因而必须寻找能适应复杂几何形状和非线性界面的新型数值求解方法。我的博士生们利用改进的动力有限元法、有限体积法、无网格(光滑粒子)法以及这些方法的耦合计算技术,前后历时十年,终于编制成功爆炸冲击效应数值计算系列软件包(EP3D),从而为我军武器破坏效应研究提供了具有自主知识产权的数值仿真平台。
  早年与力学所协作时,郑先生指导下的课题组定期召开研讨会,从力学模型到求解方案都要经过大家反复讨论和争辩,以求集思广益和去伪存真,这种工作方式使我受益良多。为了在研讨会上能清晰表达自己的观点,我必须抓紧时间刻苦读书,不断收集整理有关爆炸力学的基础理论知识,从而养成了积累读书笔记的习惯。回到本单位后,这种习惯一直被坚持下来,并于1978年手抄完成了30万字的读书笔记,详细汇集了有关爆炸动力学的基本概念,并将弹性、塑性、流体三类材料都归纳为连续介质,导出了统一的动力学方程组及其在不同坐标系统中的表达形式。后来培养博士生时,遂将这本读书笔记在内部印刷,取名为《爆炸冲击波基础理论知识》,成为年轻人的主要阅读教材。
  基于自编大型计算软件的经验,我对《爆炸冲击波基础理论知识》讲义内容进行较大增删,改写成《爆炸冲击现象数值模拟》一书。本书主要探讨相对半无限体的爆炸近区效应和防护结构破坏机理,重点阐述大变形、多物质问题的数值求解方法(包括其基本思路、控制方程、离散处理和程序化过程);删去了原讲义中有关层状介质弹性波传播理论和一维杆件中的波动问题等部分,相关内容可参阅介绍地震波的众多论著和王礼立教授的《应力波基础》等书。原讲义中的计算图形多为手绘,新书则由模拟计算软件直接绘出破坏效应的三维动态演变图像。
  全书共分8章。前四章首先引入连续介质的基本概念和理论基础,然后介绍传统有限差分法的应用实例。在弹塑性变形条件下,利用笛卡儿坐标来描述介质运动比较简单直观,进而可以很方便地导出各不同方向上的有限差分方程。后四章转入介绍弹着点近区的非线性畸变问题求解方法,此时若仍沿用前四章的普通数学符号,必将增加大量的繁杂冗长公式,增加阅读困难,此时改用张量坐标来描述质点空间运动则相对方便些,物理概念清晰且阅读流畅,而空间坐标与笛卡儿坐标之间的变换关系将被隐含于计算程序之中。
  第1章详细归纳了有关应力状态和应变状态的基本概念,列出了不同形式的弹塑性介质应力应变关系和流体状态方程。
  第2章重新推导了Euler系统和Lagrange系统中不同坐标条件下的动力学基本方程组,并给出了波阵面前后各参量之间的守恒关系表达式。
  第3章介绍空气冲击波流场。首先回顾经典的空中点爆炸自模拟理论,借助该理论可以快速描绘一维不定常流场的波阵面参数变化图像;然后重点介绍空气冲击波流场计算程序EF3D,它是依据高精度、高分辨率差分格式WENN和贴体坐标而编制出来的,利用这个有限差分计算程序,可以模拟得出不同爆炸方式、不同入射反射背景条件下的各种空气冲击波流场参数变化规律。
  第4章介绍岩土中的弹塑性波。首先给出无限介质中不同坐标下的弹性波动方程及其通解;然后用积分变换法求解平面一维黏弹性波,用特征线法求解平面一维弹塑性波,用有限差分法求解封闭爆炸球面一维弹塑性波;最后重点剖析触地爆炸引起的轴对称二维流体弹塑性波。对于触地爆炸问题,书中描绘了爆炸弹坑及岩体破坏分区(液化区、破碎区、破裂区)的形成过程,给出了二维弹塑性应力波(包括纵向和径向的正应力和剪应力)随距离而衰减的传播规律。
  第5章专门介绍能处理几何非线性和多物质混合的数值解法。其中包括动力有限元基本原理、冲击效应的侵蚀接触求解方法、基于算子分裂和PLIC多物质算法的爆炸效应计算技术、Euler-Lagrange耦合算法等。Euler方法容易处理介质扭曲变形,在爆炸近区有较大优势;Lagrange方法可跟踪质点运动轨迹,在远区使用更为方便。将上述各种算法组合起来,就可实现从弹头侵蚀到结构动力响应的全过程数值仿真。
  第6章单独介绍光滑粒子解法。该方法基于Lagrange描述但不需要网格,能够方便地处理自由表面和运动边界,可以精确描述复杂材料的本构行为等,节省了为模拟边界畸变和跟踪裂缝发展而耗费的机时,在爆炸冲击效应计算中具有良好的发展潜力。本章着重阐述光滑粒子法的基本理论及其计算流程,作为应用实例,给出了高速碰撞、冲击贯穿、爆炸成坑等模拟图像。
  第7章介绍弹片效应。常规武器战斗部空中爆炸后,将产生高速飞散的密集弹片群,对附近的暴露人员和轻型武器装备造成杀伤破坏作用。本章简要叙述弹片的形成机理及其与空气冲击波的相对关系,考虑重力和空气阻力后的弹片飞散规律,当弹片撞击到结构墙面后会引发结构变形,若出现弹片与冲击波同时作用到墙体的情况,则有可能产生最不利的复合破坏效应。
  第8章介绍EP3D软件程序结构,主要包括建模、求解、可视化三部分。求解模块又含有弹丸冲击、装药爆炸、冲击爆炸耦合、光滑粒子等多个求解器。本章着重介绍主程序之外的三个辅助模块:基于映射方法和索引空间的建模软件、基于OpenGL和VTK库的可视化软件、基于OpenMP并行环境的共享式并行版本和基于MPICH并行环境的分布式并行版本。本章还提供了几种常用材料模型数据,仅供采用EP3D程序计算时的取值参照。最后以附录的形式给出了20组数值模拟工程实例,基本囊括了爆炸冲击效应的各种不同领域。其中,弹丸与结构构件的相互作用、水下爆炸的涌浪等图像,在同类资料中尚属少见。
  本书编写过程中参阅了大量相关资料,为此在文末列出了详尽的参考文献目录。书中前四章是作者多年科研工作的总结,所涉及的研究课题是由我与本研究室及协作单位同仁共同完成的,其中包含曾一道工作过的曾惠泉、李茂生、洪锦如、张守保、王家浚、陈文俊、张六一、陈志林、张德良、刘育魁、李荫凡、焦云鹏等同志的辛劳。后四章归纳了我的几名博士生的研究成果,他们是王安宝、杨科之、邓国强、董军、周布奎、胡金生等,特别是杨科之在编制EF3D软件、邓国强在编制EP3D软件过程中的贡献尤大。前四章插图由林晨绘制,后四章插图则主要由邓国强用计算机完成。作者在此一并表示衷心的感谢。
  读书笔记《爆炸冲击波基础理论知识》内部印刷前,为避免内容存在谬误之处,我曾呈送我的老师朱兆祥先生审阅,朱先生对有关基本概念作了详细订正,并提醒要注意保持常用参量在各章中出现时的统一性等。本书正式出版前,我又将样书呈送郑哲敏院士,郑先生以抱病之身仔细审阅了全部书稿。两位老先生都是我读科大时的启蒙老师,他们的严谨治学态度令我永远难以忘怀。最后,作者对在百忙中仔细审阅本书并为之作序的崔俊芝院士以及参与校审书稿的中国科学技术大学李永池教授等深致谢意。

                        杨秀敏
                      2010年2月24日

目录:

总序(Ⅰ)
序(Ⅲ)
前言(Ⅶ)
第1章 连续介质静力学的基本概念(1)
  1.1 应力状态(3)
  1.2 应变状态(15)
  1.3 弹性介质的应力应变关系(25)
  1.4 塑性介质的应力应变关系(31)
  1.5 流体介质的状态方程(45)
第2章 连续介质动力学基本方程(52)
  2.1 Euler形式的动力学基本方程(53)
  2.2 Lagrange形式的动力学基本方程(61)
  2.3 一维运动方程组的另一种表达方式(66)
  2.4 流体动力学方程组的再推导(72)
  2.5 波阵面前后各参量之间的关系(78)
第3章 空气中的冲击波(92)
  3.1 理想气体的一维不定常运动(92)
  3.2 点爆炸空气冲击波自模拟解(99)
  3.3 空气冲击波反射规律(113)
  3.4 空气流场三维有限差分数值计算(122)
第4章 岩土中的弹塑性波(139)
  4.1 无限介质中的弹性波(139)
  4.2 平面一维黏弹性波(151)
  4.3 平面一维弹塑性波(158)
  4.4 球对称一维弹塑性波(169)
  4.5 轴对称二维流体弹塑性波(179)
第5章 爆炸冲击效应的动力有限元解法(197)
  5.1 动力有限元(FEM)法的基本理论(197)
  5.2 弹丸冲击效应的FEM法计算(214)
  5.3 装药爆炸效应的FVM法计算(227)
第6章 冲击爆炸效应的光滑粒子解法(258)
  6.1 光滑粒子(SPH)法的基本理论(259)
  6.2 光滑粒子法与动力有限元法耦合(272)
  6.3 应用光滑粒子法求解冲击爆炸效应(275)
第7章 常规弹头爆炸后的弹片效应(286)
  7.1 弹片形成机理(286)
  7.2 弹片飞散计算程序(290)
  7.3 弹片飞行速度(298)
  7.4 弹片对壁面的破坏效应(302)
第8章 爆炸冲击效应三维计算程序(306)
  8.1 程序研制概况(306)
  8.2 建模软件(309)
  8.3 可视化软件(316)
  8.4 并行计算技术(321)
  8.5 材料本构模型及数据库(329)
  8.6 计算程序应用实例(350)
附录 爆炸冲击效应计算图集(351)
参考文献(375)
 



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