极端高压条件下强度材料混合问题的数值模拟

Micro-jet produced by shocked metal interface with defection and impurity and interfacial instabilty are two keys of mixing problems in weapon physics, the mechanism study of damnification with debris and protection of space probe is important direction. As study these problems，intensity materials may rupture in the strong shock or pressure discharge process，it is necessary to study its mechanism of the rupturing. Numerical simulation is one of the important research tools, but more attention should be paid on the numerical method.In order to study the mechanism of the rupturing action of the mateirals under strong shock or pressure discharge condition, this project is to study Euler numerical method. The main work is to investigate capturing methods of material interface, computing method of mixing materials, the numerical model of material rupturing, techniques of massive parallel computation. The aim of this project is to explore numerical tool for rupture action of intensity materials, and expect that the tool would be applied in the study of mixing problem in micro jet, instabilty of metal interface and damnification with debris and protection of space probe.

带有缺陷或杂质的金属界面受冲击而形成的微喷射流和金属界面不稳定性的发展是内爆作用过程中引起混合的两个关键因素，航天领域中研究空间碎片对航天器作用机理和防护设计也是各航天大国的重要的研究内容。在这些问题的研究中，强度（金属）材料在强冲击或强卸载过程中会发生各类断裂行为，需要从机理层面深化对这些断裂行为的认识，数值模拟是重要的研究手段，但目前的数值模拟方法还较为欠缺。本项目以强度材料界面在冲击或卸载过程中产生的断裂、破碎问题为研究对象，开展欧拉数值模拟方法研究，在物质界面的追踪和描述、混合质团的物理量计算、断裂演化过程的计算建模、大规模并行计算等方面开展工作，开发描述强度材料特别是金属材料的断裂、破碎数值模拟工具，应用于微喷射和金属界面不稳定性的发展等混合问题、以及航天器超高速撞击等问题的研究。

本项目以武器物理中混合问题的两个关键因素-微喷射流、金属界面不稳定性的研究为牵引，针对高密度比大变形多介质流场，在物质界面的追踪和描述、高密度比混合质团中各组分的物理量计算、材料的断裂计算模型、大规模自适应网格并行计算等方面开展数值模拟方法研究。在界面处理方面，从“形心”的定义、任意多边形体积和“形心”的统一计算公式，到迭代方法出发，扩展了基于介质形心和体积的二维平面界面重构方法到二维轴对称几何，并实现了三维几何下的二阶精度界面重构，以及根据流场特征自适应选择的多种方式耦合的介质界面捕捉方法；在混合质团计算方面，在考虑压力驰豫的压力增量相等封闭性模型的基础上，将混合网格的各介质密度视为可变量，与压力一同求解，结合近似Riemann解进行修正，发展了适用于任意形式状态方程的混合质团封闭计算；在材料层断裂模拟方面，从弹塑性本构模型、自由面物理量处理、断裂模型、断裂判据、材料断裂后的处理等方面研究了用欧拉方法模拟材料断裂、破碎的方法；在数值方法的大规模并行计算方面，实现了考虑计算区域动态变化的网格自适应细分及高效并行计算技术。形成了具有独立自主知识产权的描述强度材料特别是金属材料的断裂、破碎欧拉方法及程序。利用新开发的程序，模拟了飞片撞击板靶形成材料层裂的实验现象及自由面速度演化数值模拟结果与实验结果的比较；分析了内爆加载条件下金属界面不稳定性的发展规律，进行了充气环境下微喷射流的发展形态及与真空环境的比较；模拟分析了内爆情况下的爆轰对碰区飞层凸起机理；数值模拟了弹靶超高速碰撞形成碎片云过程中，材料损伤破碎规律。部分研究内容以期刊论文或会议论文的形式进行了交流，共发表有资助标注的论文15篇（其中12篇为Sci/Ei收录）。到2017年底，本项目完成了所有研究内容，达到预期的研究目标，所研制的数值方法在武器物理的机理研究、构型设计、作用过程和结果分析等实际研究工作中发挥了重要作用。