[论文解读] Material point method simulations of fragmenting cylinders

B. Banerjee|arXiv (Cornell University)|Jan 11, 2012

Fluid Dynamics Simulations and Interactions参考文献 34被引用 14

一句话总结

本文提出了一种使用 hypoelastic-plastic 本构模型与径向返回积分及基于损伤的失效准则的材料点法（MPM）模拟，对爆炸驱动下破碎的钢质圆柱体进行仿真。模拟成功捕捉了延性断裂与绝热剪切带现象，与实验数据定性吻合，展示了 MPM 在大变形、高应变率流固耦合问题中的模拟能力。

ABSTRACT

Most research on the simulation of deformation and failure of metals has been and continues to be performed using the finite element method. However, the issues of mesh entanglement under large deformation, considerable complexity in handling contact, and difficulties encountered while solving large deformation fluid-structure interaction problems have led to the exploration of alternative approaches. The material point method uses Lagrangian solid particles embedded in an Eulerian grid. Particles interact via the grid with other particles in the same body, with other solid bodies, and with fluids. Thus, the three issues mentioned in the context of finite element analysis are circumvented. In this paper, we present simulations of cylinders which fragment due to explosively expanding gases generated by reactions in a high energy material contained inside. The material point method is the numerical method chosen for these simulations discussed in this paper. The plastic deformation of metals is simulated using a hypoelastic-plastic stress update with radial return that assumes an additive decomposition of the rate of deformation tensor. Various plastic strain, plastic strain rate, and temperature dependent flow rules and yield conditions are investigated. Failure at individual material points is determined using porosity, damage and bifurcation conditions. Our models are validated using data from high strain rate impact experiments. It is concluded that the material point method possesses great potential for simulating high strain-rate, large deformation fluid-structure interaction problems.

研究动机与目标

• 模拟由高能炸药（PBX 9501）反应产生的内压导致的钢质圆柱体动态破碎过程。
• 解决有限元方法在大变形、接触及流固耦合问题中的局限性。
• 基于高应变率实验数据，验证基于 MPM 的模拟在延性断裂与剪切带现象中的准确性。
• 研究塑性、孔隙率与损伤在预测快速膨胀圆柱体失效模式中的作用。
• 评估 MPM 模拟在软化材料极端变形条件下的能量守恒性与网格敏感性。

提出的方法

• 采用材料点法（MPM），在欧拉网格上使用拉格朗日材料点，以避免网格缠结并改善接触处理。
• 采用基于速率变形张量加法分解的 hypoelastic-plastic 应力更新与径向返回算法。
• 采用 Johnson-Cook 及其他塑性模型，结合温度与应变率相关的流动规则与屈服条件。
• 基于孔隙率、屈曲与材料稳定性丧失的损伤模型，用于预测材料点处的失效。
• 将 MPM 与隐式连续欧拉（ICE）流体动力学代码耦合，用于气体动力学模拟，并采用燃烧模型模拟 PBX 9501 分解为高压气体的过程。
• 使用 Uintah 计算框架实现大规模并行模拟，确保固体、流体与界面动力学的一致处理。

实验结果

研究问题

• RQ1 MPM 是否能有效模拟爆炸气体压力下钢质圆柱体的大变形与破碎过程？
• RQ2 不同塑性与损伤模型如何影响对失效模式（延性断裂与剪切带）的预测？
• RQ3 能量守恒与网格依赖性在软化区对 MPM 模拟精度的影响程度如何？
• RQ4 MPM 模拟在高应变率事件中对实验碎片形态与裂纹扩展的复现程度如何？
• RQ5 将失效粒子的应力设为零与将其转换为具有独立速度场的新材料状态相比，其影响是什么？

主要发现

• MPM 模拟定性再现了实验中的碎片形态，包括孔洞聚集导致的延性断裂与绝热剪切带现象。
• 三维模拟在主裂纹的方向与数量上与实验结果具有良好一致性。
• 对加热引发的圆柱体模拟产生了沿轴向的裂纹，并进一步演化为碎片，与实验观测一致。
• 当将失效粒子转换为具有独立速度场的新材料状态时，能量守恒性能得到改善，而非简单地将应力设为零。
• 在软化区观察到网格依赖性，尤其是在使用温度相关塑性与基于孔隙率的屈服强度退化模型时。
• 验证工作仍在进行中，旨在量化网格敏感性，并探索非局部或梯度塑性方法在 MPM 中的应用，以提升模拟的鲁棒性。