顯式動力學軟件(MPMLab)
顯式動力學軟件MPMLab是一款采用物質點粒子方法，用于對結構沖擊、爆炸、裂紋擴展、流固耦合仿真分析。
圖 1 顯式動力學軟件
一、功能特點
1. 超高速碰撞仿真，如空間碎片防護
2. 沖擊侵徹仿真，如子彈穿甲
3. 爆炸仿真，如爆轟驅動飛片問題
4. 流固耦合仿真，如潰壩問題；
5. 材料毀傷仿真，如金屬延性斷裂
二、特色優勢
1. 精度驗證 克服了傳統有限元方法模擬大變形時存在的網格畸變問題，允許結構大變形仿真；
2. 允許不同的物質點具有不同的本構關系，結合自適應背景網格，具備多物質材料、多尺度問題仿真能力；
3. 豐富的材料模型：包括多種本構模型、狀態方程以及失效模型，滿足了材料大變形、非線性仿真的各種場景需求。
三、精度驗證
飛板高速沖擊試驗物質點法驗證
a. 計算模型
飛板以一定速度V撞擊樣品，飛片厚2mm，高56mm；樣品厚2mm，高48mm，樣品右表面自由。取樣品右表面中心點為自由面探測點，如下圖所示。采用MPM模擬飛板撞擊樣品的過程，繪制樣品自由面探測點在撞擊載荷下的速度-時間曲線，并與實驗結果進行對比。
圖 2 飛板試驗模型示意圖
b. 計算結果
將MPM模擬得到的樣品自由面速度-時間曲線與實驗測得的曲線繪制于同一坐標系下，對比結果如下：
圖3 樣品自由面速度實驗曲線與MPM方法模擬比較（440m/s和604m/s）
四、典型案例
子彈高速傾徹仿真——選取接觸物質點算法，Johnson-Cook模型，Mie-Gruneisen狀態方程進行侵徹分析。接觸物質點算法考慮了彈靶界面之間的接觸關系和分離條件，更真實地模擬了彈靶之間的相互作用。
圖4 實驗結果，剩余彈度217m/s
圖5 接觸物質點法模擬，剩余彈度207.8m/s
滑塊-軌道三維鑿削仿真——在高速槍膛和火箭發射軌道表面由于高速滑移接觸產生破壞，這種現象一般叫做“鑿削”。由于鑿削是極端工況下軌道的瞬態損傷過程，很難用常規檢測技術進行在線檢測，因此采用物質點法(MPM)軟件環境，模擬鑿削現象的超高速、大變形、彈塑性、高溫高壓、粒子絕熱以及非線性接觸等現象。
圖6 滑塊軌道幾何模型和應力分布云圖
圖7 不同時刻鑿削效應
金屬延性斷裂仿真——金屬延性斷裂行為是工程中普遍關注的問題，但是準確預測裂紋的擴展路徑以及斷裂載荷仍然是一難題。物質點法具有不需要固定網格連接的特性，相比有限單元法對模擬不連續問題具有較明顯的優勢。選取合適的脫聚模型預測多孔金屬試件的裂紋擴展。
圖8 金屬延性斷裂模擬對比
炸藥爆炸仿真——炸藥的爆轟性能主要研究在炸藥爆轟后的壓力、速度、溫度、爆速性能等，由于歷時非常短，一般幾十毫秒左右，實驗測試難以捕捉整個爆轟過程。采用網格有限元方法仿真存在網格發生畸變和扭曲問題，會造成計算精度和速度嚴重下降，甚至導致計算過程終止。
圖9 炸藥爆炸仿真
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