散粒体颗粒破碎过程离散元分析及程序设计

论文摘要

发射装药发射安全性一直倍受国内外兵器界广泛关注。内弹道初期发射药床的挤压破碎是导致膛炸的根本因素,弹底发射药床在高应力下的破碎程度,已成为发射装药发射安全性研究的核心问题。发射药床本质上是由六棱柱发射药粒组成的散粒体系统。本文基于离散元法,系统地研究了多面体颗粒破碎的离散元程序实现,并将其应用到高冲击荷载下发射药床挤压破碎过程的研究中。本文的主要研究内容如下:1.研究了离散元法的基本理论和破碎模型。提出了基于弹簧-四面体的多面体颗粒破碎模型,提高了离散元法描述复杂颗粒和碎片真实形状的准确程度。2.详细讨论了离散元程序中的接触识别算法。分析了邻居目录算法中的Verlet列表法、连接单元法、连接线性目录法和精确接触识别中的公共面法、GJK法、射线穿透法;根据多面体颗粒的特性,选择连接线性目录法建立颗粒的邻居目录,编程并比较了GJK法与射线穿透法的特性,得出了GJK法效率较高但射线穿透法稳定性较好的结论。3.编制了能够模拟伴随多面体颗粒破碎的散粒体系统离散元程序。对主程序中信息初始化、循环计算和内存释放的实现过程进行详细描述;对OpenGL图形后处理程序的主要流程和图像的代码实现进行了说明;通过模拟规则颗粒的冲击回弹、不规则颗粒的自由堆积、立方体的单颗粒冲击破碎和立方体散粒体系统的冲压破碎对离散元程序和破碎模型的有效性进行了验证。4.数值模拟了发射药床挤压破碎过程,并和物理试验进行了对比。建立了发射药挤压破碎的离散元模型,采用无破碎的程序获得发射药床的密实堆积结构;采用破碎程序建立发射药单颗粒破碎模型和发射药床散粒体系统破碎模型;提出弹簧-四面体模型的破碎程度统计规则;模拟和分析了不同冲击荷载下的发射药单颗粒破碎情况,颗粒破碎形态和破碎过程的仿真结果与物理试验结果较为吻合;按照真实荷载模拟了发射药床的挤压破碎过程,将仿真结果与物理试验结果进行了对比分析,结果吻合较好。对程序的验证分析表明本文编制的离散元程序和破碎模型有效;对发射药单颗粒冲击破碎的模拟结果表明程序模拟破碎形态方面的准确性较好;与物理试验结果对比,相同荷载下药床挤压破碎的仿真结果符合较好。本文设计的可以模拟伴随多面体颗粒破碎的散粒体系统离散元程序为发射安全性研究提供了重要的理论支撑和研究手段。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 离散元法研究现状
•     1.2.2 发射装药安全性研究现状
•   1.3 本文研究内容
• 第二章 离散元法的基本理论
•   2.1 离散元法的基本思想
•   2.2 离散元法的基本模型
•   2.3 离散元法的基本方程
•   2.4 接触力模型
•     2.4.1 法向接触力
•     2.4.2 切向接触力
•     2.4.3 阻尼力
•   2.5 离散元法求解过程
•   2.6 离散元法破碎模型
•   2.7 小结
• 第三章 散粒体系统接触识别算法
•   3.1 引言
•   3.2 散粒体系统接触识别的邻居目录算法
•     3.2.1 Verlet列表法
•     3.2.2 连接单元法
•     3.2.3 连接线性目录法
•     3.2.4 邻居目录算法分析
•   3.3 颗粒接触识别算法
•     3.3.1 公共面法
•     3.3.2 GJK法
•     3.3.3 射线穿透法
•     3.3.4 精确接触识别算法特性及效率对比
•   3.4 小结
• 第四章 离散元破碎模拟的程序实现
•   4.1 引言
•   4.2 基本信息与数据结构
•   4.3 离散元主程序基本流程
•   4.4 数据初始化过程
•     4.4.1 多面体颗粒几何模型生成
•     4.4.2 多面体颗粒凹凸性检测
•     4.4.3 多面体颗粒质量信息
•   4.5 循环计算过程
•     4.5.2 精确接触识别与接触响应过程
•     4.5.3 动力学求解与数据统计输出
•   4.6 内存释放
•   4.7 破碎模型计算模块
•   4.8 基于OpenGL的后处理程序
•     4.8.1 OpenGL原理
•     4.8.2 OpenGL后处理程序流程及主要代码
•   4.9 程序的基本算例验证
•     4.9.1 规则多面体组成的散粒体系统验证算例
•     4.9.2 不规则多面体组成的散粒体系统验证算例
•     4.9.3 单颗粒破碎验证算例
•     4.9.4 散粒体系统冲压破碎验证算例
•   4.10 小结
• 第五章 发射药挤压破碎的离散元分析
•   5.1 引言
•   5.2 发射药床挤压破碎的物理仿真模型
•     5.2.1 发射药床挤压破碎物理仿真装置
•     5.2.2 发射药床破碎程度表征方法
•   5.3 发射药挤压破碎的离散元模型
•     5.3.1 发射药床的堆积结构
•     5.3.2 发射药单颗粒破碎模型
•     5.3.3 发射药床的散粒体系统破碎模型
•     5.3.4 发射药床离散元模型破碎程度统计准则
•   5.4 发射药挤压破碎过程的离散元分析
•     5.4.1 发射药单颗粒冲击破碎的离散元分析
•     5.4.2 发射药床挤压破碎的离散元分析
•   5.5 小结
• 第六章 总结与展望
•   6.1 总结
•   6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者简介

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 李建兴

导师: 洪俊

关键词: 离散元,程序设计,破碎模型,接触识别算法,散粒体,发射药床

来源: 东南大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 力学

单位: 东南大学

基金: 国家自然科学基金资助项目(11772091)

分类号: O347.7

DOI: 10.27014/d.cnki.gdnau.2019.000880

总页数: 102

文件大小: 4338K

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